Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ hai chiều hoạt động ở vùng tần số THz và ứng dụng trong cảm biến chiết suất

Trong nghiên cứu này, đề xuất một cấu trúc MMA không sử dụng mặt phẳng kim loại liên tục, thay vào đó sử dụng các bộ cộng hưởng cặp đĩa kim loại Vàng. MMA được thiết kế cho hiệu suất hấp thụ cao tại tần số cộng hưởng dựa trên sự chồng chập cộng hưởng điện và cộng hưởng từ.

Vật lý Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ hai chiều hoạt động vùng tần số THz ứng dụng cảm biến chiết suất Trần Văn Huỳnh1*, Vũ Đình Lãm2, Lê Thị Hồng Hiệp2,3,4, Nguyễn Thanh Tùng2,3 Khoa Khoa học Ngoại ngữ, Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy; Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Khoa Cơ sở ngành phòng cháy chữa cháy, Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy *Email: tranhuynhsp@gmail.com Nhận ngày 10/02/2022; Hoàn thiện ngày 23/3/2022; Chấp nhận đăng ngày 31/3/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.140-150 TÓM TẮT Các hấp thụ sóng điện từ dựa siêu vật liệu (Metamaterials absorber - MMA) thông thường thiết kế với cộng hưởng, mặt phẳng kim loại liên tục lớp điện môi kẹp Sự hấp thụ dựa tổn hao lớp điện môi gây cộng hưởng từ Các MMAs cho phép hấp thụ sóng điện từ theo chiều truyền đến, chiều cịn lại sóng điện từ bị phản xạ hoàn toàn, đồng thời bên vùng tần số hấp thụ sóng điện từ bị phản xạ gần hồn tồn Trong nghiên cứu này, chúng tơi đề xuất cấu trúc MMA không sử dụng mặt phẳng kim loại liên tục, thay vào sử dụng cộng hưởng cặp đĩa kim loại Vàng MMA thiết kế cho hiệu suất hấp thụ cao tần số cộng hưởng dựa chồng chập cộng hưởng điện cộng hưởng từ Các kết mô cho thấy, MMA đạt hiệu suất hấp thụ lên đến 98% tần số 2,15 THz Do khơng có mặt phẳng kim loại nên MMA cho phép sóng điện từ truyền qua bên vùng tần số hấp thụ, tính chất giúp MMA có khả ứng dụng linh hoạt hiệu thiết bị THz Từ khóa: THz; Siêu vật liệu; Hấp thụ hai chiều sóng điện từ; Cảm biến chiết suất MỞ ĐẦU Các hấp thụ dựa siêu vật liệu (MMAs) hấp thụ hồn tồn sóng điện từ chiếu đến tần số cụ thể cho phép chúng có tiềm cao ứng dụng khác cơng nghệ tàng hình [1, 2], thu lượng [3, 4], nhiệt quang điện [5, 6], hình ảnh [7, 8] cảm biến [9-12] Cấu trúc MMA thông thường bao gồm cộng hưởng kim loại in lớp điện môi mặt phẳng kim loại đóng vai trị gương phản xạ hồn tồn sóng điện từ MMA hấp thụ sóng điện từ dựa cộng hưởng từ Khi sóng tới tần số cộng hưởng chiếu đến, trở kháng hấp thụ với trở kháng môi trường xung quanh (thường chân khơng khơng khí), sóng điện từ hồn tồn vào hấp thụ Do có mặt phẳng kim loại, sóng điện từ khơng truyền qua mặt phẳng kim loại mà bị giam giữ lớp điện môi tiêu hao dạng tỏa nhiệt điện mơi Mặc dù MMA thơng thường thiết kế để đạt độ hấp thụ gần tuyệt đối tần số cộng hưởng [13-15] có mặt phẳng kim loại đóng vai trị gương phản xạ hồn tồn sóng điện từ nên tất sóng tới bên ngồi phạm vi hấp thụ bị phản xạ trở lại, dẫn đến hạn chế số ứng dụng Với mục tiêu tạo hấp thụ cho phép sóng điện từ truyền qua bên dải tần hấp thụ, với cấu trúc đơn giản có tính đối xứng cao, nghiên cứu không sử dụng mặt phẳng kim loại cấu trúc MMA, thay vào cấu trúc cặp đĩa kim loại đề xuất Cấu trúc cặp đĩa bao gồm hai đĩa kim loại đặt song song với xen chúng có đĩa đệm điện mơi Cấu trúc cặp đĩa có cấu trúc đơn giản có tính đối xứng cao, thuận lợi chế tạo thử nghiệm Tương tự cấu trúc cặp kim loại (Cut-wire Pair - CWP), thông thường tồn cộng hưởng điện cộng hưởng từ [16, 17] Tuy nhiên, khơng có mặt phẳng 140 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ kim loại đóng vai trị làm gương phản xạ để giữ sóng điện từ bên lớp điện môi dẫn đến hiệu suất hấp thụ thấp với cộng hưởng điện cộng hưởng từ Để tăng hiệu suất hấp thụ, Đỗ Thành Việt đồng nghiệp đề xuất giải pháp chồng chập hai cộng hưởng với với mục đích tổn hao cao hai cộng hưởng xảy tần số [18] Bằng cách biến đổi cấu trúc CWP từ dạng hình vng thành hình kim cương, cộng hưởng từ chồng chập với cộng hưởng điện tần số [18] Mặc dù giải pháp thực tần số GHz, nhiên vùng tần số THz, nơi cấu trúc dễ bị lỗi chế tạo đặc tính vật liệu khác nhau, việc tạo cấu trúc CWP hình kim cương xác khơng thuận lợi Cấu trúc CWP nói chung cấu trúc CWP hình đĩa nói riêng cho thấy tồn cộng hưởng điện cộng hưởng từ, đó: cộng hưởng từ cộng hưởng CWP gây ra, cộng hưởng điện tương tác cộng hưởng liền kề gây [13, 16, 17] Trong nghiên cứu này, cách sử dụng mơ hình mạch điện LC tương đương kết hợp với mô sử dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn CST, phụ thuộc tần số cộng hưởng điện cộng hưởng từ vào tham số hình học tính chất vật liệu làm rõ Từ đó, tham số cấu trúc điều khiển để chồng chập cộng hưởng điện cộng hưởng từ xảy ra, dẫn đến kết hiệu suất hấp thụ tăng cường THIẾT KẾ CẤU TRÚC Cấu trúc CWP dạng cặp đĩa (Disk Pair – DP) thiết kế bao gồm cặp đĩa kim loại Au có đường kính d, hai đĩa kim loại đĩa đệm điện mơi SiO2 có đường kính d Cặp đĩa kim loại có độ dày tm, đĩa đệm điện mơi có độ dày ts Mục tiêu nghiên cứu tạo MMA cấu trúc DP hấp thụ vùng tần số THz (cụ thể khoảng 1-3 THz) Do đó, để phù hợp với công nghệ chế tạo phổ biến nay, cấu trúc DP đặt đế Si hình Đế Si có độ dày td, sở MMA dạng hình vng kích thước a Có thể thấy rằng, mặt vật lý, cấu trúc DP hồn tồn đối xứng theo hai chiều tới sóng điện từ, bao gồm mặt mặt Tuy nhiên, có đế Si (khơng suốt hồn tồn với sóng điện từ vùng tần số THz), cấu trúc DP bao gồm đế Si chưa hoàn toàn đối xứng với hai chiều tới sóng điện từ (mặt mặt DP), vấn đề thảo luận chi tiết nội dung thảo luận kết Trong vùng tần số khảo sát 1,2-2,6 THz, kim loại Au thiết kế với độ dẫn 4,561.107 S/m, điện môi SiO2 đưa vào mô với số điện môi 3,9, độ tổn hao 0,002, đế Si có số điện mơi 11,9 độ tổn hao 0,005 [19, 20] Hình Thiết kế ô sở cấu trúc DP với DP (gồm hai đĩa kim loại Au đĩa điện môi SiO2 kẹp giữa) đế Si Các tham số tán xạ S11 S21 sóng điện từ tương tác với cấu trúc vật liệu xác định phương pháp tích phân hữu hạn Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm mô CST tích hợp phương pháp tích phân hữu hạn Tồn cấu trúc nhúng mơi trường tham chiếu chân khơng, sóng điện từ đến theo hướng véc tơ k vng góc với mặt phẳng mẫu hình 1, điều kiện biên xác định ô sở Từ tham số tán xạ xác định độ truyền qua, độ phản xạ độ hấp thụ cấu trúc lần lượt: 2 T = S21 ; R = S11 ; A = − T − R Bên cạnh mô phỏng, mơ hình mạch điện tương đương LC phân tích để làm rõ chất cộng hưởng đỉnh hấp thụ phổ hấp thụ cấu trúc Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 141 Vật lý MƠ PHỎNG TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN Độ truyền qua 3.1 Kết mô Phổ truyền qua cấu trúc DP trình bày hình 2a, tương ứng với đường nét liền màu đỏ, cho thấy vùng tần số khảo sát xuất hai đỉnh cộng hưởng tần số 1,88 THz tần số 2,20 THz Bên cạnh phổ truyền qua DP, phổ truyền qua cấu trúc DS (Disk Shape) trình bày tương ứng với đường chấm màu xanh Cấu trúc DS cấu trúc gồm đĩa kim loại Au đặt đế Si Có thể thấy cộng hưởng tần số 1,88 THz cấu trúc DP tương tự cộng hưởng tần số 1,83 THz cấu trúc DS xác định cộng hưởng điện gây Để làm rõ chất cộng hưởng điện từ hai tần số cộng hưởng cấu trúc DP, mơ phân bố dịng điện bề mặt, phân bố cường độ điện trường, phân bố cường độ từ trường thực (a) (b) 1.88 THz Tần số (THz) 2.20 THz Hình (a) Phổ truyền qua cấu trúc DP cấu trúc DS; (b) Phân bố dòng điện bề mặt cấu trúc DP hai tần số cộng hưởng Mơ phân bố dịng điện bề mặt hai đĩa Au cấu trúc DP hai tần số cộng hưởng trình bày hình 2b Kết cho thấy: tần số 1,88 THz dòng điện phân bố hai đĩa Au song song chiều, phù hợp với nhận xét cộng hưởng tần số 1,88 THz cộng hưởng điện gây ra; tần số 2,20 THz dòng điện phân bố hai đĩa Au đối song, từ cho thấy cộng hưởng tần số 2,20 THz cộng hưởng từ gây Chú ý rằng, cộng hưởng điện cấu trúc DP tương tự cộng hưởng điện cấu trúc DS, nhiên, cộng hưởng điện cấu trúc DP dịch nhẹ lên vùng tần số cao so với cộng hưởng điện cấu trúc DS Nguyên nhân cấu trúc DP có hai đĩa Au nên mật độ hạt tải hiệu dụng tăng dẫn đến tần số plasma tăng công thức (1) tần số cộng hưởng điện tăng  2p = Ne2  0 tb me (1) Trong đó: N mật độ hạt tải điện hiệu dụng; me khối lượng hiệu dụng điện tử; ε0 số điện εtb độ điện thẩm trung bình tồn cấu trúc Các kết mô phân bố cường độ điện trường hai tần số cộng hưởng cấu trúc DP trình bày hình Có thể thấy, tần số cộng hưởng 1,88 THz điện trường phân bố tập trung bên hai đầu cặp đĩa dọc theo hướng phân cực điện sóng tới, tần số cộng hưởng 2,20 THz điện trường phân bố tập trung bên hai đầu cặp đĩa dọc theo hướng phân cực điện trường sóng tới Từ thấy, tần số 1,88 THz, điện tích phân bố hai đầu cặp đĩa dấu; tần số 2,20 THz, điện tích phân bố hai đầu cặp đĩa trái dấu Phân bố từ trường hai tần số cộng hưởng trình 142 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ bày hình phù hợp với giả thuyết Tại tần số 1,88 THz, dòng điện hai đĩa Au song song chiều nên từ trường tập trung mạnh bên cặp đĩa dọc theo hướng phân cực điện, tần số 2,20 THz, dòng điện hai đĩa Au đối song nên từ trường tập trung hầu hết vùng không gian đĩa đệm điện môi hai đĩa Au 2.20 THz 1.88 THz Hình Phân bố điện trường hai tần số cộng hưởng cấu trúc DP 1.88 THz 2.20 THz Độ từ thẩm Độ điện thẩm Độ hấp thụ Độ truyền qua Hình Phân bố từ trường hai tần số cộng hưởng cấu trúc DP Tần số THz Tần số THz Hình Kết mơ tính tốn phổ truyền qua, phổ hấp thụ, phần thực độ điện thẩm, phần thực độ từ thẩm cấu trúc DP Các kết mơ hình hình cho thấy: với thang đo mô phỏng, tần số 1,88 THz, phân bố điện trường phân bố từ trường yếu phân bố điện trường phân bố từ trường tần số 2,20 THz Như vậy, khẳng định cộng hưởng DP tần số 1,88 THz cộng hưởng điện tần số 2,20 THz cộng hưởng từ Từ kết mô phổ S11 S21, tham số: độ hấp thụ, độ điện thẩm, độ từ thẩm cấu trúc tính tốn trình bày hình Kết thu hoàn toàn phù hợp với kết mơ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 78, - 2022 143 Vật lý phân bố điện trường, từ trường dòng điện bề mặt Cụ thể, độ điện thẩm xuất đỉnh cộng hưởng tần số 1,88 THz, độ từ thẩm xuất đỉnh cộng hưởng tần số 2,20 THz Phổ hấp thụ cấu trúc DP ghi nhận hai đỉnh hấp thụ tương ứng với hai cộng hưởng điện cộng hưởng từ, đó, giả thiết cực đại hấp thụ cộng hưởng gây (b) Độ từ thẩm Độ điện thẩm (a) Tần số (THz) Tần số (THz) Hình (a) Độ điện thẩm hiệu dụng; (b) Độ từ thẩm hiệu dụng cấu trúc DP tham số kích thước sở a thay đổi (a) (a) Độ từ thẩm Độ điện thẩm (b) Tần số THz Tần số THz Hình (a) Độ điện thẩm hiệu dụng; (b) Độ từ thẩm hiệu dụng cấu trúc DP đường kính đĩa trịn d thay đổi Chúng tiến hành nghiên cứu phụ thuộc tần số cộng hưởng điện cấu trúc DP vào tham số cấu trúc hình học bao gồm kích thước sở a đường kính đĩa kim loại d Kết trình bày hình hình cho thấy: tần số cộng hưởng điện phụ thuộc vào hai tham số kích thước này, nhiên phụ thuộc vào kích thước sở a mạnh nhiều so với phụ thuộc vào đường kính đĩa kim loại d Cụ thể a tăng dần tần số cộng hưởng điện giảm rõ rệt, d tăng tần số cộng hưởng điện giảm nhẹ Sự giảm tần số cộng hưởng điện a tăng giải tích thể tích hiệu dụng tăng lượng hạt tải không đổi, dẫn đến mật độ hạt tải giảm tần số plasma giảm phương trình (1) Khi d tăng a khơng đổi đồng thời mật độ hạt tải hiệu dụng tăng khối lượng hiệu dụng hạt tăng hạt tải phải quãng đường dài Khi d tăng tỉ số N/me giảm dẫn đến tần số plasma giảm tần số cộng hưởng điện giảm [21], nhiên, thay đổi nhỏ N me biến thiên dấu d thay đổi Đối với tần số cộng hưởng từ, ảnh hưởng tham số cấu trúc 144 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” Nghiên cứu khoa học công nghệ a d khác rõ nét Tần số cộng hưởng từ gần không đổi a thay đổi, tần số cộng hưởng từ giảm gần tỉ lệ nghịch với d Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng từ giải thích chi tiết dựa vào mơ hình mạch điện LC tương đương 3.2 Mơ hình mạch điện LC tương đương Trong nội dung chúng tơi tập trung làm rõ tính chất cộng hưởng từ cấu trúc DP thơng qua mơ hình mạch điện LC tương đương Từ phân bố dòng điện bề mặt, phân bố điện trường phân bố từ trường tần số cộng hưởng từ, phân bố điện tích đĩa Au tần số cộng hưởng từ giả thiết hình 8a, cặp đĩa tương tự tứ cực điện Mơ hình mạch điện LC tương đương cho cộng hưởng từ cấu trúc DP xây dựng trình bày hình 8b Hai đĩa Au biểu diễn tương ứng thành hai cuộn cảm mà hệ số tự cảm xác định thơng qua cấu trúc hình học đĩa Bằng phương pháp giải tích, dựa vào phương trình định lý Ostrogradsky-Gauss, định lý Ampere, độ tự cảm Lm xác định gần đúng: Lm = 0 ( ts + 2tm )  (2) Trong đó, tụ điện Cm tạo thành hai tụ - tương đương với phần diện tích tập trung điện tích hai đĩa Au Giá trị điện dung tụ điện xác định: Cm =   s (a) (3) j x E +++ k - z (b) B +++ j c1 d 4ts - j Hình Mơ hình mạch điện tương đương tần số cộng hưởng từ Trong phương trình (2) (3), tham số cấu trúc ts, tm d hình Các tham số ε0, μ0 số điện số từ, εs độ điện thẩm chất điện môi kẹp hai đĩa Au Trong trường hợp này, chất điện môi chọn SiO2 có độ điện thẩm εs = 3,9 độ tổn hao 0,002 Từ đó, tần số cộng hưởng từ xác định: fm = 2c ts  d  s c1 ( ts + 2tm ) (4) Trong đó: c =  0 = 3.108 m / s ; c1 hệ số tỉ lệ diện tích tập trung điện tích tổng diện tích đĩa Hệ số thường có giá trị từ 0,10 đến 0,25 tùy vào hình dạng cấu trúc, xác định cách mơ vùng tập trung điện tích cấu trúc kim loại [16] Đối với cấu trúc DP, với c1 = 0,107, kết tính tốn cho thấy tần số cộng hưởng từ 2,20 THz, phù hợp với kết mô Kết tần số cộng hưởng từ tính tốn từ mơ hình mạch điện tương đương cho thấy giá trị tần số phụ thuộc vào đường kính đĩa trịn, bề dày đĩa đệm điện mơi ts số điện mơi s Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 78, - 2022 145 Vật lý Độ hấp thụ 3.3 Điều khiển chồng chập cộng hưởng điện từ Từ kết phân tích tính chất cộng hưởng điện cộng hưởng từ cấu trúc DP, chúng tơi nhận thấy rằng: điều kiển cộng hưởng điện cấu trúc DP thông qua tham số sở a, từ chồng chập cộng hưởng điện cộng hưởng từ, dẫn đến hiệu suất hấp thụ cấu trúc DP tần số cộng hưởng tăng cường Phổ hấp thụ cấu trúc DP mơ tính tốn giảm dần kích thước sở từ 80 μm đến 45 μm trình bày hình Khi kích thước sở 80 μm, phổ hấp thụ xuất ba đỉnh hấp thụ tần số 1,70 THz, 2,17 THz 2,57 THz có độ hấp thụ tương ứng 24%, 46% 24% Các kết mơ phân tích mạch điện LC xác định được: đỉnh hấp thụ tần số thấp 1,70 THz cộng hưởng điện, đỉnh hấp thụ tần số 2,17 THz cộng hưởng từ Đỉnh hấp thụ tần số cao 2,57 THz nhận định cộng hưởng điện bậc cao Khi a giảm dần đến 70 μm, đỉnh hấp thụ cộng hưởng điện dịch lên tần số cao biên độ tăng dần, đỉnh hấp thụ cộng hưởng từ khơng thay đổi vị trí biên độ giảm chút Sự dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng điện tần số cộng hưởng điện tăng không đổi vị trí đỉnh hấp thụ cộng hưởng từ phân tích Sự thay đổi biên độ đỉnh hấp thụ giải thích thay đổi phối hợp trở kháng Khi a 70 μm, đỉnh hấp thụ cộng hưởng điện dịch đến tần số 1,95 THz với độ hấp thụ đạt 30%, đỉnh hấp thụ cộng hưởng từ gây tần số 2,18 THz với độ hấp thụ đạt 36%, đỉnh hấp thụ cộng hưởng điện bậc cao gây dịch vùng tần số quan sát Khi a giảm đến 60 μm, phổ hấp thụ đỉnh hấp thụ tần số 2,15 THz với độ hấp thụ đạt 90% Khi cộng hưởng điện trùng lên cộng hưởng từ, cộng hưởng điện bậc cao dịch khỏi vùng tần số quan sát Khi a giảm đến 55 μm tiếp tục giảm, phổ hấp thụ trì đỉnh hấp thụ tần số 2,15 THz với độ hấp thụ đạt 98% Tần số (THz) Hình Phổ hấp thụ DP thay đổi kích thước sở a Để làm rõ chất vật lý hấp thụ hiệu suất cao chồng chập cộng hưởng điện cộng hưởng từ, phổ hấp thụ DP mơ tính tốn triệt tiêu cộng hưởng điện cộng hưởng từ trình bày hình 10 Để triệt tiêu cộng hưởng điện vị trí hấp thụ DP, hai đĩa Au phía hai sở nối với dọc theo 146 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Độ hấp thụ hướng phân cực điện trường (DP1) Để triệt tiêu cộng hưởng từ vị trí hấp thụ DP, hai đĩa Au cặp đĩa nối với hai đầu đĩa dọc theo hướng phân cực điện trường (DP2) Các phổ hấp thụ hình 10 cho thấy: vùng chồng chập cộng hưởng DP, phổ hấp thụ DP1 (đường màu đỏ) đỉnh hấp thụ với hiệu suất 45%, dự đoán cộng hưởng từ gây ra; đó, vùng chồng chập cộng hưởng DP, phổ hấp thụ DP2 (đường màu xanh dương) hồn tồn khơng đỉnh hấp thụ, độ hấp thụ giảm gần không Kết phổ hấp thụ DP2 giải thích: nối hai đĩa Au DP lại, làm triệt tiêu cộng hưởng từ Đồng thời đó, tần số plasma hiệu dụng cấu trúc giảm dòng điện trường hợp phân bố đĩa Au, dẫn đến cộng hưởng điện bị dịch Tần số (THz) Độ hấp thụ A, tỉ số z = Z/Z0 Hình 10 Phổ hấp thụ của: cấu trúc DP, cấu trúc DP1, cấu trúc DP2 Kích thước sở a (μm) Hình 11 Độ hấp thụ tỉ số z trở kháng hiệu dụng DP trở kháng chân không a thay đổi Để đạt hiệu suất hấp thụ cao, yếu tố cộng hưởng, điều kiện phối hợp trở kháng đóng vai trị quan trọng Khi trở kháng vật liệu trở kháng môi trường (phối hợp trở kháng hoàn hảo), toàn sóng điện từ vào vật liệu, đó, cộng hưởng dẫn đến hấp thụ hoàn hảo Với cấu trúc DP, kết mơ tính tốn trình bày hình 11 cho thấy, trở kháng tỉ đối z (tỉ số trở kháng vật liệu trở kháng môi trường xung quanh – chân khơng) phụ thuộc vào kích thước ô sở a Tại tần số 2,15 THz, a giảm dần từ 90 μm đến 65 μm, trở kháng tỉ đối thay đổi khoảng từ 0,45 đến 0,60, độ hấp thụ đạt hiệu suất khoảng từ 25% đến 65% Khi a giảm đến 60 μm, trở kháng tỉ đối đạt kết gần 1, dẫn đến độ hấp thụ đạt hiệu suất cao Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 147 Vật lý Độ hấp thụ Độ hấp thụ 3.4 Ứng dụng MMA cho cảm biến chiết suất MMA hấp thụ hai chiều cấu trúc DP ứng dụng cảm biến chiết suất cách phủ lớp mỏng vật liệu có chiết suất n, lớp vật liệu có độ dày t µm hình 12 Phổ hấp thụ MMA có lớp vật liệu với chiết suất n trình bày hình 12, với giá trị n khác nhau, kết cho thấy: n tăng dần từ đến 1,5 vùng tần số khảo sát, phổ hấp thụ trì đỉnh hấp thụ tần số cộng hưởng với cường độ hấp thụ gần không thay đổi, tần số đỉnh hấp thụ dịch vùng tần số thấp Cụ thể, n = 1, đỉnh hấp thụ tần số 1,148 THz với cường độ hấp thụ 97,5%, không thay đổi so với đỉnh hấp thụ MMA khơng có lớp chiết suất n; n = 1,5 đỉnh hấp thụ tần số 1,132 THz với cường độ hấp thụ 97,8% Sự dịch vùng tần số thấp đỉnh hấp thụ tương đối tuyến tính với tăng chiết suất n Kết đóng góp lớp chiết suất n vào chiết suất hiệu dụng MMA Khi chiết suất hiệu dụng MMA tăng dẫn đến tần số cộng hưởng điện tần số cộng hưởng từ MMA giảm tần số đỉnh hấp thụ giảm Như vậy, dựa vào dịch đỉnh hấp thụ MMA có lớp chiết suất n so với đỉnh hấp thụ MMA ban đầu khơng có lớp chiết suất n, xác định chiết suất n vật liệu E k Tần số (THz) H t Tần số (THz) Tần số cộng hưởng (THz) Hình 12 Phổ hấp thụ mô MMA cấu trúc DP phủ lớp có chiết suất n với giá trị khác Chiết suất Hình 13 Sai lệch tần số cộng hưởng tương ứng với sai số 5% độ dày lớp chiết suất n 148 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Q trình phủ lớp vật liệu để xác định chiết suất xảy sai số Trong nghiên cứu này, chúng tơi mơ tính tốn tần số cộng hưởng cấu trúc độ dày lớp vật liệu cần xác định chiết suất có sai số 5% Kết trình bày hình 13, ứng với giá trị chiết suất n, độ dày lớp vật liệu chiết suất n thay đổi từ 0,95 µm đến 1,05 µm tần số cộng hưởng sai lệch GHz xung quanh tần số cộng hưởng ứng với độ dày µm Mặc dù sai lệch tần số cộng hưởng GHz, tần số cộng hưởng vùng THz nên sai lệch tỉ đối tương đối nhỏ Bên cạnh đó, tính chất hấp tụ DP hấp thụ hai chiều theo chế truyền qua nên diện tích bề mặt mà điểm ăng ten phát tiếp xúc với chất cần phân tích lớn với trường hợp cấu trúc hấp thụ chiều theo chế phản xạ nên hiệu ứng dịch chuyển mạnh hơn, độ nhạy tăng lên KẾT LUẬN Dựa kết mô phân tích mơ hình mạch điện LC tương đương chúng tơi làm rõ tính chất điện từ cấu trúc DP, từ đó, đề xuất chứng minh MMA cấu trúc DP không sử dụng mặt phẳng kim loại liên tục, thay vào sử dụng cộng hưởng cặp đĩa kim loại Vàng Bằng cách điều khiển tham số cấu trúc, tần số cộng hưởng điện điều khiển, từ MMA thiết kế cho hiệu suất hấp thụ cao tần số cộng hưởng dựa chồng chập cộng hưởng điện cộng hưởng từ Kết thu MMA đạt hiệu suất hấp thụ lên đến 98% tần số 2,15 THz Một ứng dụng thử nghiệm MMA cảm biến chiết suất thiết kế mô phỏng, với lớp mỏng µm phủ lên bề mặt MMA, chiết suất tăng từ đến 1,5 tần số đỉnh hấp thụ giảm từ 1,148 THz đến 1,132 THz cường độ hấp thụ không đổi Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam theo đề tài QTBY01.01/20-21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K Iwaszczuk, A C Strikwerda, K Fan, X Zhang, R D Averitt, and P U Jepsen, “Flexible metamaterial absorbers for stealth applications at terahertz frequencies,” Opt Express, Vol 20 (2012), pp 635-643 [2] J Kim, K Han, K Fan, X Zhang, and J W Hahn, “Selective dual-band metamaterial perfect absorber for infrared stealth technology,” Sci Rep, Vol (2017), pp 6740-9 [3] G Liu, X Liu, J Chen, Y Li, L Shi, G Fu and Z Liu, “Near-unity, full-spectrum, nanoscale solar absorbers and near-perfect blackbody emitters”, Sol Energy Mater Sol Cells, Vol 190 (2019), pp 20-29 [4] J Li, X Chen, Z Yi, H Yang, Y Tang, Y Yi, W Yao, J Wang, Y Yi, “Broadband solar energy absorber based on monolayer molybdenum disulfide using tungsten elliptical arrays”, Mater Today Energy, Vol 16 (2020), pp 100390-8 [5] X Liu, T Tyler, T Starr, A F Starr, N M Jokerst, W J Padilla, “Taming the Blackbody with Infrared Metamaterials as Selective Thermal Emitters”, Phys Rev Lett Vol 107(4) (2011), pp 45901-45905 [6] C Wu, B Neuner III, J John, A Milder, B Zollars, S Savoy, G Shvets, “Metamaterial-based integrated plasmonic absorber/emitter for solar thermo-photovoltaic systems”, J Opt Vol 14(2) (2012), pp 024005-7 [7] E Ashalley, K Acheampong, L V Besteiro, P Yu, A Neogi, A O Govorov, Z M Wang, “Multitask deep-learning-based design of chiral plasmonic metamaterials”, Photonics Res Vol 8(7) (2020), pp 1213-1225 [8] X Liu, T Starr, A F Starr, W J Padilla, “Infrared Spatial and Frequency Selective Metamaterial with Near-Unity Absorbance”, Phys Rev Lett Vol 104(20) (2010), pp 207403-4 [9] B S Tung, D D Thang, D H Luu, V D Lam, A Ohi, T Nabatame, Y P Lee, T Nagao, H V Chung, “Metamaterialenhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules”, Sci Rep Vol (2016), pp 32123-7 [10] S Bagheri, N Strohfeldt, F Sterl, A Berrier, A Tittl, H Giessen, “Large-area low-cost plasmonic perfect absorber chemical sensor fabricated by laser interference lithography” ACS Sens Vol (2016), pp 1148-1154 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 78, - 2022 149 Vật lý [11] S Kang, Z Qian, V Rajaram, S D Calisgan, A Alù M Rinaldi, “Ultra-Narrowband metamaterial absorbers for high spectral resolution infrared spectroscopy”, Adv Opt Mater Vol 7(2) (2019), pp 1801236-8 [12] S Feng, Y Zhao, Y-L Liao, “Dual-band dielectric metamaterial absorber and sensing applications”, Results Phys Vol 18 (2020), pp 103272-7 [13] N T Tung, T Tanaka, “Characterizations of an infrared polarization-insensitive metamaterial perfect absorber and its potential in sensing applications”, Photonics Nanostructures - Fundam Appl Vol 28 (2018), pp 100-105 [14] M Jiang, F Hu, Y Qian, L Zhang, W Zhang, J Han, “Tunable terahertz ban-pass filter based on MEMS reconfigurable metamaterials”, J Phys D: Appl Phys Vol 53(6) (2019), pp 065107-8 [15] B-X Wang, Y He, P Lou, W Xing, “Design of a dual-band terahertz metamaterial absorber using two identical square patches for sensing application”, Nanoscale Adv Vol (2020), pp 763-769 [16] J Zhou, E N Economon, T Koschny, and C M Soukoulis, “Unifying approach to left-handed material design,” Opt Lett Vol 31 (2006), pp 3620-2 [17] D T Viet, B S Tung, L V Quynh, N T Hien, N T Tuan, N T Tung, Y P Lee, V D Lam, “Design, fabrication and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol Vol (2012), pp 045014-5 [18] D T Viet, N V Hieu, V D Lam, N T Tung, “Isotropic metamaterial perfect absorbers using cutwire-pair structures”, Appl Phys Express Vol 8, (2015), pp 032001-3 [19] P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”, 5th Wiley (2009), p 40 [20] A M A Sabaawi, C C Tsimenidis, and B S Sharif, “Overview of nanoantennas for solar rectennas” in Rectenna Solar Cells, edited by G Moddel and S Grover, Springer, New York (2013), p 236 [21] D T Anh, D T Viet, P T Trang, N M Thang, H Q Quy, N V Hieu, V D Lam, N T Tung, “Taming electronmagnetic metamaterials for isotropic derfect absorbers”, AIP Advances Vol (2015), pp 077119-8 ABSTRACT Research and design two-dimensional metamaterials absorber operating in the THz frequency region and applications in refractive index sensor Metamaterials absorbers (MMA) are typically designed with resonators, a continuous metal plane, and a sandwiched dielectric layer The absorption is based on losses in the dielectric layer caused by magnetic resonances Such MMAs only allow the absorption of electromagnetic waves in the incoming direction, the electromagnetic wave is completely reflected in the opposite direction, and outside the absorption frequency region, the electromagnetic wave is also almost completely reflected In this work, we propose an MMA structure that does not use the continuous metal plane, using Gold metal-disk pair resonators instead MMA is designed for high absorption efficiency at a resonant frequency by overlapping magnetic and electric resonances Simulation results show that MMA can achieve absorption efficiency up to 98% at 2.15 THz Because there is no metal plane, MMA still allows transmission of electromagnetic waves outside the absorption frequency region, this property makes MMA more flexible and effective in THz devices Keywords: THz; Metamaterials; Absorbs two-dimensional electromagnetic waves; Refractive index sensor 150 T V Huỳnh, …, N T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ … cảm biến chiết suất.” ... Vật lý Độ hấp thụ Độ hấp thụ 3.4 Ứng dụng MMA cho cảm biến chiết suất MMA hấp thụ hai chiều cấu trúc DP ứng dụng cảm biến chiết suất cách phủ lớp mỏng vật liệu có chiết suất n, lớp vật liệu có... có lớp chiết suất n so với đỉnh hấp thụ MMA ban đầu khơng có lớp chiết suất n, xác định chiết suất n vật liệu E k Tần số (THz) H t Tần số (THz) Tần số cộng hưởng (THz) Hình 12 Phổ hấp thụ mô... chiết suất n; n = 1,5 đỉnh hấp thụ tần số 1,132 THz với cường độ hấp thụ 97,8% Sự dịch vùng tần số thấp đỉnh hấp thụ tương đối tuyến tính với tăng chiết suất n Kết đóng góp lớp chiết suất n vào