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.
27 trang |
Chia sẻ: thientruc20 | Lượt xem: 969 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số thz, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 11 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 ứ