Luận án 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2019 1 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: 9440123 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Vũ Đình Lãm 2. TS. Lê Đắc Tuyên Hà Nội - 2019 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Vũ Đình Lãm và TS. Lê Đắc Tuyên. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. NGHIÊN CỨU SINH ĐẶNG HỒNG LƯU 3 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. Vũ Đình Lãm và TS. Lê Đắc Tuyên. 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, TS. Hoàng Vũ Chung và TS. Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, NCS. Nguyễn Hoàng Tùng, TS. Nguyễn Thị Hiền, NCS. Nguyễn Văn Cường, NCS. Bùi Hữu Nguyên, NCS. Nguyễn Văn Dũng đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm. Tôi xin được gửi những tình cảm, sự yêu mến và lòng biết ơn đến các thầy cô, anh, chị Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ và động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Sỹ quan Lục quân 1, Khoa Khoa học Tự nhiên 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. NGHIÊN CỨU SINH ĐẶNG HỒNG LƯU 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 3 MỤC LỤC .................................................................................................................. 4 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................... 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... 7 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 14 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa ......................................................... 14 1.2. Phân loại vật liệu biến hóa ........................................................................... 17 1.3. Lý thuyết môi trường hiệu dụng ................................................................. 22 1.4. Vật liệu biến hóa chiết suất âm ................................................................... 24 1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ....................................................... 25 1.5.1 Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ....................................... 25 1.5.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở tần số THz............... 27 1.5.3 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa ở tần số THz ............. 28 1.6. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa (EIT) ....... 30 1.7. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa ....................................................... 33 1.7.1. Siêu thấu kính (super lens) ...................................................................... 33 1.7.2. Vật liệu biến hóa ứng dụng trong tàng hình ............................................ 34 1.7.3. Vật liệu biến hóa ứng dụng trong cảm biến ............................................. 35 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 37 2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu ...................................................................... 37 2.2. Phương pháp mô phỏng ............................................................................... 38 2.3. Phương pháp tính toán mạch LC tương đương ........................................ 40 2.4. Xử lý và phân tích số liệu ............................................................................. 43 2.5. Phương pháp thực nghiệm .......................................................................... 44 2.5.1. Phương pháp chế tạo mẫu ........................................................................ 45 2.5.2. Đo hình thái học của mẫu ........................................................................ 45 2.5.3. Đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ........................................................ 46 CHƯƠNG 3. TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ .................................................................................................................. 48 3.1. Tối ưu hóa cường độ hấp thụ sử dụng cấu trúc hốc cộng hưởng ............ 50 3.1.1. Cấu trúc hốc cộng hưởng ......................................................................... 50 5 3.1.2. Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa có cấu trúc MAC ......................................................................................... 53 3.2. Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa ................................. 56 3.2.1. Mở rộng dải tần hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng hiệu ứng tương tác 56 3.2.2. Mở rộng dải tần hấp thụ bằng sử dụng hàng rào khuyết mạng ............... 64 3.3. Kết luận ......................................................................................................... 67 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 .................................................................................................... 68 4.1. Điều khiển tính chất hấp thụ sóng điện từ bằng kích thích quang .......... 69 4.1.1. Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh .......................................................... 70 4.1.2. Cấu trúc đĩa tròn bị khoét ........................................................................ 72 4.1.3. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ ................................................... 75 4.2. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ bằng kích thích nhiệt ..................... 77 4.2.1. Tính chất nhiệt của vật liệu InSb ............................................................. 77 4.2.2. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ của cấu trúc vòng cộng hưởng .. 78 4.3. Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ định hướng làm cảm biến ............... 80 4.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz .................................... 81 4.3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân tử bò ................. 82 4.3.3. Tính chất quang của vật liệu biến hóa ..................................................... 83 4.3.4. Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa ................................................ 84 4.4. Kết luận ......................................................................................................... 89 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 ................................................................................................................................... 90 5.1. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong hiệu ứng EIT .... 90 5.2. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên khuyết mạng ..................................................... 94 5.3. Nguyên lý Babinet cho ứng dụng hấp thụ dựa trên hiện tượng EIT ......... 98 5.4. Kết luận ....................................................................................................... 103 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 104 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................... 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 108 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Chữ viết tắt Tiếng Việt Bovin serum albumin BSA Phân tử protein bò Computer simulation technology CST Công nghệ mô phỏng bằng máy tính Cut-wire CW Dây bị cắt Cut-wire pair CWP Cặp dây bị cắt Defect metamaterial perfect absorber DMPA Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối có khuyết mạng Electromagnetically induced transparency EIT Trong suốt cảm ứng điện từ Fourier-transform infrared spetroscopy FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Guided-mode resonance GMR Cộng hưởng dẫn sóng Metamaterial MM Vật liệu biến hóa Metamaterial absorber MA Vật liệu biến hóa hấp thụ Metamaterial absorber cavity MAC Vật liệu biến hóa hấp thụ dựa trên hốc cộng hưởng Metamaterial perfect absorber MPA Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối Scanning electron microscope SEM Kính hiển vi điện tử quét Split-disk resonator SDR Đĩa cộng hưởng bị khuyết Split-ring resonator SRR Vòng cộng hưởng có rãnh 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật liệu biến hóa: (a) Vật liệu truyền thống được cấu tạo từ nguyên tử; (b) vật liệu biến hóa được hình thành từ các cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi là các “giả nguyên tử” [3] ...... 15 Hình 1.2. Số bài báo nghiên cứu vật liệu biến hóa công bố hàng năm (11/2018) .... 17 Hình 1.3. Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ ............................ 19 Hình 1.4. Sự phân bố điện trường khi chùm sáng tương tác với vật liệu chiết suất âm[2] ......................................................................................................................... 22 Hình 1.5. (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ truyền qua. Tính chất chiết suất âm (n < 0) của vật liệu thể hiện ở vùng tần số 11 đến 11,6 GHz [15] ............................................................................................................ 25 Hình 1.6. So sánh kết quả thực nghiệm (đường màu xanh) với mô phỏng (đường màu đỏ) và sai số xấp xỉ bình quân (nét đứt màu xám). Đồ thị nhỏ thể hiện kết quả sự phụ thuộc vào góc của sóng đến tới sự hấp thụ tại tần số cộng hưởng [36] .................... 26 Hình 1.7. (a) Cấu trúc cộng hưởng; (b) Kết quả mô phỏng; (c) Kết quả thực nghiệm [68] ............................................................................................................................ 28 Hình 1.8. Phổ hấp thụ mô phỏng (nét đứt) và thực nghiệm (nét liền) của cấu trúc SRR theo sự thay đổi của chiều dày lớp điện môi [69] ..................................................... 30 Hình 1.9. (a) Giản đồ năng lượng của môi trường EIT; (b) Phổ hấp thụ của một môi trường EIT; (c) Chiết suất của một môi trường EIT với sự tán sắc mạnh tại tần số ứng với cực tiểu độ hấp thụ [71] ...................................................................................... 30 Hình 1.10. (a) Cấu trúc của vật liệu MM; (b) Phần thực và phần ảo của một đầu dò điện trường Ex được đặt ở khoảng cách 10 nm cách đầu của thanh CW dọc (mũi tên màu đỏ trong hình 1.15a) [80]................................................................................... 32 Hình 1.11. Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [31] ................................................................................................................................... 33 Hình 1.12. Sự truyền ánh sáng trong môi trường (a) chiết suất dương thông thường; (b) chiết suất âm; (c) chiết suất âm và hội tụ ánh sáng [31] ..................................... 34 Hình 1.13. (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 [9] ....................................... 34 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa ............................................ 37 Hình 2.2. (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP; (b) Mạch điện LC tương đương; (c) và (d) Chiều dòng điện tương ứng trong trường hợp cộng hưởng từ và cộng hưởng điện [91] ................................................................................................................................... 42 Hình 2.3. (a) Mặt cắt và (b) ảnh SEM của mẫu chế tạo ............................................ 46 8 Hình 3.1. Quá trình tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ . 48 Hình 3.2. (a) Cấu trúc ô cơ sở với các tham số cấu trúc. (b) Sự phụ thuộc của tần số hấp thụ vào bán kính đĩa tròn .................................................................................... 49 Hình 3.3. (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc MAC; (c) So sánh phổ hấp thụ của cấu trúc MA và MAC ............................................................................................................. 50 Hình 3.4. Phân bố từ trường trên MAC; (a) Tại tần số 15.77 THz; (b) 18.43 THz .. 51 Hình 3.5. Phân bố mật độ dòng điện của MAC; (a, c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (b, d) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz (a, b) và 18,43 THz (c, d) ........... 52 Hình 3.6. Phân bố năng lượng tổn hao của MAC: (a, e) Trên lớp kim loại thứ nhất; (b, f) Trên lớp điện môi thứ hai; (c, g) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz (a- d) và 18,43 THz (e- h) ......................................................................................... 53 Hình 3.7. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ vào sự thay đổi giá trị của (a) w1 và (b) w2 .............................................................................................. 54 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của tỷ lệ bán kính đĩa tròn tại tâm đến tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ ....................................................................................................... 55 Hình 3.9. (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc 5 đĩa tròn, chu kỳ a = 24 µm; chiều dày lớp vàng tm = 0,1 µm; chiều dày lớp điện môi td = 0,8 µm; độ điện thẩm  = 3,1 .......... 57 Hình 3.10. Phổ hấp thụ của MPA (5 đĩa tròn) so với MA (9 đĩa tròn) tại bán kính các đĩa là R = RC = 2,7µm ............................................................................................... 57 Hình 3.11. Sự phân bố mật độ dòng điện bề mặt; (a-c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (d- f) Lớp kim loại thứ ba, tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz ................................................................................................................................... 58 Hình 3. 12. (a-c) Phân bố từ trường trên MPA; (d-f) Phân bố điện trường trên MPA tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz .............................. 59 Hình 3.13. Mạch điện tương đương của MPA; (a) tương ứng với tần số f2, f3 theo phân bố điện trường ở hình 3.12(e)-(f); (b) tương ứng với tần số f1 theo phân bố điện trường ở hình 3.12(d) ................................................................................................ 60 Hình 3.14. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ MPA vào bán kính: (a) Bán kính các đĩa xung quanh R; (b) Bán kính của đĩa trung tâm RC .................................................... 61 Hình 3.15. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vật liệu MPA vào khoảng cách:(a) w1; (b) w2 ............................................................................................................................... 63 Hình 3. 16. Phổ hấp thụ của MPA ứng với R = RC = 3 µm, w1 = 8 µm và w2 = 7,5 µm ................................................................................................................................... 63 Hình 3.17. (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) phổ hấp thụ cấu trúc MA với kích thước khác nhau ........................................................................................................................... 64 9 Hình 3.18. (a) và (b) Cấu trúc với các hàng rào khuyết mạng khác nhau và phổ hấp thụ của các cấu trúc tương ứng ................................................................................. 65 Hình 3.19. Phổ hấp thụ thực nghiệm, tính toán và mô phỏng của cấu trúc hàng rào khuyết mạng .............................................................................................................. 66 Hình 3.20. Phổ hấp thụ của cấu trúc MA ở tần số THz với hai hàng rào khuyết mạng ................................................................................................................................... 66 Hình 4.1. Sự phụ thuộc của độ dẫn và phần thực của độ điện thẩm của VO2 vào tần số plasma ................................................................................................................... 69 Hình 4.2. (a) Hình ảnh mô tả MPA cấu trúc SRR; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương của cấu trúc SRR ....................................................................................................... 71 Hình 4.3. (a) Hình ảnh mô phỏng dòng điện trên hai lớp kim loại của cấu trúc SRR; (b) Kết quả tính toán mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc SRR khi mặt kim loại phía đế là kim loại vàng .................................................................................................... 72 Hình 4.4. (a) Cấu trúc đĩa tròn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương ............ 73 Hình 4.5. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của cấu trúc SDR vào bán kính phần đĩa bị khuyết ................................................................................................................................... 73 Hình 4.6. Phân bố dòng điện bề mặt ở mặt trên (a) và mặt dưới (b) tại 10,8 THz. Phân bố điện trường (c) và từ trường (d) của MMA tại 10,8 THz của MPA cấu trúc SDR khi R2 = 0 ................................................................................................................... 74 Hình 4.7. Phân bố dòng điện bề mặt, cường độ điện trường và từ trường của các đĩa bị khuyết trong MPA tại 15,6 THz (a-c) và 22,6 THz (d-f) khi R2=4,8 µm ............. 75 Hình 4. 8. Cường độ hấp thụ của MPA cấu trúc SRR phụ thuộc vào độ dẫn của VO2 ................................................................................................................................... 76 Hình 4. 9. Cường độ hấp thụ và tần số hấp thụ của MPA có cấu trúc SDR phụ thuộc vào độ dẫn của VO2 ................................................................................................... 76 Hình 4. 10. Sự phụ thuộc của tần số plasma và nồng độ hạt tải vào nhiệt độ của vật liệu InSb .................................................................................................................... 78 Hình 4. 11. (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương .............................................................................................................. 79 Hình 4.