Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật liệu biến hóa trên cơ sở kết hợp với graphene

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật liệu biến hóa trên cơ sở kết hợp với graphene" nhằm đề xuất mô hình, làm rõ cơ chế vật lý, thiết kế và nghiên cứu khả năng điều khiển các đặc trưng điện từ của MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều bằng cách tích hợp vật liệu 2D graphene.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật liệu biến hóa trên cơ sở kết hợp với graphene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Văn Huỳnh NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐẲNG HƯỚNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VỚI GRAPHENE Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – Năm 2021
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Vũ Đình Lãm Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi .… giờ ....’, ngày .… tháng .… năm 2021. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Vật liệu biến hóa (MMs – Metamaterials) là vật liệu mới với nhiều tính chất đặc biệt như: chiết suất âm, hiệu ứng nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, siêu thấu kính, tàng hình, hiệu ứng nghịch đảo của sự phát xạ Cherenkov, hiệu ứng hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ, ... [3-8]. Những đặc tính khác lạ đó của MMs nếu được nghiên cứu hoàn chỉnh và ứng dụng vào thực tế sẽ giúp con người hiện thực hóa được các kỳ vọng vốn chỉ tồn tại trong thế giới khoa học viễn tưởng. Một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật của MMs trên thế giới hiện nay như: viễn thông, quốc phòng, hàng không, y tế, nông nghiệp. Một trong các hướng nghiên cứu mới về MMs hiện nay là hướng nghiên cứu về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs – Metamaterial Perfect Absorbers). Các bộ cộng hưởng của MMs nói chung và của MPAs nói riêng thường bằng kim loại (với độ dẫn thường không đổi), dẫn đến đặc tính của chúng khó thay đổi sau khi chế tạo. Đã có nhiều hướng nghiên cứu tích hợp các vật liệu khác nhau vào MPAs với mục đích điều khiển các tính chất điện từ của chúng thông qua các tác động ngoại vi như nhiệt, điện trường, từ trường, ánh sáng, … [15-19]. Trong đó, xu thế hướng tích hợp vật liệu 2D graphene vào MPAs để điều khiển các tính chất hấp thụ đang là một hướng đi được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Mặc dù hầu hết các loại vật liệu MPAs tích hợp graphene cho phép thay đổi tần số và biên độ hấp thụ, tuy nhiên đều tồn tại hai nhược điểm lớn khiến khả năng ứng dụng của loại vật liệu này trở nên hạn chế, đó là: i) Chỉ có khả năng hấp thụ một chiều do phần lớn thiết kế MPAs sử dụng lớp kim loại phía sau. 1
ii) Chỉ có khả năng làm việc ở chế độ phản xạ (sóng tới ở ngoài vùng hấp thụ sẽ bị phản xạ do lớp kim loại đóng vai trò như một gương điện từ). Do đó, nghiên cứu bản chất vật lý của MPAs, từ đó tích hợp với graphene, tối ưu hóa cấu trúc để tạo ra một thế hệ MPAs tích hợp graphene có khả năng hấp thụ đẳng hướng hai chiều là một hướng nghiên cứu mới, quan trọng, không thể thiếu để đưa vật liệu MPAs tới những ứng dụng thực tiễn trong quang học, quân sự, năng lượng và y sinh. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Đề xuất mô hình, làm rõ cơ chế vật lý, thiết kế và nghiên cứu các đặc trưng điện từ của MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều. Đề xuất mô hình, làm rõ cơ chế vật lý, thiết kế và nghiên cứu khả năng điều khiển các đặc trưng điện từ của MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều bằng cách tích hợp vật liệu 2D graphene. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Nghiên cứu tính chất vật lý của MMs hoạt động ở vùng tần số THz; sự ảnh hưởng của các tham số cấu trúc, tham số vật liệu đến tính chất của MMs hoạt động ở vùng tần số THz, đặc biệt là MPAs hấp thụ hai chiều sóng điện từ. Lý giải tính chất điện từ của graphene và khả năng tích hợp graphene với vật liệu MMs. Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý, thiết kế và chứng minh khả năng điều khiển tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều của MPAs tích hợp graphene hoạt động ở vùng tần số THz. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs) 1.1.1. Khái niệm vật liệu MPAs Vật liệu biến hóa MMs là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, bao gồm các cấu trúc cơ sở sắp xếp tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Tính chất điện từ của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc hình học, sự sắp xếp, các vật liệu thành phần của các cấu trúc cơ sở. MPAs là một loại vật liệu biến hóa lần đầu tiên được chứng minh vào năm 2008 [9], có khả năng hấp thụ gần như tuyệt đối sóng điện từ. MPAs cho thấy có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị như: cảm biến, bộ lọc tần số, thu năng lượng, … Ngày càng có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về MPAs được triển khai thực hiện. Tuy nhiên, các hướng hiện nay chỉ tập trung vào MPAs với một mặt phẳng kim loại hỗ trỡ sự hấp thụ, dẫn đến các MPAs chỉ hấp thụ một chiều sóng điện từ chiếu đến, đồng thời bên ngoài dải tần hấp thụ, sóng điện từ bị phản xạ hoàn toàn. 1.1.2. Các hướng nghiên cứu vật liệu MPAs Hiện nay, các hướng nghiên cứu chính về MPAs có thể kể ra gồm: tối ưu hóa cấu trúc từ các cấu trúc phức tạp thành các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo [54-59]; thay đổi vùng tần số hoạt động từ MHz đến GHz đến THz và tần số quang học [10,15,60]; mở rộng dải tần hấp thụ từ hấp thụ đơn đỉnh đến hấp thụ đa đỉnh và đến hấp thụ dải tần rộng [63-74]; MPAs hấp thụ góc rộng [75- 79]; điều khiển tính chất của MPAs bằng tác động ngoại vi [18- 21,80-84], MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi [85-87]. 1.1.2. Tiềm năng phát triển và ứng dụng của MPAs Do có nhiều tính chất đặc biệt nên các MPAs cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến [91-94], hấp thụ năng lượng [95-101], ra đa, chống phản xạ [102, 103], thiết 3
bị phát hiện quang [104-106], nhiệt điện quang [107-108], thiết bị hình ảnh [109,110], bộ phát xạ nhiệt tuyệt đối [111, 112]. 1.2. Tương tác điện từ của vật liệu MMs 1.2.1. Cộng hưởng điện Bản chất cộng hưởng điện của các cấu trúc MMs với sóng điện từ là do tương tác giữa điện trường của sóng điện từ với các thành phần kim loại trong cấu trúc MMs. Sự tương tác này dẫn đến các dòng điện cảm ứng cùng chiều trong các thành phần kim loại. Sự cộng hưởng xảy ra khi dòng điện cảm ứng hiệu dụng đạt giá trị cực đại. Khi đó, độ điện thẩm hiệu dụng của cấu trúc MMs đạt giá trị âm. 1.2.2. Cộng hưởng từ Khi sóng điện từ tới tương tác với MMs, từ trường ngoài tạo ra các dòng điện cảm ứng ngược chiều trong các thành phần kim loại của cấu trúc MMs. Giá trị hiệu dụng của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ. Tại một giá trị tần số của sóng điện từ, dòng điện cảm ứng hiệu dụng đạt giá trị cực đại, khi đó MMs cộng hưởng với sóng điện từ và cộng hưởng đó là cộng hưởng từ. 1.2.3. Sự phối hợp trở kháng Sự phối hợp trở kháng xảy ra khi trở kháng hiệu dụng của vật liệu bằng trở kháng của không gian xung quanh nó. Khi đó, sóng điện từ hoàn toàn đi qua bề mặt của vật liệu mà không có thành phần phản xạ tại bề mặt. 1.3. Tổng quan về vật liệu graphene 1.3.1. Tính chất điện từ của graphene Với cấu trúc dải điện tử không khe hở graphene, độ dẫn là thông số thích hợp nhất để mô tả đặc tính điện từ của nó. Tấm graphene được mô hình hóa bằng độ dẫn bề mặt. Độ dẫn của graphene được xác định theo mô hình độ dẫn Kubo. Độ dẫn của 4
graphene có thể biểu diễn thành hai thành phần là độ dẫn intraband (σintra) và độ dẫn interband (σinter). Với những sóng điện từ tần số THz thì năng lượng của các photon là nhỏ và khi đó độ dẫn interband không đáng kể so với độ dẫn intraband [122-124]. 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp graphene Các phương pháp tổng hợp graphene gồm: cắt vi cơ, sử dụng băng keo, bóc tách pha lỏng, lắng đọng pha hơi hóa học, Epitaxy chùm phân tử [22,125]. 1.3.3. Một số ứng dụng của graphene Do graphene sở hữu nhiều tính chất đặc biệt vì vậy graphene được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như cảm biến, năng lượng, thiết bị điện tử, vật liệu tổng hợp, y sinh, màng và lớp phủ, … Trong đó, nhiều ứng dụng đã được triển khai, đưa vào sản xuất công nghiệp và thương mại hóa [125-131]. 1.4. Vật liệu MPAs tích hợp graphene 1.4.1. Một số kỹ thuật tích hợp graphene trong MPAs i) Tích hợp một lớp graphene liên tục ngay phía dưới các bộ cộng hưởng kim loại của cấu trúc MPAs [133-140]; ii) Tích hợp một lớp graphene có cấu trúc vào các bộ cộng hưởng kim loại của vật liệu MPAs [141-144]; iii) Tích hợp một lớp graphene có cấu trúc thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPAs [145-162]; iv) Tích hợp đa lớp graphene xen giữa các lớp điện môi thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPAs [163-167]. 1.4.2. Điều khiển tính chất hấp thụ của MPAs tích hợp graphene Bằng các kỹ thuật khác nhau, graphene được tích hợp vào vật liệu MPAs và thông qua điện thế một chiều áp vào lớp graphene, mức năng lượng Fermi và độ dẫn của graphene được điều khiển thông qua điện thế này. Tùy thuộc vào mục đích cụ 5
thể, tần số hấp thụ hoặc cường độ hấp thụ của MPAs tích hợp graphene có thể được điều khiển. 1.4.3. Tiềm năng của MPAs hai chiều tích hợp graphene MPAs tích hợp graphene có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị THz. Các thiết bị THz dựa trên MPAs tích hợp graphene hứa hẹn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ thông tin và truyền thông, cảm biến, y sinh, các bộ điều biến quang điện, thiết bị đóng mở quang học, máy dò nhiệt, thiết bị giám sát môi trường, ... [148,169-173]. 1.5. Kết luận Từ quá trình hình thành và phát triển của các loại MMs, chúng tôi đặc biệt chú ý đến các MPAs. Các MPAs và các MPAs tích hợp graphene đã và đang được nghiên cứu thường hấp thụ ở chế độ phản xạ. Trong cấu trúc của các MPAs thường sử dụng một tấm kim loại đóng vai trò như một gương phản xạ hoàn toàn sóng điện từ chiếu đến, làm hạn chế các ứng dụng của chúng trong nhiều trường hợp như bộ lọc tần số, cửa sổ quang học thông minh. Do đó, luận án tập trung thiết kế và nghiên cứu tính chất điện từ của MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều trong vùng THz (0,4-2,5 THz), nơi các tính chất điện từ của graphene biến đổi rõ nét. Từ đó, luận án trình bày thiết kế tích hợp graphene vào các MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều và điều khiển chuyển đổi được giữa hấp thụ và truyền qua tại tần số cộng hưởng của nó. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu vật liệu MPAs bằng các phương pháp: tính toán bán lý thuyết, lý thuyết môi trường hiệu dụng, mô hình hóa và mô phỏng vật lý. Các phương pháp này là những phương pháp đã được cộng đồng quốc tế sử dụng 6
rộng rãi, được nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam kế thừa và phát triển thành những kỹ thuật độc đáo, có độ tin cậy cao. 2.1. Phương pháp tính toán bán lý thuyết và lý thuyết môi trường hiệu dụng Sử dụng phương pháp truy hồi của Chen [175], các tham số: độ hấp thụ, độ điện thẩm, độ từ thẩm, chiết suất, trở kháng của MPAs được xác định thông qua các tham số tán xạ S11 và S21. Từ đó, tính chất điện từ của MPAs cơ bản được xác định. Lý thuyết môi trường hiệu dụng là một trong những nguyên lý đầu tiên và cơ bản xuyên suốt quá trình nghiên cứu vật liệu MMs nói chung và MPAs nói riêng. Trong luận án này, chúng tôi sẽ sử dụng lý thuyết môi trường hiệu dụng để chứng minh bản chất cộng hưởng điện hoặc cộng hưởng từ của vật liệu MPAs. 2.2. Phương pháp mô hình hóa mạch LC tương đương Khi sóng điện từ tương tác với MMs nói chung và MPAs nói riêng, các thành phần trong hầu hết các cấu trúc của MMs có thể được mô hình hóa bằng các thành phần trong mạch điện LC tương đương. Trong đó các thành kim loại, dẫn điện tương đương như các cuộn cảm có điện trở; tương tác giữa các thành phần kim loại, dẫn điện đóng vai trò như tụ điện. Tần số cộng hưởng của MPAs được xác định bằng tần số dao động riêng của mạch LC, trở kháng hiệu dụng của MPAs có thể được xác định thông qua trở kháng của các thành phần trong mạch điện. 2.3. Phương pháp mô phỏng vật lý Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng vật lý CST (Computer Simulation Technology) trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn để xác định các tham số tán xạ S11 và S21 khi sóng điện từ tương tác với MPAs. Đồng thời tại tần số cộng 7
hưởng, CST cho phép trích xuất phân bố mật độ dòng điện, phân bố điện trường, từ trường, … Từ đó, tính chất điện từ của MPAs được phân tích làm rõ. CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU Trong chương này của luận án, chúng tôi tập trung sử dụng những cấu trúc cộng hưởng điện và cộng hưởng từ đơn giản nhất là CW (Cut Wire) và CWP (Cut-Wire Pair) hình đĩa tròn, hình vuông và hình kim cương để làm nổi bật bản chất vật lý của vật liệu MPAs hấp thụ hai chiều. Cách tiếp cận này mang tính tổng quát, có thể biến đổi để áp dụng cho những cấu trúc có dạng hình học phức tạp tùy ý. 3.1. Tính chất điện từ của cấu trúc CW hoạt động ở vùng THz (b) Phổ truyền qua Phổ truyền qua Tần số THz Tần số THz Hình 3.5. Phổ truyền qua của cấu trúc DP khi thay đổi: (a) kích thước ô cơ sở a, (b) đường kính đĩa tròn d. Các kết quả phân tích mô phỏng, tính toán chỉ ra tần số cộng hưởng điện của cấu trúc thanh kim loại hình đĩa DS (Disk Shaped) hầu như không phụ thuộc vào đường kính d. Trong khi đó, tần số cộng hưởng điện giảm khi kích thước ô cơ sở, độ dày điện môi và độ điện thẩm của điện môi tăng. 8
3.2. Tính chất điện từ của cấu trúc CWP hoạt động ở vùng tần số THz (a) (b) Phổ truyền qua E Au tm SiO2 ts k H tm Au d a Si Tần số THz Hình 3.6. (a) Thiết kế ô cơ sở của cấu trúc DP; (b) Sự tách đỉnh cộng hưởng (từ cấu trúc DS đến cấu trúc DP). Phổ truyền qua của cấu trúc cặp đĩa DP (Disk Pair) xuất hiện hai đỉnh cộng hưởng. Các phân tích mô phỏng, mô hình mạch điện LC tương đương và các tính toán độ điện thẩm hiệu dụng, độ từ thẩm hiệu dụng đều chứng minh rằng: đỉnh cộng hưởng ở tần số thấp (1,88 THz) là do cộng hưởng điện gây ra tương tự như cộng hưởng điện của cấu trúc DS; đỉnh cộng hưởng ở tần số cao (2,20 THz) là do cộng hưởng từ gây ra. Cộng hưởng điện do tương tác của các DP ở các ô cơ sở kế tiếp gây ra, cộng hưởng từ do tương tác của hai DS của một DP gây ra. Tần số cộng hưởng điện giảm khi kích thước ô cơ sở tăng; gần như không thay đổi khi thay đổi đường kính đĩa kim loại, độ dày đĩa đệm điện môi, tính chất của đĩa đệm điện môi. Trong khi đó, tần số cộng hưởng từ không phụ thuộc vào kích thước ô cơ sở, giảm khi đường kính đĩa kim loại tăng hoặc độ điện thẩm của đĩa đệm điện môi tăng. 3.3. MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều Để tạo ra một MPA mới có độ hấp thụ cao không sử dụng mặt phẳng kim loại và cho phép sóng điện từ truyền qua bên ngoài dải tần hấp thụ, một trong những cấu trúc cơ bản nhất của 9
MMs được sử dụng, đó là cấu trúc DP. Cấu trúc DP được chứng minh có đồng thời cộng hưởng điện và cộng hưởng từ khi tương tác với sóng điện từ. Mặc dù đối với cấu trúc DP, sóng điện từ có thể truyền qua ở ngoài vùng cộng hưởng nhưng đỉnh hấp thụ của cộng hưởng từ và cộng hưởng điện riêng lẻ là không cao. Để khắc phục vấn đề này, có hai cách tiếp cận: - Thứ nhất là sử dụng cơ chế chồng chập hai cộng hưởng điện và từ. Tổn hao do cả hai cộng hưởng tạo ra sẽ cao hơn nhiều khi chúng cùng xảy ra ở một tần số, từ đó độ hấp thụ tổng thể của cấu trúc sẽ cao hơn. - Thứ hai là một cơ chế mới được đề xuất trong luận án này, đó là sử dụng hiệu ứng lai hóa cộng hưởng từ để tăng cường hấp thụ, đồng thời khắc phục hạn chế về sự phụ thuộc vào góc tới của cộng hưởng điện trong cấu trúc DP. 3.4. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế chồng chập cộng hưởng 3.4.1. Đặc tính hấp thụ hiệu suất cao của MPAs hấp thụ hai chiều sử dụng cơ chế chồng chập cộng hưởng Đặc tính hấp thụ hiệu suất cao của MPAs hấp thụ hai chiều được chứng minh bằng giả thiết tổn thất năng lượng sóng điện từ trong MPA cấu trúc DS là do tổn thất ohmic gây ra. Khi cộng hưởng từ và cộng hưởng điện chồng chập lên nhau thì hiệu suất hấp thụ tổng cộng tại tần số cộng hưởng bằng tổng hiệu suất hấp thụ do cộng hưởng từ và hiệu suất hấp thụ do cộng hưởng điện. Tất nhiên, các MPAs hấp thụ sóng điện từ bằng cách chuyển hóa năng lượng sóng điện từ: một phần thành nhiệt trên các bộ cộng hưởng kim loại (tổn thất ohmic), một phần thành nhiệt trên các thành phần điện môi. Vì vậy, nếu xét về hiệu suất hấp thụ tổng thể thì quá trình phức tạp hơn, nhưng rõ ràng khi hai cộng hưởng 10
trùng nhau thì hiệu suất hấp thụ tại tần số cộng hưởng trùng nhau sẽ được tăng cường. 3.4.2. Kết quả mô phỏng sự hấp thụ hai chiều của DP Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của DP khi giảm dần kích thước ô cơ sở từ 80 μm đến 45 μm được trình bày trong Hình 3.18. Khi kích thước ô cơ sở giảm, cộng hưởng điện dịch về vùng tần số cao và chồng chập lên cộng hưởng từ và tăng cường hiệu suất hấp thụ của cấu trúc DP. Khi a giảm đến 55 μm và tiếp tục giảm, phổ hấp thụ vẫn duy trì một đỉnh hấp thụ tại tần số 2,15 THz với độ hấp thụ đạt 98%. Độ hấp thụ Tần số THz Hình 3.18. Phổ hấp thụ của DP khi thay đổi kích thước ô cơ sở. Bản chất vật lý của sự hấp thụ hiệu suất cao cũng được làm rõ thông qua mô phỏng tính toán và so sánh: phổ hấp thụ của các DP khi triệt tiêu cộng hưởng điện hoặc cộng hưởng từ; tỉ số z giữa trở kháng hiệu dụng của MPAs và trở kháng của chân không khi a thay đổi. 11
3.5. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế lai hóa cộng hưởng từ 3.5.1 Thiết kế HMA cấu trúc cặp DP HMA (Hybridized Metamaterial Absorber) cấu trúc cặp DP được thiết kế như Hình 3.22, trong đó DP bao gồm hai đĩa kim loại Au và một đĩa đệm điện môi SiO2 kẹp ở giữa, cặp DP được thiết kế chung nhau một đĩa kim loại Au ở giữa, toàn bộ cặp DP được in trên đế Si. Hình 3.22. Cấu trúc HMA lai hóa cộng hưởng từ. 3.5.2. Đặc tính hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP Độ hấp thụ Tần số THz Hình 3.23. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA cấu trúc cặp DP, CWP cấu trúc DP và HMA mà DP bị nối tắt. 12
Các phổ hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP, HMA mà DP bị nối tắt được thực hiện và trình bày trong Hình 3.23. Dựa vào phân tích mô phỏng và lý thuyết môi trường hiệu dụng, các đỉnh hấp thụ chính trong phổ hấp thụ của HMA được chứng minh là do cộng hưởng từ gây ra. Đồng thời, do sự lai hóa, các đỉnh hấp thụ của HMA có hiệu suất được tăng cường so với các đỉnh hấp thụ của HMA do từng DP riêng lẻ gây ra. 3.5.3. Tối ưu hóa tính chất hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP Kích thước a (μm) Tần số THz Hình 3.30. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA khi kích thước ô cơ sở của HMA thay đổi. Dựa trên cấu trúc HMA đã được lai hóa, hai đỉnh hấp thụ do cộng hưởng từ được tối ưu hóa để chồng chập với nhau dẫn đến hiệu suất hấp thụ được tăng cường. Quá trình tối ưu hóa dựa trên kích thước ô cơ sở của HMA được trình bày trong Hình 3.30, đỉnh hấp thụ với hiệu suất hấp thụ cao nhất đạt 93%. Vì đỉnh hấp thụ đạt được do cơ chế chồng chập cộng hưởng từ nên tính chất hấp thụ ổn định khi góc tới của sóng điện từ thay đổi. 3.6. Kết luận Dựa trên các kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng, lý thuyết môi trường hiệu dụng và phân tích mạch LC tương đương, các đặc tính điện từ của MMs cấu trúc DS, MPA cấu trúc DP, MPA cấu trúc cặp DP đã được làm rõ. Trong luận án này, chúng 13
tôi đưa ra và chứng minh hai cách tiếp cận để tạo ra vật liệu MPA hấp thụ đẳng hướng hai chiều sử dụng cấu trúc CWP: i) một là bằng cơ chế chồng chập cộng hưởng điện từ và ii) hai là cơ chế lai hóa cộng hưởng từ. Các kết quả nghiên cứu trong chương này đã được đăng trên Tạp chí và trình bày báo cáo trong Hội nghị, cụ thể trong “Danh mục các công trình công bố của luận án” là các công trình: 4-7, 9, 13. CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE 4.1. Ảnh hưởng của graphene đến tính chất điện từ của vật liệu MMs ở vùng tần số THz Tính chất điện từ của một màng graphene được khảo sát thông qua mô phỏng phổ truyền qua. Từ đó độ điện thẩm, độ từ thẩm được trích xuất để phân tích. Kết quả phân tích mô phỏng cho thấy tần số plasma của một graphene khoảng 1.1 THz, kết qủa này phù hợp với các nghiên cứu đã được công bố [190]. Tính chất điện của MMs cấu trúc CW (tấm kim loại hình chữ nhật) tích hợp màng graphene được mô phỏng phân tích. Kết quả cho thấy, do sự tương tác giữa cấu trúc CW và graphene, tần số cộng hưởng điện của MMs cấu trúc CW tích hợp graphene tăng, trong khi đó tần số plasma của cấu trúc giảm. 4.2. Điều khiển tính chất điện từ của MPA một chiều tích hợp graphene 4.2.1. Điều khiển tần số của MPA một chiều tích hợp graphene Cấu trúc MPA đĩa tròn tích hợp graphene, trong đó màng graphene có cấu trúc (lưới hình chữ thập) được tích hợp ngay phía dưới các bộ cộng hưởng (các đĩa Au). MPA được thiết kế 14
hấp thụ sóng điện từ tại tần số THz (gần với tần số plasma của graphene). Các phân tích mô phỏng và mạch điện LC tương đương cho thấy, khi mức Fermi tăng, độ dẫn của graphene tăng, mật độ hiệu dụng của hạt tải tăng, dẫn đến độ tự cảm gây ra bởi lưới graphene giảm và tần số cộng hưởng tăng. Trong khi đó, độ hấp thụ gần như không thay đổi do sự hấp thụ được xác định gây ra bởi cộng hưởng từ mà đĩa Au đóng vai trò chính. Hình 4.8. Mô hình mạch điện LC tương đương của MPA đĩa tròn tích hợp graphene. Năng lượng Fermi (eV) Năng lượng Fermi (eV) d = 50 μm Tần số (THz) Tần số (THz) Hình 4.9. Độ hấp thụ của MPA tích hợp graphene khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi với d = 46, 50 µm. 4.2.2. Điều khiển cường độ hấp thụ của MPA một chiều tích hợp graphene MPA được đề xuất tương tự như cấu trúc MPA hình đĩa tích hợp graphene, trong đó đĩa kim loại Au được thay thế bằng d =cộng graphene. Do đó, bộ 46 μmhưởng của MPA là lưới đĩa graphene. 15
Các phân tích mô phỏng và mạch điện LC tương đương đều chỉ ra rằng khi mức năng lượng Fermi (thế hóa học µc) của graphene tăng, tần số cộng hưởng của MPA tăng, đồng thời hiệu suất hấp thụ cũng tăng dần. Khi thế hóa học của graphene tăng dần đến 0,5 eV thì độ hấp thụ khi đó tăng dần và tương ứng đạt 99%. Độ hấp thụ Tần số (THz) Hình 4.12. Kết quả mô phỏng sự ảnh hưởng của thế hóa học của graphene lên phổ hấp thụ của MPA lưới đĩa graphene. 4.2.3. Điều khiển cường độ hấp thụ dải tần rộng của MPA một chiều tích hợp graphene Hình 4.13. Cấu trúc một ô cơ sở của MPA lưới graphene hình kim cương nhìn theo hướng tới của sóng điện từ và cấu trúc theo các lớp. Cấu trúc MPA hấp thụ một chiều dải tần rộng tích hợp graphene dưới dạng lưới graphene kết hợp với các tấm graphene 16
hình kim cương như Hình 4.13. Kết quả thu được ứng với giá trị μc = 0,0 eV có hai đỉnh hấp thụ nhưng cường độ rất thấp (38% ở tần số thấp và 20% ở tần số cao); khi μc = 0,55 eV, hai đỉnh hấp thụ đạt gần 100%, tần số của hai đỉnh hấp thụ đều dịch về vùng tần số cao. Khi năng lượng Fermi bằng 0,55 eV, phổ hấp thụ đạt trên 90% từ 1,21 THz đến 1,78 THz. Thế hóa học (eV) Tần số (THz) Hình 4.14. Phổ hấp thụ mô phỏng của vật liệu MPA khi thế hóa học μc của graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,55 eV. Các kết quả nghiên cứu MPA hấp thụ một chiều tích hợp graphene tương đương với các kết quả nghiên cứu về MPA sử dụng các cấu trúc khác tích hợp graphene đã được công bố bởi Zhang và các cộng sự [142], He và các cộng sự [148], B. Xiao và các cộng sự [149], F. Chen và các cộng sự [159], H. Zhu và các cộng sự [160]. Điều đó khẳng định độ tin cậy, tính chính xác của mô hình graphene sử dụng trong luận án này. 4.3. MMs đẳng hướng tích hợp graphene cấu trúc CW hình kim cương Từ các kết quả về tính chất điện từ của cấu trúc CW dạng thanh tích hợp với một màng graphene, cấu trúc dạng thanh được biến đổi thành cấu trúc hình vuông, hình kim cương để tiếp tục làm rõ sự ảnh hưởng của graphene lên các cấu trúc CW khác nhau. Các mô phỏng tính toán phổ truyền qua, phổ hấp thụ, độ điện thẩm, độ từ thẩm và lý thuyết môi trường hiệu dụng được 17
thực hiện và phân tích để làm rõ sự ảnh hưởng của màng graphene có cấu trúc lên tính chất điện từ của MMs cấu trúc CW hình kim cương. Kết quả cho thấy graphene ảnh hưởng mạnh lên tính chất điện của MMs cấu trúc CW, trong đó ảnh hưởng mạnh nhất khi thế hóa học của graphene thay đổi trong phạm vi từ 0,0 eV đến 0,2 eV. Khi thế hóa học của graphene tăng đến 0,2 eV thì cộng hưởng điện của cấu trúc kết hợp graphene bị dập tắt. Độ hấp thụ Tần số (THz) Tần số (THz) Hình 4.18. Phổ hấp thụ mô phỏng của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi. 4.4. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế chồng chập cộng hưởng 4.4.1. MPA cấu trúc CWP hình kim cương Độ hâp thụ Tần số (THz) Hình 4.21. Phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs cấu trúc CWP và CWP_E. 18