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

Nội dung text: 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

1. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng và GS.TS. Vũ Đình Lãm. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi các tác giả khác. NGHIÊN CỨU SINH TRẦN VĂN HUỲNH
2. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TS. Vũ Đình Lãm và PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng, các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến, TS. Bùi Sơn Tùng (Viện Khoa học vật liệu) và các anh chị em trong Nhóm nghiên cứu Meta-Group đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy/cô và anh/chị/em trong Phòng Vật lý Vật liệu từ và siêu dẫn, Phòng Công nghệ Plasma, Phòng thí nghiệm Trọng điểm về vật liệu và linh kiện điện tử, Phòng thí nghiệm Linh kiện và thiết bị quang-điện tử ứng dụng cho nông-y-sinh và năng lượng, Viện Khoa học vật liệu, đã tạo điều kiện cho tôi về cơ sở vật chất để học tập, nghiên cứu và động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy, Khoa Khoa học cơ bản và Ngoại ngữ - nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ quan trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án này. NGHIÊN CỨU SINH TRẦN VĂN HUỲNH
3. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AFM Atomic Force Microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử ALD Atomic Layer Deposition Lắng đọng lớp nguyên tử 2D Two-Dimensional Hai chiều 3D Three-Dimensional Ba chiều CR Copper Ring Vòng Cu CSR Continuous Squares Resonator Bộ cộng hưởng hình vuông liền kề CW Cut Wire Thanh kim loại CWP Cut-Wire Pair Cặp thanh kim loại CWT Cut-Wire Triple Bộ ba thanh kim loại DS Disk Shape Hình đĩa DP Disk Pair Cặp đĩa EM Electromagnetic Điện từ FIT Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa cực đại GHMA Graphene-Integrated Bộ hấp thụ dựa trên vật liệu biến Hybridized Metamaterial hóa lai hóa tích hợp graphene Absorber HMA Hybridized Metamaterial Bộ hấp thụ dựa trên vật liệu biến Absorber hóa lai hóa ICP Inductively Coupled Plasma Plasma cảm ứng từ LHM Left-handed Material Vật liệu chiết suât âm MEMS Microelectromechanical Hệ thống vi cơ điện tử Systems MMs Metamaterials Vật liệu biến hóa MPA Metamaterials Perfect Absorber Bộ hấp thụ tuyệt đối dựa trên vật liệu biến hóa PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RHM Right-handed Material Vật liệu chiết suất dương
4. PR Polymer Ring Vòng polymer SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SR Spiral Resonator Bộ cộng hưởng xoắn ốc SRR Split-Ring Resonator Bộ cộng hưởng vòng hở SSR Square-Shaped Resonator Bộ cộng hưởng hình vuông UV Ultra Violet Tử ngoại WPT Wireless Power Transfer Truyền năng lượng không dây
5. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đường đi của tia sáng khi qua thấu kính được làm từ LHM đặt trong chân không [1]. 7 Hình 1.2. (a) Phần thực của độ từ thẩm μ và độ điện thẩm ε của LHM; (b) Phần thực của chiết suất của LHM [51]. 8 Hình 1.3. (a) Cấu trúc của MPA do Landy đề xuất [9]; (b) và (c) lần lượt là cấu trúc ô cơ sở và phổ hấp thụ của MPA được nghiên cứu, chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu [52]. 9 Hình 1.4. Cấu trúc cộng hưởng trong vật liệu MPAs: (a) thiết kế ban đầu của Landy; (b) dạng vòng cộng hưởng đơn; (c) vòng cộng hưởng hở; (d) vòng cộng hưởng kín; (e) cấu trúc thanh kim loại; (f) cấu trúc chữ I; (g) cấu trúc dấu cộng; (h) cấu trúc dấu cộng rỗng [56]. 10 Hình 1.5. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu MPAs hoạt động ở vùng tần số THz: (a) mô hình cấu trúc của một MPA; (b) ảnh SEM bề mặt của một MPA; (c) phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs; (d) phổ hấp thụ thực nghiệm của các MPAs [14]. 11 Hình 1.6. Các thiết kế thông thường cho MPA hấp thụ băng tần rộng: (a) sắp xếp các bộ cộng hưởng trên một mặt phẳng; (b) sắp xếp các bộ cộng hưởng theo phương dọc; (c) tích hợp các phần tử điện trở, tụ điện; (d) sử dụng các vật liệu nano plasmonic [63]. 12 Hình 1.7. Phổ hấp thụ của MPA mà cấu trúc ô cơ sở gồm hai bộ cộng hưởng hình dấu cộng có kích thước khác nhau [66]. 13 Hình 1.8. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA mà cấu trúc gồm bốn bộ cộng hưởng hình dấu cộng có kích thước khác nhau [66]. 13 Hình 1.9. Phổ hấp thụ thực nghiệm của các MPAs hấp thụ dải tần rộng cùng với ảnh SEM bề mặt của chúng [66]. 14 Hình 1.10. (a) Ảnh bề mặt của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ; (b) Phổ hấp thụ của MPA khi góc phân cực của sóng điện từ thay đổi [78]. 15 Hình 1.11. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA khi góc tới của sóng điện từ thay đổi trong hai trường hợp: (a) phân cực TE và (b) phân cực TM [78]. 16 Hình 1.12. Phổ phản xạ đo được của MPA khi góc tới của sóng điện từ thay đổi trong hai trường hợp: (a) phân cực TE và (b) phân cực TM [78]. 16 Hình 1.13. (a) Cấu trúc 3D của MPA; (b) Cấu trúc bề mặt MPA theo hướng tới của sóng điện từ [80]. 17 Hình 1.14. Phổ hấp thụ của MPA khi nhiệt độ của nước thay đổi: (a) kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm [80]. 17 Hình 1.15. Độ điện thẩm của nước khi nhiệt độ thay đổi, đường nét liền là phần thực, đường nét đứt là phần ảo [80]. 18
6. Hình 1.16. Cấu trúc của MPA với lớp điện môi bằng vật liệu STO [81]. 18 Hình 1.17. Độ hấp thụ mô phỏng của MPA khi nhiệt độ thay đổi [81]. 19 Hình 1.18. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA băng tần kép mà có thể điều khiển được dựa trên tinh thể lỏng; (b) Mô hình điều khiển hướng của các tinh thể lỏng LC thông qua điện thế một chiều. Trong đó, các tham số cấu trúc gồm: a = 410 μm, R = 190 μm, r = 155 μm, b = 20 μm, d = 20 μm, s = 12 μm, Hq1 = 500 μm, Hq2 = 1000 μm và HLC = 45 μm [82]. 19 Hình 1.19. Ảnh chụp mẫu MPA chế tạo được và một phần bề mặt của mẫu được phóng đại [82]. 20 Hình 1.20. Phổ hấp thụ đo được từ thực nghiệm của MPA sử dụng LC [82]. 20 Hình 1.21. Cấu trúc của MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi với năm loại cấu trúc khác nhau [85]. 21 Hình 1.22. a) Phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi với năm loại cấu trúc tương ứng chỉ ra ở trong Hình 1.21; b) Phổ phản xạ mô phỏng và thực nghiệm của MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi loại V [85]. 22 Hình 1.23. (a) Mô hình cấu trúc MPA với các bộ cộng hưởng hình dấu cộng; (b) Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc [93]. 23 Hình 1.24. Phổ hấp thụ đo được (đường nét liền màu đen) và phổ hấp xác định thông qua mô hình mạch điện tương đương (đường nét đứt màu đỏ) [93]. 24 Hình 1.25. Quang phổ hấp thụ hồng ngoại của bốn loại khí CO2, N2O, CO, NO dựa trên MPA và phổ phát xạ chuẩn hóa tương ứng của chúng [93]. 24 Hình 1.26. Cấu trúc MPA ứng dụng trong thiết bị thu năng lượng mặt trời [100]. 25 Hình 1.27. Phổ tiêu chuẩn của bức xạ mặt trời AM 1,5 (đường nét liền màu đen) và mức hấp thụ năng lượng mặt trời của SA dưới sự chiếu sáng của AM 1,5 (đường màu đỏ), hiệu suất hấp thụ của SA (đường nét đứt màu đen) [100]. 26 Hình 1.28. Phổ hấp thụ và bị bỏ sót năng lượng mặt trời bởi MPA trong quang phổ đầy đủ của bức xạ mặt trời [100]. 27 Hình 1.29. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn; (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số [48]. 28 Hình 1.30. Các cấu trúc CW với các dạng khác nhau của CW cho cộng hưởng điện và phổ truyền qua của chúng. 29 Hình 1.31. Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra môi trường có µ < 0 [49]. 30 Hình 1.32. Dạng tổng quát của độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR [49]. 31 Hình 1.33. Mô phỏng quá trình lan truyền sóng điện từ khi gặp một vật liệu trong hai trường hợp: (a) có thành phần truyền qua và (b) không có thành phần truyền qua 33 Hình 1.34. (a) Phần thực, (b) phần ảo của độ dẫn điện bề mặt hiệu dụng của graphene với các giá trị thế hóa học khác nhau của nó [122]. 36
7. Hình 1.35. Một số lĩnh vực ứng dụng của graphene [125]. 38 Hình 1.36. (a) Sơ đồ cấu trúc MPA tích hợp graphene; (b) Ảnh bề mặt của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ; (c) Điện trở của graphene phụ thuộc vào điện áp cổng; (d) Sơ đồ của hệ thống đo quang phổ miền thời gian THz [133]. 41 Hình 1.37. Phổ phản xạ của MPA tích hợp graphene được xác định từ mô hình lý thuyết khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi [133]. 42 Hình 1.38. Phổ phản xạ đo được của MPA tích hợp graphene khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi với các trường hợp độ dày lớp điện môi khác nhau gồm: (a) 85 μm, (b) 60 μm, (c) 40 μm [133]. 42 Hình 1.39. Cấu trúc MPA tích hợp graphene và ô cơ sở [142]. 43 Hình 1.40. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA trong các trường hợp: không tích hợp graphene và tích hợp graphene với EF thay đổi [142]. 43 Hình 1.41. (a) Cấu trúc 3D của MPA tích hợp graphene; (b) Bề mặt ô cơ sở của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ [122]. 44 Hình 1.42. Phổ hấp thụ của MPA tích hợp graphene khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi [122] 45 Hình 1.43. Sơ đồ cấu trúc MPA với bộ cộng hưởng là màng graphene đơn lớp có cấu trúc: (a) Cấu trúc bộ cộng hưởng graphene; (b) Cấu trúc ba chiều của MPA tích hợp graphene [159]. 45 Hình 1.44. (a) Mô hình giao thoa giữa các sóng phản xạ của MPA tích hợp graphene; (b) Độ hấp thụ mô phỏng và tính toán của MPA khi mức năng lượng Fermi của graphene đạt 0,8 eV [159]. 46 Hình 1.45. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) Phổ hấp thụ tính toán của MPA tích hợp màng graphene đơn lớp có cấu trúc khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi [159]. 46 Hình 1.46. (a) Cấu tạo của vật liệu MPA tích hợp graphene xen giữa các lớp điện môi MgF2; (b) Độ hấp thụ mô phỏng của vật liệu ứng với giá trị mức năng lượng Fermi thay đổi từ 0,75 eV đến 0,95 eV [163]. 47 Hình 1.47. (a) Hình ảnh 3D của MPA; (b) Cấu trúc của bộ cộng hưởng graphene; (c) Phổ hấp thụ của cấu trúc MPA khi thay đổi mức năng lượng Fermi, trong khi giữ nguyên các thông số khác [155] 48 Hình 1.48. Cấu trúc của MPA tích hợp graphene có khả năng chuyển đổi giữa hấp thụ và phản xạ với dải tần rộng [160]. 50 Hình 1.49. Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc khi mức năng lượng Fermi EF thay đổi [160]. 50 Hình 1.50. Cấu trúc của các loại MPAs tích hợp graphene gồm: (a) loại A, (b) loại B, (c) loại C và (d) loại D. 53 Hình 2.1. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án. 55
8. Hình 2.2. (a) Kết quả đo thực nghiệm và (b) kết quả mô phỏng phổ truyền qua của ba cấu trúc MMs: cấu trúc dây dẫn liên tục (continuous wires) cho độ điện thẩm âm, cấu trúc cặp dây bị bắt CWP cho độ từ thẩm âm và cấu trúc MMs kết hợp (combined structure) cho chiết suất âm [177]. 58 Hình 2.3. MMs cấu trúc CWP và mô hình mạch điện LC tương đương: (a) Cấu trúc MMs trong không gian ba chiều; (b) Các cuộn dây và tụ điện tương đương với các thành phần trong một ô cơ sở của cấu trúc CWP; (c) Mô hình mạch điện LC tại tần số cộng hưởng từ và (d) Mô hình mạch điện LC tại tần số cộng hưởng điện [178]. 59 Hình 2.4. Các thông số hình học và phân cực điện trường từ trường trong trường hợp cấu trúc MMs dạng cặp đĩa. 61 Hình 2.5. Sơ đồ khối quá trình chuẩn bị các tham số đầu vào cho mô phỏng 64 Hình 2.6. Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2017 [180]. 65 Hình 2.7. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST: (a) Các tham số truyền qua, phản xạ, hấp thụ; (b) Phân bố dòng điện bề mặt; (c) Phân bố điện trường; (d) Phân bố từ trường. 65 Hình 3.1. Sự phát triển cấu trúc trong nghiên cứu MPAs hấp thụ hai chiều. 67 Hình 3.2. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MMs và (b) Phổ truyền qua tương ứng. 68 Hình 3.3. Kết quả mô phỏng: (a) phân bố dòng điện bề mặt; (b) phân bố cường độ điện trường và (c) phân bố cường độ từ trường tại tần số cộng hưởng 1,83 THz. 69 Hình 3.4. Phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của cấu trúc DS. 69 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng, tính toán phổ truyền qua của cấu trúc DS khi thay đổi: (a) kích thước ô cơ sở a; (b) đường kính đĩa Au d; (c) độ dày lớp điện môi td và (d) độ điện thẩm  của lớp điện môi. 70 Hình 3.6. (a) Thiết kế ô cơ sở của cấu trúc DP được phát triển từ cấu trúc DS; (b) Sự tách đỉnh cộng hưởng từ cấu trúc DS đến cấu trúc DP. 71 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng phân bố cường độ điện trường tại hai tần số cộng hưởng của cấu trúc DP. 72 Hình 3.8. Giả thiết phân bố điện tích trên các đĩa Au tại các tần số cộng hưởng. 72 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng phân bố dòng điện bề mặt trên hai đĩa Au tại hai tần số cộng hưởng của cấu trúc DP. 73 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng phân bố cường độ từ trường tại hai tần số cộng hưởng của cấu trúc DP. 73 Hình 3.11. Kết quả mô phỏng tính toán phổ truyền qua, phổ hấp thụ, phần thực của độ điện thẩm, phần thực của độ từ thẩm của cấu trúc DP 74
9. Hình 3.12. Độ điện thẩm hiệu dụng (phần thực) của cấu trúc DP khi các tham số cấu trúc thay đổi gồm: (a) kích thước ô cơ sở a và (b) đường kính đĩa d. 75 Hình 3.13. Độ điện thẩm hiệu dụng (phần thực) của cấu trúc DP khi thay đổi: (a) độ dày lớp đệm điện môi ts và (b) độ điện thẩm của lớp đệm điện môi εs. 75 Hình 3.14. Mô hình mạch điện tương đương tại tần số cộng hưởng từ. 76 Hình 3.15. Độ từ thẩm hiệu dụng (phần thực) của cấu trúc DP khi thay đổi tham số cấu trúc: (a) kích thước ô cơ sở a và (b) đường kính đĩa tròn d. 77 Hình 3.16. Độ từ thẩm hiệu dụng (phần thực) của cấu trúc DP khi thay đổi: (a) độ dày lớp đệm điện môi ts và (b) độ điện thẩm của lớp đệm điện môi εs. 77 Hình 3.17. Sự phân bố dòng điện, điện trường và mô hình mạch điện tương đương của CWP tại cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. 80 Hình 3.18. Phổ hấp thụ của DP khi thay đổi kích thước ô cơ sở a. 83 Hình 3.19. Phổ hấp thụ của: cấu trúc DP, cấu trúc DP1 nối hai đầu của cặp đĩa với nhau, cấu trúc DP2 nối hai đĩa ở hai ô cơ sở kế tiếp với nhau, các vị trí nối nằm trên hướng phân cực điện trường. 84 Hình 3.20. Độ hấp thụ và trở kháng tỉ đối z khi a thay đổi. 85 Hình 3.21. Phổ truyền qua mô phỏng của MPA cấu trúc DP trong hai trường hợp sóng truyền từ hai phía của mặt phẳng mẫu. 86 Hình 3.22. Cấu trúc của HMA lai hóa cộng hưởng từ. 87 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. 88 Hình 3.24. Phân bố dòng điện bề mặt trên các đĩa Au của HMA: (a) tại tần số 0,855 THz và (b) tại tần số 0,906 THz. 90 Hình 3.25. Mô hình phân bố điện tích và dòng điện trên các đĩa Au của HMA. 90 Hình 3.26. Phân bố điện trường trên mặt cắt yOz chứa đường kính của các đĩa kim loại: (a) ở tần số 0,855 THz và (b) ở tần số 0,906 THz. 91 Hình 3.27. Phân bố từ trường trên mặt cắt yOz chứa đường kính của các đĩa kim loại: (a) ở tần số 0,855 THz và (b) ở tần số 0,906 THz 91 Hình 3.28. Phân bố điện trường trong mặt phẳng xOy: (a) ở tần số 0,855 THz tại không gian giữa hai DS của DP dưới và (b) ở tần số 0,906 THz tại không gian giữa hai DS của DP trên. 92 Hình 3.29. Phân bố từ trường trong mặt phẳng xOy: (a) tại tần số 0,855 THz ở vùng không gian giữa hai DS của DP dưới; (b) tại tần số 0,906 THz ở vùng không gian giữa hai DS của DP trên. 92 Hình 3.30. Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc HMA khi kích thước ô cơ sở của HMA thay đổi. 93 Hình 3.31. Phổ hấp thụ mô phỏng của các cấu trúc HMA, HMA1, HMA2, HMA3 với kích thước ô cơ sở bằng 110 μm. 94
10. Hình 3.32. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA theo tần số khi góc tới θ thay đổi ở chế độ phân cực điện TE của sóng tới. 95 Hình 3.33. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA theo tần số khi góc tới θ thay đổi ở chế độ phân cực từ TM của sóng tới. 96 Hình 4.1. Kết quả mô phỏng và tính toán: (a) phổ truyền qua, phản xạ, hấp thụ và (b) độ điện thẩm, độ từ thẩm của màng graphene đơn lớp. 100 Hình 4.2. Cấu trúc graphene dấu cộng, cấu trúc graphene hình tròn và độ điện thẩm tương ứng của hai cấu trúc. 101 Hình 4.3. Phổ truyền qua và độ điện thẩm của màng graphene với n lớp nguyên tử. 101 Hình 4.4. Mô hình MMs cộng hưởng điện có cấu trúc CW tích hợp graphene với các tham số cấu trúc: a = 100 µm, b = 300 µm, l = 250 µm, w = 20 µm. 102 Hình 4.5. Độ điện thẩm của MMs cộng hưởng điện (cấu trúc CW tích hợp graphene) biến thiên theo tần số. 102 Hình 4.6. Độ điện thẩm và phổ truyền qua của MMs cấu trúc CW tích hợp graphene theo các thế hóa học μc khác nhau. 104 Hình 4.7. Cấu trúc của MPA bao gồm các đĩa Au được sắp xếp tuần hoàn trên một đế gồm graphene/SiO2/Au/Silicon; cấu trúc phân lớp của một ô cở sở. 105 Hình 4.8. Mô hình mạch điện tương đương của MPA đĩa tròn tích hợp graphene.105 Hình 4.9. Độ hấp thụ của MPA tích hợp graphene khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi, với đường kính đĩa Au: d = 46 µm và d = 50 µm. 106 Hình 4.10. Vật liệu MPA tích hợp graphene có tính tuần hoàn và cấu trúc một ô cơ sở của nó. 108 Hình 4.11. Mô hình mạch điện LC tương đương của một ô cơ sở của cấu trúc MPA lưới đĩa graphene. 109 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. 110 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. 111 Hình 4.14. Phổ hấp thụ của vật liệu MPA khi thế hóa học μc của graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,55 eV, màu xanh lục ứng với độ hấp thụ bằng 0, màu đỏ ứng với độ hấp thụ bằng 1. 112 Hình 4.15. Cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene theo hai dạng: cấu trúc CW1 và cấu trúc CW2. 113 Hình 4.16. Phổ truyền qua của các cấu trúc MMs: cấu trúc CW dạng kim cương, cấu trúc dải graphene, cấu trúc lưới graphene, cấu trúc MMs tích hợp graphene CW1 và cấu trúc MMs tích hợp graphene CW2. 114
11. Hình 4.17. Phổ truyền qua của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi. 115 Hình 4.18. Phổ hấp thụ của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi. 116 Hình 4.19. Độ điện thẩm hiệu dụng của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi. 117 Hình 4.20. Ô cơ sở của vật liệu MPA cấu trúc CWP hình kim cương: (a) theo hướng của sóng tới và (b) phân thành các lớp cấu trúc; kết quả mô phỏng tính toán khi kích thước ô cơ sở a thay đổi (a có đơn vị μm): (c) phổ truyền qua và (d) phổ hấp thụ. 119 Hình 4.21. Phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs cấu trúc CWP và CWP_E. 120 Hình 4.22. MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene. Mỗi ô cơ sở của cấu trúc bao gồm các thành phần Au/SiO2/Au hình kim cương được sắp xếp tuần hoàn trên một đế gồm graphene/SiO2/Si. 121 Hình 4.23. Phổ hấp thụ của các MPAs cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene khi thay đổi kích thước l của hình kim cương (l có đơn vị μm), với kích thước ô cơ sở a = 85 μm, độ dày lớp điện môi SiO2 ts = 1,8 μm và thế hóa học của graphene có giá trị 0,0 eV 122 Hình 4.24. Kết quả mô phỏng và tính toán: độ truyền qua T, độ phản xạ R, độ hấp thụ A, phần thực của độ điện thẩm εr và phần thực của độ từ thẩm μr của MPA cấu trúc cặp kim cương trong hai trường hợp (a) không tích hợp graphene và (b) có tích hợp graphene. 123 Hình 4.25. Kết quả mô phỏng tính toán: (a) độ hấp thụ và (b) độ truyền qua của MPA kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV. 125 Hình 4.26. (a) Phần thực của độ từ thẩm và (b) Phần thực của độ điện thẩm của MPA kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV (các đường nét liền chỉ ra đường biên giữa giá trị dương và âm của độ điện thẩm). 126 Hình 4.27. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA được đề xuất (loại I) và của các MPAs sai lệch (loại II, III và IV) tương ứng với các ô cơ sở (nhìn từ trên xuống). 128 Hình 4.28. Cấu trúc một ô cơ sở của vật liệu MPA lai hóa tích hợp graphene. Mỗi ô cơ sở bao gồm một bộ Au/SiO2/Au/SiO2/Au hình vuông đặt trên một tấm nền graphene/SiO2/Si. 131 Hình 4.29. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA cấu trúc CWP lai hóa không có graphene (HMA) và của MPA lai hóa tích hợp graphene (GHMA) với thế hóa học của graphene bằng 0,0 eV. 132
12. Hình 4.30. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA trong bốn trường hợp: ban đầu, khi cặp CW trên cùng bị nối tắt, khi cặp CW dưới cùng bị nối tắt, khi tất cả CWT bị nối tắt. Vị trí nối tắt ở hai đầu của các CW dọc theo hướng tác dụng điện trường của sóng tới. 132 Hình 4.31. Kết quả mô phỏng phân bố dòng điện và phân bố điện trường: (a) tại tần số 0,74 THz khi CWP phía trên bị nối tắt, (b) tại tần số 0,77 THz khi CWP phía dưới bị nối tắt, (c) tại tần số 0,74 THz và 0,77 THz của HMA ban đầu. 134 Hình 4.32. Phổ hấp thụ mô phỏng của: (a) Cấu trúc GHMA với thế hóa học của graphene từ 0,0 eV đến 1,0 eV; (b) Cấu trúc GHMA với các CWP bị nối tắt khi thế hóa học của graphene bằng 0,0 eV và (c) Cấu trúc trúc GHMA với các CWP bị nối tắt khi thế hóa học của graphene bằng 1,0 eV. Trong đó, tất cả các CWP bị nối tắt dọc theo phương điện trường của sóng tới. 135 Hình 4.33. (a) FWHM mô phỏng của cấu trúc nối tắt ở các mức năng lượng Fermi khác nhau; (b) Sự phân bố dòng điện mô phỏng dọc theo chiều dài của lớp dưới cùng ở các mức năng lượng Fermi 0,0 eV, 0,5 eV, 1,0 eV. 137 Hình 4.34. Kết quả mô phỏng độ hấp thụ của cấu trúc GHMA với các góc tới khác nhau ở chế độ TE và ở chế độ TM khi mức năng lượng Fermi bằng 1,0 eV. 139 Hình 4.35. Phổ truyền qua mô phỏng của cấu trúc GHMA với các giá trị mức năng lượng Fermi khác nhau trong các vùng tần số: (a) từ 0,4 THz đến 1,0 THz và (b) từ 1 THz đến 10 THz. 140
13. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới về MPAs tích hợp graphene. 51 Bảng 3.1. Giá trị hệ số tự cảm Lm, điện dung Cm và tần số cộng hưởng từ tính toán được từ mô hình mạch điện tương đương LC khi thay đổi đường kính đĩa Au trong đó a = 70 μm, td = 4 μm, ts = 1,5 μm, εd = 11,9, εs = 3,9, c1 = 1,07. 78 Bảng 3.2. Giá trị hệ số tự cảm Lm, điện dung Cm và tần số cộng hưởng từ tính toán được từ mô hình mạch điện tương đương LC khi thay đổi độ điện thẩm của đĩa đệm điện môi kẹp giữa hai đĩa Au trong đó a = 70 μm, d = 40 μm, td = 4 μm, ts = 1,5 μm, εd = 11,9, c1 = 1,07. 78
14. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 7 1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs) 7 1.1.1. Khái niệm vật liệu MPAs 7 1.1.2. Các hướng nghiên cứu vật liệu MPAs 10 1.1.3. Tiềm năng phát triển và ứng dụng của vật liệu MPAs 23 1.2. Các tương tác điện từ của vật liệu MMs 27 1.2.1. Cộng hưởng điện 27 1.2.2. Cộng hưởng từ 29 1.2.3. Sự phối hợp trở kháng 32 1.3. Tổng quan về vật liệu graphene 34 1.3.1. Tính chất điện từ của graphene 34 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp graphene 37 1.3.3. Một số ứng dụng của graphene 38 1.4. Tổng quan về vật liệu MPAs tích hợp graphene 40 1.4.1. Một số kỹ thuật tích hợp graphene trong MPAs 40 1.4.2. Điều khiển tính chất hấp thụ của MPAs tích hợp graphene 48 1.4.3. Tiềm năng của MPAs hai chiều tích hợp graphene 50 1.5. Kết luận 53 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55 2.1. Phương pháp tính toán bán lý thuyết và lý thuyết môi trường hiệu dụng 56 2.2. Phương pháp mô hình hóa sử dụng mạch LC tương đương 58 2.3. Phương pháp mô phỏng vật lý 62 2.4. Kết luận 66 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU 67 3.1. Tính chất điện từ của cấu trúc CW hoạt động ở vùng THz 67 3.2. Tính chất điện từ của cấu trúc CWP hoạt động ở vùng THz 71 3.3. MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều 78 3.4. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế chồng chập cộng hưởng 80 3.4.1. Đặc tính hấp thụ hiệu suất cao của MPAs hấp thụ hai chiều sử dụng cơ chế chồng chập cộng hưởng 80
15. 3.4.2. Kết quả mô phỏng sự hấp thụ hai chiều của DP 82 3.5. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế lai hóa cộng hưởng từ 86 3.5.1. Thiết kế HMA cấu trúc cặp DP 87 3.5.2. Đặc tính hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP 88 3.5.3. Tối ưu hóa tính chất hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP 93 3.6. Kết luận 96 CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE 98 4.1. Ảnh hưởng của graphene đến tính chất điện từ của vật liệu MMs ở vùng tần số THz 98 4.2. Điều khiển tính chất điện từ của MPA một chiều tích hợp graphene 104 4.2.1. Điều khiển tần số của MPA một chiều tích hợp graphene 104 4.2.2. Điều khiển cường độ hấp thụ của MPA một chiều tích hợp graphene 107 4.2.3. Điều khiển cường độ hấp thụ dải tần rộng của MPA một chiều tích hợp graphene 111 4.3. MMs đẳng hướng tích hợp graphene cấu trúc CW hình kim cương 113 4.4. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế chồng chập cộng hưởng 118 4.4.1. MPA cấu trúc CWP hình kim cương 118 4.4.2. Thiết kế và tối ưu cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene 120 4.4.3. Cơ chế chuyển đổi hấp thụ 125 4.5. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế lai hóa cộng hưởng từ 129 4.5.1. Thiết kế MPA lai hóa tích hợp graphene 130 4.5.2. Tính chất hấp thụ của vật liệu MPA lai hóa tích hợp graphene 131 4.5.3. Điều khiển tính chất hấp thụ của MPA lai hóa tích hợp graphene 134 4.5.4. Tính chất hấp thụ góc rộng 139 4.6. Kết luận 140 KẾT LUẬN CHUNG 142 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 146
16. 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, cuộc cách mạng khoa học công nghệ 4.0 hay còn gọi là cuộc cách mạng công nghệ số đã và đang phát triển nhanh chóng phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người. Nó bao gồm rất nhiều các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, chế tạo rô bốt, phân tích dữ liệu lớn, điện toán đám mây, phát triển mạng 5G, công nghệ in 3D, công nghệ nano, công nghệ sinh học, khoa học vật liệu, lưu trữ năng lượng. Trong đó, khoa học vật liệu là một lĩnh vực đóng vai trò rất quan trọng. Việc nghiên cứu tạo ra những vật liệu mới với những tính chất độc đáo, thú vị và ưu việt hơn hẳn so với những vật liệu trong tự nhiên được quan tâm hàng đầu. Nhu cầu này đã dẫn đến các nghiên cứu mạnh mẽ cả về lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực vật liệu biến hóa (Metamaterials – MMs) – vật liệu nhân tạo có nhiều tính chất mới lạ chưa từng được quan sát trong tự nhiên. Mặc dù, từ năm 1968, mô hình lý thuyết của Veselago đã dự đoán sự tồn tại tính chất của vật liệu MMs [1], nhưng tên gọi “metamaterial” (tên gọi chung cho vật liệu nhân tạo chứa đặc tính vượt trội, kỳ lạ, không tồn tại trong tự nhiên) đến năm 2001 mới được sử dụng lần đầu tiên bởi Walser [2]. Trong thời gian qua, vật liệu MMs đã tạo nên một cuộc cách mạng về vật liệu tiên tiến và đặt ra nhiều thách thức đối với khoa học cơ bản khi MMs có các đặc tính và hiệu ứng điện động lực học thú vị, chẳng hạn như chiết suất âm, hiệu ứng nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, hiệu ứng bẻ cong ánh sáng, hiệu ứng nghịch đảo của phát xạ Cherenkov, hiệu ứng hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ, [3-9]. Những đặc tính khác lạ và thú vị 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 trước đây chỉ tồn tại trong thế giới khoa học viễn tưởng. Trong tương tác với sóng điện từ, MMs được định nghĩa là vật liệu có cấu trúc cộng hưởng điện từ nhân tạo, bao gồm các ô cơ sở được sắp xếp tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Các cấu trúc cơ sở này còn được gọi là các “giả nguyên tử” có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng. Các ô cơ sở trong MMs thông thường là các bộ cộng hưởng được tạo thành từ cấu trúc điện môi – kim loại. Tính chất điện từ của MMs phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vật lý của các ô cơ sở hơn là bản chất lý – hóa của các vật liệu thành phần. Lợi thế này khiến cho vùng tần số hoạt động của MMs có thể linh hoạt thay đổi thông qua việc thiết kế cấu trúc ô cơ sở. Do đó, MMs có thể phù hợp cho các ứng dụng với sóng điện từ hoạt động trong một khoảng tần số nhất định,
17. 2 từ vùng bước sóng dài (MHz) đến vùng bước sóng ngắn (quang học) [9-15]. Bên cạnh khả năng hoạt động ở mọi vùng tần số khác nhau, thiết kế linh hoạt MMs còn có lợi thế về kích thước, trong đó kích thước ô cơ sở của MMs nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động (thường nhỏ hơn từ 7 đến 10 lần). Do tồn tại những tính chất đặc biệt và sở hữu những lợi thế về khả năng ứng dụng, những sản phẩm dựa trên MMs ngày càng xuất hiện nhiều trên thị trường thương mại quốc tế [16]. Có thể kể ra một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật của MMs trên thế giới hiện nay như thông tin và viễn thông, an ninh quốc phòng, hàng không, y tế, Mặc dù, các tính chất điện từ của MMs được quan tâm và nghiên cứu mạnh mẽ, tuy nhiên do phụ thuộc vào cấu trúc cơ sở nên các tính chất này thường không linh hoạt và khó thay đổi sau khi chế tạo. Do đó, đã có nhiều hướng nghiên cứu tích hợp các vật liệu khác nhau vào MMs 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, chiếu sáng, [17-21]. Trong đó, sử dụng điện trường để điều khiển tính chất điện từ của MMs có nhiều ưu thế về khả năng điều chỉnh linh hoạt. Cùng với sự phát triển của MMs, graphene là một loại vật liệu 2D tiên tiến mới có nhiều tính chất điện từ thú vị, lần đầu tiên được bóc tách vào năm 2004 bởi các nhà vật lý tại Đại học Manchester (Anh) và Học viện công nghệ Vi điện tử tại Chernogolovka (Nga) [22]. Graphene là dạng màng hai chiều của carbon, có bề dày gồm một lớp nguyên tử với tính chất ưu việt như độ truyền qua quang học cao, linh hoạt, độ dẫn điện cao có thể điều khiển bằng điện trường. Tích hợp graphene vào thành phần của vật liệu MMs là một ý tưởng đột phá trong lĩnh vực khoa học vật liệu tiên tiến được triển khai nghiên cứu trên thế giới từ năm 2011 [23]. Ưu thế về độ dẫn của graphene so với các kim loại quý như vàng, bạc là không đáng kể, tuy nhiên khả năng thay đổi độ dẫn và các đặc tính quang học của graphene bằng các tác động ngoại vi là điểm khác biệt lớn nhất khiến chúng có thể tạo ra thế hệ MMs siêu linh hoạt [24,25]. Mặt khác, MMs sử dụng graphene ở dạng cấu trúc tuần hoàn cũng giúp các tính chất thú vị của graphene trở nên biến hóa hơn so với dạng màng liên tục. Kết hợp giữa màng graphene thông thường với graphene được cấu trúc hóa trong MMs cho phép mở rộng khả năng và tận dụng ưu thế của vật liệu graphene trong các tính chất và ứng dụng sử dụng bức xạ THz như siêu thấu kính, gương phản xạ sóng điện từ, thiết bị hấp thụ và phân cực sóng điện từ.