B GIÁO DC
VÀ ĐÀO TẠO
VIN HÀN LÂM KHOA HC
VÀ CÔNG NGH VIT NAM
HC VIN KHOA HC VÀ CÔNG NGH
-----------------------------
Mn Hoài Nam
NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP VẬT LIỆU PLASMONIC HAI CHIỀU
GRAPHENE VÀ MoS2 TRÊN CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA
HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở VÙNG TẦN SỐ GHz VÀ THz
TÓM TT LUN ÁN TIẾN KHOA HC VT CHT
Ngành: Vt liệu điện t
Mã s: 9 44 01 23
Hà Ni 2024
Công trình được hoàn thành ti: Hc vin Khoa hc Công ngh, Vin Hàn
lâm Khoa hc và Công ngh Vit Nam.
Người hướng dn khoa hc:
Người hướng dn khoa hc 1: TS. Bùi Xuân Khuyến
Người hướng dn khoa hc 2: GS. TS. Vũ Đình Lãm
Phn bin 1:
Phn bin 2:
Phn bin 3:
Lun án đưc bo v trước Hội đồng đánh giá luận án tiến cấp Hc vin
hp ti Hc vin Khoa hc và Công ngh, Vin Hàn lâm Khoa hc và Công
ngh Vit Nam vào hồi ………. giờ ……, ngày …….. tháng …….. năm
……..
Có th tìm hiu lun án ti:
- Thư viện Hc vin Khoa hc và Công ngh
- Thư viện Quc gia Vit Nam
1
M ĐẦU
1. Tính cp thiết ca lun án
Cho đến nay, hướng nghiên cu v vt liu biến hóa (metamaterials
MM) có cu trúc nhân to kích thước vt lý nh hơn bước sóng hoạt động
nhiu lần là lĩnh vực được coi trng phát trin mnh v lý thuyết thc tin
[1- 3]. Trong quá trình phát trin ca MMs, đã có rất nhiu những khó khăn,
thách thc cn tr vic ng dng chúng vào thc tế, chng hạn như mở
rộng/điều khin ch động di tn s, hin thc hóa cu trúc ba chiu, tích
hp vi thiết b đin t hin hành hoc thu nh cu trúc kích thước micro-
nano mét [13-23]. Chúng ta đã chứng kiến rt nhiu nhng ci tiến ln trong
đó phải k đến ý tưởng v s kết hp gia: MMs vi li thế v cu trúc nhân
to và vt liu Plasmonics tiềm năng bởi tương tác giữa ánh sáng và điện t
t do trong các kim loi quý. Các tính cht thú v ca sóng plasmon b mt
(surface plasmon polaritons SPPs, lan truyn trên biên phân cách giữa điện
i kim loại) đã được tn dng trong rt nhiu các cu trúc của MM để
to ra nhiu hiu ng k diu không quan sát thy trong vt liu t nhiên v:
chiết sut mang giá tr âm, hiu ng Cherenkov/Doppler ngược [1-5]. V mt
bn cht, MM có cu trúc ri rc/tun hoàn và chế hoạt động đều da trên
s tương tác mạnh gia ánh sáng và vt cht. Do đó, khi kết hp vi vt liu
plasmonics (đặc bit vt liu hai chiu 2DP) s mang đến nhiu gii pháp
công ngh tiên tiến (MM-2DP) giúp gii quyết các khó khăn thách thức đã
nêu [24-47].
Hin ti, mt s tính chất ưu vit ca vt liệu 2DP (độ truyền qua, độ
dẫn điện tt giá tr độ dn th điu khin d ng thông qua thế hóa
học, điện trường/t trường) mi ch đưc nghiên cu hu hết da trên tính
toán thuyết hay mô phng tn s THz cho các ng dụng điều chnh v
biên độ cũng như tần s di hp th. Vấn đề v chế to và ng dng các cu
trúc đó hiện vẫn đang gặp nhiều khó khăn do chi phí cao vì thường s dng
các công ngh chế to hiện đại đắt tin. Mt khác, công ngh vin thông,
thông tin liên lc trong các thiết b thông minh hoạt động vùng GHz
2
(4G/5G) cho mc tiêu quân s, dân s chăm sóc sức khe hiện đang
lĩnh vực ưu tiên phát triển nước ta nhiu quc gia trên thế giới. Do đó,
vic hin thc hóa sm các hình vt liu hp th sóng điện t da trên
vt liu biến hóa tích hp vi vt liu plasmonic hai chiu (2DP-MPA)
vùng GHz có cấu trúc đơn giản, kích thước ln và chi phí hợp lý đang được
tiến hành sôi ni các nhóm nghiên cu ngoài nước [45,47].
Mt s các hướng nghiên cu cn trin khai để sớm đưa các hình
2DP-MAs hot động trong thc tế vùng GHz đó nghiên cu phát trin
đa dạng công ngh chế to vt liệu MA đồng thi là công ngh tích hp
vt liu 2DP vào các cu trúc MA nhm: kiểm soát được s biến đổi v biên
độ và tn s ca ph hp th thông qua chiu dày ca các vt liệu 2DP được
s dng; không cn s dng mt n đ tiết kim chi phí và thi gian chế to;
điều khin tính cht hp th khi thay thế hoàn toàn lp kim loi bng 2DPs
tun hoàn; hin thc hóa s hp th hai chiu da trên cấu trúc đẳng hưng;
điều khiển biên độ và tn s hp th dựa trên tác động ng bc (cơ nhit,
điện, quang và pha tp); điu khin hiu ng chuyển đổi phân cc trong mô
hình bất đối xng. Do đó, chúng tôi lựa chọn đề tài ca lun án là: Nghiên
cu tích hp vt liu plasmonic hai chiu graphene và MoS2 trên cu trúc
vt liu biến hóa hp th sóng điện t vùng tn s GHz THz nhm
tối ưu đặc tính hp th đơn/đa dải tn và di rng.
2. Mc tiêu ca lun án:
- Làm chế hoạt động ca mt s hình vt liu biến hóa tích
hp vi vt liu plasmonic hai chiu (MPA-2DP), dựa trên đặc tính cng
hưởng điện t và phi hp tr kháng, cộng hưởng điện môi.
- Chế to và kim chng thc nghim mt s mô hình MPA-2DP trong
vùng tn s GHz nhm kiểm soát biên độ và tn s hp th đa đỉnh.
3. Những đóng góp mới ca lun án: Luận án đã đạt được mt s kết qu
chính liên quan đến vấn đề tích hp các vt liu plasmonic hai chiu
(graphene và Molybdenum-disulfide) có tên chung là MPA-2DP, bao gm:
+ Luận án làm rõ cơ chế hoạt động mô hình MPA-2DP tích hp mc in
dn đin thp trên nn vt liu 2 chiều graphene (điện tr thay đổi t 7,2 đến
3
30,0 Ω/sq trong vùng tần s 5-10 GHz), ph hp th thu được dưới dạng đa
đỉnh (độ hp th tối đa đạt trên 90% ti tại 6,85 GHz), đ hp thth điu
khin ti 60% ti 8,4 GHz. Do cấu trúc đối xng, mô hình này hoạt động tt
vi góc ti nh hơn 60o và ti các góc phân cc khác nhau (0-90o).
+ Lun án đã kiểm soát được s thay đổi v biên độ và tn s hp th ca
mt s MPA-2DP tn di tn s rng da trên vic tích hp MoS2 hp th
đạt trên 90% t 10,1 -17,8 GHz), độ rng tương đối (FBW) đt trên 55,2%.
CHƯƠNG 1. TNG QUAN V ĐẶC TÍNH HP TH SÓNG
ĐIN T CA VT LIU BIN HÓA TÍCH HP VT LIU
PLASMONIC HAI CHIU
1.1. Đặc trưng hấp th trong môi trường vt liu biến hoá (MMs)
1.1.1. thuyết chung v hp th tuyệt đối năng ợng sóng điện t
trong MM
Tương tác điện t gia vt liệu sóng điện t th t qua h
phương trình Maxwell với các điều kin biên thích hp. H s phn x
truyn qua có th được xác định theo h phương trình sau:
𝑟 = 𝐸𝑟
𝐸𝑖
|𝑟|𝑒𝑖𝜃𝑟
𝑡=𝐸𝑡
𝐸𝑖
|𝑡|𝑒𝑖𝜃𝑡
Trong đó 𝜃𝑟 𝜃𝑡 pha phn x truyền qua tương ứng. Độ phn x (R)
và độ truyền qua (T) được xác định bi:
𝑅 = |𝑟|2
𝑇 = |𝑡|2
Độ hp th (A) được tính theo định lut bo toàn năng lượng:
A = 1- R T
1.1.2. S phi hp tr kháng hoàn ho trong MPA-2DP
Phi hp tr kháng trng thái cn thiết để hp th hoàn hảo khi đó
các thành phn r = 1 μr = 1 hay Zr = 1. Trong trường hp tng quát ta có:
𝑅 = |𝑟|2= 0
𝑇 = |𝑡|2= 𝑒−2𝑛2𝑘0𝑑
𝐴 = 1 𝑒−2𝑛2𝑘0𝑑