Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Xây dựng cơ sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng sóng tần số THz. Thiết kế, đưa ra mô hình, mô phỏng đặc tính vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz. Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm tăng khả năng hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đặng Hồng Lưu NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở VÙNG TẦN SỐ THZ Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62.44.01.23 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2018
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. Vũ Đình Lãm Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Đắc Tuyên 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 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo với một số tính chất đặc trưng chưa được tìm thấy trong vật liệu tự nhiên. Cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết kế hợp lý bởi các giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa hay meta-atoms), chúng tương tác với cả hai thành phần điện trường và từ trường của sóng điện từ theo cách hoàn toàn khác so với các loại vật liệu truyền thống, do vậy có thể tạo ra những tính chất mới lạ không tìm thấy trong tự nhiên. Hiện nay, nhiều tính chất của vật liệu biến hóa đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm một cách độc lập bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Mặc dù vậy, những phát hiện về các tính chất mới của vật liệu biến hóa vẫn xuất hiện mỗi ngày và có tác động lớn đến cả ngành vật lý nói riêng và các ngành khoa học trên thế giới nói chung. Các nghiên cứu đột phá cho đến nay thường tập trung vào vật liệu có chiết suất âm, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, hay kết hợp hai loại vật liệu này cho những ứng dụng cụ thể. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ sóng điện từ với kích thước rất nhỏ so với bước sóng nên có có nhiều ứng dụng trong thực tế. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu biến hóa đang được tập trung phát triển trong vùng tần số viba (GHz) do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc. Đối với vùng tần số Terahertz (THz), sự tương tác của sóng điện từ với các cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước micro mét và nano mét phức tạp hơn do các hiệu ứng lượng tử mạnh hơn, bên cạnh đó công nghệ chế tạo và kiểm chứng các đặc tính hoạt động cũng phức tạp hơn. Hiện nay, công nghệ
2 THz đang được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y khoa, đánh giá không phá hủy, kiểm tra an ninh, kiểm soát chất lượng thực phẩm và nông sản, giám sát môi trường. Vì vậy, vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz bắt đầu thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, với một số kết quả đáng chú ý trong chế tạo laser xung tần số THz, máy quét an ninh thế hệ mới, công nghệ bảo mật và an ninh quốc phòng. Ngoài ra, đây còn là một nền tảng quan trọng để triển khai các nghiên cứu trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Với những lý do trên ,việc nghiên cứu vật liệu biến hóa hoạt động ở tần số THz là rất quan trọng và cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Xây dựng cơ sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng sóng tần số THz. - Thiết kế, đưa ra mô hình, mô phỏng đặc tính vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz. Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm tăng khả năng hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi. - Chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz. Nghiên cứu đặc tính điện từ của chúng và khả năng ứng dụng trong thực tế. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án - Nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở tần số THz. - Nghiên cứu tìm kiếm cấu trúc đơn giản,dễ chế tạo,hoạt động ở tần số Thz với dải tần làm việc rộng và có khả năng điều khiển tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.
3 - Nghiên cứu tìm kiếm ứng dụng của vật liệu biến hóa trong thực tế. Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng tần số THz: (1) Đã tối ưu được cấu trúc vật liệu biến hóa để tăng độ hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc; (2) Đã đề xuất mô hình điều khiển tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng kích thích quang và nhiệt độ ở vùng tần số THz; (3) Đã chứng tỏ vật liệu biến hóa có thể tăng cường tín hiệu dao động của các phân tử và thử nghiệm làm cảm biến dò phân tử protein bò cho kết quả tốt. Luận án được chia thành 5 chương như sau: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Phương pháp nghiên cứu Chương 3. Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Chương 4. Điều khiển tần số hoạt động của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ và ứng dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến Chương 5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở hiệu ứng tương tác trường gần và hiệu ứng Babinet CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử” sắp xếp theo một trật tự nhất định tương tự như ô cơ sở (unit-cell) trong mạng tinh thể của vật liệu thông thường. Trong đó, kích thước của giả
4 nguyên tử trong vật liệu biến hóa nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã phát triển rất nhanh, liên quan đến các nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý cơ bản, quang học, khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật điện (được thiết kế trong việc chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc bẻ cong đường đi của sóng điện từ). 1.2. Phân loại vật liệu biến hóa Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ 1.3. Lý thuyết môi trường hiệu dụng Dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective medium theory – EMT), ta có thể coi vật liệu biến hóa như một khối đồng nhất với các thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng đặc trưng cho toàn khối. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích thước của các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng hoạt động, từ đó tương tác của sóng tới với môi trường truyền được tính bằng trung bình của các thành phần tạo thành trong không gian. 1.4. Vật liệu biến hóa chiết suất âm Vật liệu chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ trong vật liệu biến hóa. Tạo nên vật liệu
5 đồng thời có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm (μ < 0, ε < 0). Để tạo ra chiết suất âm, các cấu trúc trên đều được cấu tạo từ hai thành phần: (1) thành phần từ để tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0); (2) thành phần điện để tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0) trong vùng tần số bên dưới tần số plasma. 1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Khi cấu trúc được tối ưu để đạt được đồng thời sự phối hợp trở kháng tại tần số cộng hưởng (điện hoặc từ), vật liệu biến hóa thể hiện một đặc tính rất thú vị đó là khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động. Loại vật liệu này được đặt tên là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối (MPA). Tại tần số cộng hưởng, năng lượng được lưu trữ và tiêu tán dần dưới dạng nhiệt năng hay mất mát điện môi bên trong cấu trúc nên các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều bị triệt tiêu. Để tìm hiểu các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số THz, chúng ta có thể xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa có hình dạng vòng dây bị cắt (SRR). Cụ thể, cấu trúc SRR có thể được xem xét như các cấu trúc cộng hưởng hoạt động theo mô hình dao động mạch điện LC và lưỡng cực điện . Từ đó nhận xét rằng, tổn hao điện môi và tổn hao trên kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) là hai cơ chế tiêu tán năng lượng chính đối với các vật liệu biến hóa (kim loại – điện môi – kim loại) hoạt động trong vùng tần số THz. 1.6. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa (EIT) Hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ (electromagnetically
6 induced transparency - EIT) có nguồn gốc là một hiệu ứng lượng tử khiến cho một môi trường hấp thụ sóng điện từ trở thành trong suốt trong một vùng tần số hẹp (với độ hấp thụ không đáng kể). Về mặt bản chất, vật liệu biến hóa được cấu tạo từ các cấu trúc cộng hưởng điện từ. Do vậy, vật liệu biến hóa hoàn toàn có thể tạo ra được hiệu ứng EIT mà không cần đến bất kỳ điều kiện lượng tử phức tạp nào. Cho đến thời điểm hiện tại, hai phương pháp cơ bản thường được áp dụng để tạo ra vật liệu biến hóa có hiệu ứng EIT. Phương pháp thứ nhất thường được gọi là tương tác “sáng – sáng” mà ở đó cả hai cộng hưởng đều có thể được kích thích bởi trường điện từ ngoài. Cách tiếp cận thứ hai là dựa trên tương tác “sáng - tối”, ở đó chỉ có một cộng hưởng có thể được kích thích bởi sóng tới và cộng hưởng còn lại thì được kích thích thông qua tương tác trường gần sinh ra bởi cộng hưởng ban đầu. Do bản chất của sự kích thích cộng hưởng khác nhau, cộng hưởng ban đầu thường được gọi là mode sáng còn cộng hưởng sau thì được gọi là mode tối. 1.7. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa 1.7.1. Siêu thấu kính Nhờ vào vật liệu biến hóa chiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt của sóng tới. Đây là khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thường. Do đó, độ phân giải của siêu thấu kính được tăng lên gấp nhiều lần. 1.7.2. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm tàng hình Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ bao quanh vật thể bằng siêu vật liệu biến hóa meta từ dương sang âm, đường đi của sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ
7 cong hoàn hảo theo ý muốn. Theo nguyên lý đó lớp vỏ siêu vật liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng qua một vật thể nhờ đó vật thể trở thành tàng hình đối với một bước sóng nhất định. Điều này tạo nên đột phá lớn trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng chính là vật liệu tàng hình. Hình 1.1. (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng hình; (b) Nguyên lý hoạt động của của áo choàng tàng hình 1.7.3. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm cảm biến Phương pháp phổ biến sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến trên cơ sở cộng hưởng plasmon bề mặt điện môi vùng THz, trong đó phân tử có thể được dò ra nhờ sự dịch phổ do sự hấp thụ của phân tử trên các thiết bị. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu Cấu trúc đĩa tròn và cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR) đang được coi là giải pháp hiệu quả và phù hợp đối với các mục tiêu nghiên cứu siêu vật liệu khác nhau như: vật liệu chiết suất âm, vật liệu hấp thụ tuyệt đối và hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) hoạt động trên các vùng tần số cao. Đây cũng là cấu trúc cơ sở mà chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu,
8 khảo sát và tối ưu trong phạm vi của luận án. 2.2. Phương pháp mô phỏng Trong luận án này, chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng thương mại CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) có bản quyền, để mô phỏng tính chất điện từ của vật liệu biến hóa vì tính hiệu quả và độ chính xác cao, phù hợp với nhiều kết quả thực nghiệm đã được công bố. 2.3. Phương pháp tính toán mạch LC tương đương Một trong những công cụ hiệu quả để tìm ra quy luật hoạt động của vật liệu biến hóa dựa trên các thông số hình học của cấu trúc đó là lý thuyết mạch điện dao động cộng hưởng LC. Dưới kích thích của trường điện từ bên ngoài, cuộn cảm hiệu dụng (L) được quyết định bởi hình dạng lớp kim loại, trong khi tụ điện hiệu dụng (C) được tạo thành do sự sắp xếp các thành phần cấu tạo của vật liệu biến hóa (điện môi – kim loại). Từ đó, tần số cộng hưởng có thể được dự đoán một cách tương đối thông qua các thông số hình học của từng cấu trúc. 2.4. Xử lý và phân tích số liệu Trong luận án này, chúng tôi sử dụng các phương pháp tính toán của nhóm X.D. Chen đã đề xuất, để xác định các thông số hiệu dụng (chiết suất hoặc trở kháng hiệu dụng) áp dụng cho vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số GHz và THz 2.5. Phương pháp thực nghiệm Trong phạm vi luận án này, chúng tôi bước đầu hiện thực hóa vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số THz định hướng ứng dụng cho cảm biến y sinh. Cấu trúc được lựa chọn bao gồm ba lớp Ag-Si-Ag, được chế tạo trên một đế saphia kích thước 11 cm2 bằng cách sử dụng phương pháp
9 quang khắc tiêu chuẩn hai bước. Độ dày của các lớp đĩa từ dưới lên trên là 0,5 μm, 3,0 μm và 0,2 μm. Mẫu chế tạo này đã được tối ưu dựa trên mô phỏng bằng phần mềm CST. CHƯƠNG 3: TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ 3.1. Tối ưu hóa cường độ hấp thụ sử dụng cấu trúc có hốc cộng hưởng (MAC) Bằng phương pháp tạo ra hốc cộng hưởng trên cấu trúc MAC (bằng việc tạo một lỗ hổng ngay trung tâm của ô cơ sở gồm các đĩa kim loại tròn), luận án đã tối ưu hóa được cường độ hấp thụ có thể đạt tới 100%, giá trị này cao hơn so với những MA được nghiên cứu trước đây. 3.2. Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 3.3.1. Sử dụng hiệu ứng tương tác Để đạt được sự hấp thụ tuyệt đối băng thông rộng, chúng tôi đã đưa ra mô hình MPA mới, cấu tạo từ siêu ô cơ sở 3x3. Bằng cách loại bỏ bốn đĩa tròn ở các vị trí 1, 3, 7, 9 trong siêu ô cơ sở, dải tần thu được lên tới 1,0 THz với độ hấp thụ trên 90%. Độ hấp thụ cao nhất xấp xỉ 98% tại 14,6 THz. Mô hình vật liệu MPA này có thể cung cấp một giải pháp tiềm năng cho những ứng dụng trong tương lai gần. 3.3.2. Sử dụng hàng rào khuyết mạng Vật liệu biến hóa hấp thụ cấu trúc đĩa tròn tiếp tục được tối ưu bằng cách kết hợp với cấu trúc hình vuông như mô hình cấu trúc ô cơ sở trên hình 3.17(a). Ô cơ sở gồm lớp điện môi RF-4 với độ điện thẩm ε = 4,3 và độ dày td = 1,5 mm xen giữa hai lớp đồng chiều dày ts = 0,03 mm, có độ dẫn σ = 5,82 × 107 S/m. Lớp trên
10 cùng là một hình vuông bao quanh một đĩa tròn trung tâm có đường kính D = 3,5 mm, lớp dưới cùng phủ toàn bộ diện tích. Cạnh ngoài hình vuông là 9 mm, cạnh trong hình vuông là 6,5 mm. (a) (b) Hình 3.17. (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) Cấu trúc với các hàng rào khác nhau Chúng tôi khảo sát độ hấp thụ của cấu trúc với 100 ô cơ sở và 2 hàng rào khuyết mạng với các góc phân cực khác nhau. Kết quả cấu trúc với 2 hàng rào khuyết mạng cho dải hấp thụ siêu rộng với độ hấp thụ đạt trên 95% trong vùng từ 20 THz đến 25,3 THz (hình 3.21). Hình 3. 21. Kết quả mô phỏng biểu thị phổ hấp thụ của cấu trúc MA với hai hàng rào khuyết mạng trong trường hợp thay đổi góc phân cực sóng điện từ 3.3. Kết luận Trên cơ sở đĩa tròn kim loại, các nghiên cứu cấu trúc hốc cộng hưởng, tương tác của 5 đĩa tròn và hàng rào khuyết mạng trong vùng tần số THz. Cơ chế hấp thụ và mở rộng dải
11 hấp thụ được phân tích bởi các phân bố dòng điện, điện trường và từ trường. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả phân tích theo mô hình mạch điện tương đương và tính toán lý thuyết. Từ đó đề xuất phương pháp tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu biến hóa. Tối ưu hóa cấu trúc MA kết hợp với hàng rào khuyết mạng cho dải hấp thụ tiếp tục được mở rộng lên tới 5 THz với độ hấp thụ lớn hơn 90%. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG CẢM BIẾN 4.1. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng phương pháp kích thích quang Trong nghiên cứu này, vật liệu VO2 được sử dụng như là một chất trung gian để điều khiển vật liệu MPA bằng yếu tố quang học. Khi cường độ kích thích quang thay đổi, VO2 chuyển pha dần từ kim loại sang điện môi và ngược lại. Do độ dẫn VO2 thay đổi dẫn tới đáp ứng điện từ của cấu trúc vật liệu biến hóa cũng bị ảnh hưởng. 4.1.1. Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh Để nghiên cứu hiệu quả về khả năng điều khiển MPA bằng phương pháp bơm quang học. Mô hình MPA có cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR) được lựa chọn để tối ưu hoạt động tại vùng tần số tương ứng (xung quanh tần số 0,5 THz). 4.1.2. Cấu trúc đĩa tròn bị khoét Trên hình 4.4(a) mô tả cấu trúc MPA với ba lớp chính bao gồm: (1) lớp trên cùng chứa các đĩa vàng bán kính R1 = 4,0 µm và độ dày tm = 0,072 µm; (2) lớp điện môi polyimide ở giữa với độ
12 dày td = 0,6 µm và hằng số điện môi (độ điện thẩm) ε = 3,5; (3) dưới cùng là lớp màng mỏng bằng vàng cùng độ dày tm. Để khảo sát khả năng hấp thụ và điều khiển tần số của cấu trúc này, phần đĩa tròn có bán kính R1 được khoét khuyết theo phần giao nhau của các đĩa tròn có bán kính lần lượt là R1 và R2 (hình 4.4(a)) và phần khoét khuyết được thay thế bằng vật liệu nhạy quang VO2. Hình 4.4. (a) Cấu trúc đĩa tròn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương Hình 4.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn bị khoét vào bán kính phần đĩa bị khuyết Hình 4.5(a) mô tả sự dịch chuyển tần số của phổ hấp thụ về phía tần số cao khi R2 tăng lên. Điều này được giải thích dựa trên mô hình mạch LC tương đương của cấu trúc mô tả trên hình 4.4(b). Khi bán kính phần bị bị khoét R2 tăng lên, dẫn tới
13 diện tích hiệu dụng của đĩa vàng có bán kính R1 bị giảm đi do đó thành phần điện cảm Lm và Cm của cấu trúc cũng giảm. Hệ quả là tần số đáp ứng cộng hưởng từ của cấu trúc sẽ tăng lên. Hình 4.5 cho thấy kết quả mô phỏng cho thấy tại R2 = 0 đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ tại 10,8 THz, tại R2 = 0,3 μm, 1,2 μm, 2,4 μm, 3,6 μm, 4,8 μm đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ lần lượt là 10,9 THz, 11,0 THz, 12,2 THz, 13,8 THz và 15,8 THz. 4.1.3. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ Trong phần này, dựa trên sự thay đổi giá trị độ dẫn điện của phần đĩa khuyết VO2 (bán kính R2) trong dải tần số từ 10 THz đến 25 THz, vật liệu MA có thể dễ dàng điều khiển được cường độ và tần số hấp thụ trong vùng tần số THz. 4.2. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng phương pháp kích thích nhiệt 4.2.1. Tính chất nhiệt của vật liệu InSb Để nghiên cứu khả năng điều khiển hiệu quả hoạt động của vật liệu MPA bằng yếu tố nhiệt độ trong vùng THz, vật liệu bán dẫn InSb được lựa chọn nghiên cứu trong phần này. Khi nhiệt độ tăng lên làm cho nồng độ hạt tải cũng tăng lên, dẫn tới tính chất kim loại của InSb được biểu hiện rõ ràng hơn và ảnh hưởng đáng kể tới sự tương tác của vật liệu biến hóa với trường điện từ bên ngoài. 4.2.2. Điều khiển tần số và cường dộ hấp thụ của cấu trúc vòng cộng hưởng Hình 4.11(a) mô tả cấu trúc MA với ba lớp: (1) lớp trên cùng chứa các vòng nhẫn có rãnh được sắp xếp một cách tuần hoàn: a = 50 μm, l = 40 μm 0, g = 5 μm và w = 6 μm; (2) lớp ở giữa là điện môi với chiều dày ts = 8 μm, và (3) lớp đế được phủ
14 một lớp kim loại bằng vàng. Để tiện trong tính toán, độ dày của các vật liệu kim loại trong cấu trúc được đặt tm = 1 μm. Để điều khiển MA bằng nhiệt độ, giữa hai khe của SRR được thêm vật liệu InSb. Hình 4.11(b) mô tả mạch điện tương đương LC của cấu trúc này. (a) (b) Hình 4.11. (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) sơ đồ mạch điện tương đương Hình 4.12. Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng từ 260 K đến 380 K, tần số hấp thụ đã bị dịch chuyển từ 0,5 THz đến 0,65 THz. Điều này được giải thích khi nhiệt độ tăng, nồng độ hạt tải (N) của vật liệu InSb tăng, kéo theo giá trị điện cảm L1 và L3 tăng. Do đó, giá trị điện cảm tổng cộng L của vật liệu MPA sẽ giảm đi. Vì vậy, tần số cộng hưởng từ của MPA này sẽ tăng lên đúng như kết quả trên đồ thị hình 4.12.
15 4.3. Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ làm cảm biến 4.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày cách ứng dụng cấu trúc vật liệu biến hóa bản mỏng kích thước micromet, hoạt động như một bộ khuếch đại nhằm tăng cường tín hiệu dao động hấp thụ ở vùng THz của một lớp hấp phụ siêu mỏng các phân tử hữu cơ cỡ lớn. 4.3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân tử bò(BSA) Hình 4.13. (a) Minh họa mẫu MM; (b) mặt cắt của mẫu; (c) ảnh SEM của mẫu Cấu trúc MM ba lớp bạc-Silic-bạc (Ag-Si-Ag) được cho trên hình 5.10(a) và (b). Hình 5.10(c) là hình ảnh SEM nghiêng 30 độ của thiết bị MM. Các dãy gồm hai đĩa bạc, được dùng như cấu trúc cộng hưởng ở trên và ở dưới, với lớp điện môi Si kẹp ở giữa, được đặt trên đế saphia. Các bề dày khác nhau (0,2 μm và 0,5 μm) và độ rộng khác nhau (6 μm và 10 μm) được chọn cho các đĩa bạc cộng hưởng trên và dưới. Bề dày của điện môi Si và độ tuần hoàn của cấu trúc tương ứng là 3 μm và 20 μm. 4.3.3. Tính chất quang của vật liệu biến hóa Hình 4.14(a,b) trình bày kết quả đo và mô phỏng phổ truyền qua của mẫu chế tạo. Phổ truyền qua của vật liệu biến
16 hóa cho thấy hai cộng hưởng ở tần số 4,2 THz (hay là 140 cm-1, được gọi là đỉnh M1, ở tần số thấp) và 5,8 THz (hay là 194 cm-1, được gọi là đỉnh M2, ở tần số cao). Trong hai đỉnh cộng hưởng của đĩa ba lớp kim loại - điện môi - kim loại, đỉnh tần số thấp thường do cộng hưởng lưỡng cực từ, tần số cao là do cộng hưởng lưỡng cực điện. Hình 4.14(c) cho kết quả mô phỏng khác của phân bố trường điện từ, được thực hiện nhằm cho cái nhìn sâu hơn vào quan hệ giữa hai mode. Hình 4.14. Kết quả (a) đo đạc; (b) mô phỏng phổ truyền qua của vật liệu biến hóa; (c) Mô phỏng phân bố điện từ trong vật liệu biến hóa ở mode kích thích M1 và M2 4.3.4. Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa Hình 4.15 là kết quả cảm biến protein BSA dùng vật liệu biến hóa. Từ 50 cm-1đến 2000 cm-1, BSA là phân tử duy nhất có tín hiệu dao động, định vị ở 4,8 THz, như trên hình 5.12(a). Phổ BSA được vẽ cùng với phổ vật liệu biến hóa nhằm nhấn mạnh sự phù hợp phổ của cộng hưởng vật liệu biến hóa và tín hiệu phân tử đích. Mặc dù mục đích ban đầu, đó là làm trùng
17 khớp vị trí của mode M1 với tín hiệu dao động BSA, đã không đạt được, sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm (trong hình 4.14) đủ nhỏ để bỏ qua. Tín hiệu BSA nằm giữa hai mode của vật liệu biến hóa và ở mức năng lượng cao hơn mode M1 của vật liệu biến hóa. Hình 4.15. (a) Phổ truyền qua của lớp BSA (vòng đen) đo trước thí nghiệm cảm biến, độ lớn tín hiệu truyền qua cỡ 25%. Phổ này được trình bày cùng với phổ truyền qua của mẫu vật liệu biến hóa (vòng tròn đỏ) để trùng khớp giữa tín hiệu của protein và cộng hưởng của vật liệu biến hóa. Đường màu đỏ thể hiện đường nội suy Fano cho tín hiệu của BSA với độ dày nhỏ hơn micromet. (b) Phổ truyền qua tương đối của lớp BSA siêu mỏng hấp phụ trên mẫu vật liệu biến hóa và trên đế saphia. (c) Phổ cho phân tử DTTCI và RH6G đo cùng điều kiện.
18 4.4. Kết luận Trong chương này, tác giả nghiên cứu chứng minh khả năng điều khiển MPA bằng phương pháp kích thích quang học vào vật liệu VO2 và phương pháp kích thích nhiệt vào vật liệu InSb. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng điều khiển tần số và cường độ hấp thụ hiệu quả.Chúng tôi đã biểu diễn rằng vật liệu biến hóa ở vùng THz với thiết kế phù hợp có khả năng cảm biến với phân tử tương tự như quang phổ tăng cường bề mặt ở tần số quang học. Quang phổ tăng cường bởi vật liệu vật liệu biến hóa hiện tại có thể đặc biệt hữu dụng, do nó cung cấp một phương thức đơn giản cho cảm biến không phá hủy các phân tử sinh học lớn, tạo ra hướng đi mới cho áp dụng cảm biến vùng THz vào các ứng dụng trong công nghiệp. CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC TRƯỜNG GẦN VÀ HIỆU ỨNG BABINET 5.1. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong hiệu ứng EIT Hình 5.1 mô tả ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên hiệu ứng tương tác trường gần. Cả hai mặt kim loại có độ dày ts = 0,5 μm, độ dày của lớp điện môi là t m = 1,4 μm. Cấu trúc ở mặt trước là sự sắp xếp giữa một thanh kim loại được xếp dọc và hai thanh kim loại (dài hơn) được xếp ngang ở mỗi đầu. Kích thước của thanh kim loại xếp dọc: l1 = 5,5 μm và w1 = 2,5 μm. Đối với thanh kim loại xếp ngang, độ dài và rộng tương ứng là 13,5 μm và 1,5 μm. Kích thước ô cơ sở là 15 μm. Lớp điện môi có hằng số điện môi là 11,9, độ dẫn của Bạc là 6,3  107 S/m.