Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ của vật liệu THz Metamaterial không phân cực

Bài viết Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ của vật liệu THz Metamaterial không phân cực nghiên cứu một cấu trúc đơn giản không phân cực có khả năng tạo cộng hưởng điện và cộng hưởng từ ở vùng THz. Bản chất cộng hưởng điện và từ cũng như sự phụ thuộc của các cộng hưởng này vào tham số hình học của cấu trúc được tập trung làm rõ. Kết quả mô phỏng và tính toán lý thuyết bằng mô hình mạch tương đương cũng được so sánh.

Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC TỚI CỘNG HƯỞNG ĐIỆN-TỪ CỦA VẬT LIỆU THz METAMATERIAL KHÔNG PHÂN CỰC Trần Văn Huỳnh,1,2 Nguyễn Thanh Tùng,2,* Vũ Đình Lãm2,* Tóm tắt: Vật liệu metamaterials hoạt động vùng THz quan tâm nghiên cứu ứng dụng thú vị xạ nhiệt hiệu suất cao, cảm biến hóa sinh độ nhạy cao, kỹ thuật cảm biến phân tử khác Trong báo này, nghiên cứu mô cấu trúc vật liệu metamaterial không phân cực hoạt động vùng tần số vài THz Cấu trúc vật liệu có dạng đĩa phẳng hai chiều đơn giản, dễ dàng chế tạo thực nghiệm Tần số cộng hưởng điện từ cấu trúc vật liệu dạng đĩa phẳng xác định phương pháp mơ kết hợp với tính tốn dựa vào mơ hình mạch điện tương đương Sự ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tần số cộng hưởng điện từ khảo sát chi tiết, làm sở tham khảo quan trọng cho nghiên cứu thực nghiệm tương lai Từ khóa: Vật liệu metamaterials; Cộng hưởng điện; Cộng hưởng điện từ; Tần số THz I GIỚI THIỆU Tính chất điện từ vật liệu tự nhiên thường định tính chất nguyên tử cấu trúc mạng tinh thể chúng Với mong muốn tạo vật liệu với tính chất điện từ lạ không tồn tự nhiên, hướng nghiên cứu vật liệu nhân tạo metamaterials (MMs) thu hút quan tâm nhiều tổ chức nhà khoa học Vật liệu MMs tạo thành xếp cấu trúc nhỏ bước sóng, cách thay đổi tính chất tham số hình học cấu trúc dẫn đến tính chất điện từ đặc biệt chiết suất âm, bẻ cong ánh sáng, bẫy ánh sáng, xạ đảo ngược Cherenkov [1] Tính chất vật liệu MMs có chiết suất âm tiên đốn mặt lý thuyết từ năm 1968 Veselago [2], đến năm 2000 vật liệu lần chế tạo Smith cộng Một siêu thấu kính dựa tính chất điện từ đặc biệt vật liệu MMs đề xuất Pendry vào năm 2000 [3] sau kiểm chứng thực nghiệm vào năm 2005 Zhang cộng Một năm sau vào năm 2006 “áo khoác tàng hình”, ứng dụng vật liệu MMs đề xuất kiểm chứng Schurig cộng [4] Có thể thấy vật liệu MMs hứa hẹn có nhiều tiềm lĩnh vực tàng hình, lọc tần số, cảm biến sinh học … [5,6] Gần vật liệu MMs ý nhiều vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ [7] Cho đến nghiên cứu MMs cho thấy lợi ích rõ ràng so với vật liệu thông thường nhiều lĩnh vực y tế, lượng, quân với khả chọn lọc tần số, mở rộng dải hấp thụ Khảo sát cho thấy Việt Nam, có nhiều nghiên cứu thực nghiệm tính tốn tính chất điện từ siêu vật liệu MMs hầu hết dừng lại vùng sóng điện từ GHz [8-11] Một số nghiên cứu tiềm ứng dụng siêu vật liệu MMs vùng THz, đạt số kết định tính tốn mơ Trong nghiên cứu nghiên cứu cấu trúc đơn giản khơng phân cực có khả tạo cộng hưởng điện cộng hưởng từ vùng THz Bản chất cộng hưởng điện từ phụ thuộc cộng hưởng vào tham số hình học cấu trúc tập trung làm rõ Kết mơ tính tốn lý thuyết mơ hình mạch tương đương so sánh Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 163 Vật lý II PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN (a) (b) (c) Hình (a) Thiết kế sở theo hình chiếu nghiêng đứng, (b) sở theo nhìn theo phương ngang, (c) kết mơ phổ truyền qua cấu trúc DS Một ô sở cấu trúc hình đĩa (disk shape, DS) thiết kế Hình 1(a) Hình 1(b), với đế điện mơi silicon hình vng cạnh a có bề dày xác định td, phía đĩa kim loại vàng có bề dày tm Hằng số điện môi Si phụ thuộc vào tần số sóng điện từ chiếu tới thay đổi khơng lớn, với sóng điện từ khoảng tần số từ 1.7 THz đến 2.5 THz giá trị số điện mơi Si vào khoảng 11.9 Tồn cấu trúc sau nhúng mơi trường tham chiếu chọn làm chân không Các mô số thực thông qua phần mềm thương mại dựa kỹ thuật tích phân hữu hạn (CST Microware Studio) [12], áp dụng điều kiện biên ô sở theo hướng véc tơ cường độ điện trường cường độ từ trường (a) (b) Hình Mơ phân bố dịng điện bề mặt (a) phân bố cường độ điện trường (b) tần số cộng hưởng 2.12 THz cấu trúc DS III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các tham số hình học cấu trúc mơ tả Hình 1(a,b) với lớp điện mơi Si hình vng cạnh a = 120 µm, bề dày td = µm, đĩa kim loại vàng với độ dẫn điện 4.561x107 [S/m] có đường kính d = 45µm, bề dày tm = 0.1 µm Kết mô xác định phổ truyền qua sóng điện từ với tần số từ 1.7 THz đến 2.5 THz biểu diễn Hình 1(c) cho thấy có cộng hưởng với sóng điện từ tần số 2.12 THz Kết tiếp tục mô xác định phân bố dòng điện bề mặt phân bố điện trường tần số cộng hưởng Hình 2(a) cho thấy dòng điện tập trung hai cạnh đĩa vàng dọc theo phương thẳng đứng, xuất phát từ đầu đĩa tận đầu lại, nơi mà điện trường tập trung Hình 2(b) Từ phân bố dịng điện thấy cộng hưởng sóng 164 T V Huỳnh, N T Tùng, V Đ Lãm, “Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện từ tần số 2.12 THz cấu trúc DS tương tự lưỡng cực điện cộng hưởng điện C L b C Hình Mơ hình mạch điện tương đương cấu trúc đĩa tròn cho cộng hưởng điện Kết cộng hưởng giải thích định tính mơ hình mạch điện tương đương hình 3, đĩa tròn kim loại tương đương cuộn cảm với độ tự cảm L tụ điện với điện dung C hình thành hai đĩa trịn hai ô sở khác Tần số cộng hưởng điện xác định tương tự [13] f e  1/ (2 L.C ) Trong hệ số tự cảm L không phụ thuộc vào kích thước đĩa, điện dung C tụ điện hàm phụ thuộc vào khoảng cách hai đĩa trịn hai sở nhau, số điện môi bề dày đế điện mơi Để kiểm chứng mơ hình này, ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tần số cộng hưởng khảo sát mô Kết q trình mơ trình bày Hình Có thể thấy thay đổi a, td, , tần số cộng hưởng điện thay đổi mạnh điện dung C thay đổi Ngược lại, thay đổi đường kính đĩa d, tần số cộng hưởng điện không thay đổi độ tự cảm L khơng thay đổi Kết hồn tồn phù hợp với mơ hình mạch LC cho cộng hưởng điện trình bày Trên sở kết mơ tính tốn cộng hưởng điện cấu trúc DS, thiết kế cấu trúc metamaterial dạng cặp đĩa (disk pair, DP) tạo cộng hưởng từ không phân cực Cấu trúc DP tạo thành cách tiếp tục phủ lên bề mặt đĩa kim loại cấu trúc Hình 1(a,b) lớp điện môi SiO2 đĩa kim loại vàng với kích thước đường kính Hình 5(a) Chất điện môi SiO2 lựa chọn phù hợp với thực nghiệm: có số điện mơi 3.9, độ tổn hao tangent 0.02 có bề dày ts = 2µm Đĩa vàng có kích thước với đĩa vàng trước đường kính bề dày Kết mô CST cho độ truyền qua cấu trúc DP vùng sóng điện từ tần số từ 1.7 THz đến 2.5 THz Hình 5(b) so sánh với độ truyền qua dải tần số cấu trúc DS trước Kết cho thấy từ đỉnh cộng hưởng điện 2.12 THz cấu trúc DS tách thành hai đỉnh cộng hưởng cấu trúc DP tần số 1.94 THz 2.15 THz Một cách xác định chất đỉnh cộng hưởng cấu trúc phân tích kết mơ phân bố dòng điện bề mặt, phân bố lượng điện trường lượng từ trường định cộng hưởng Kết qủa kiểm chứng độc lập cách tính tốn tần số cộng hưởng điện từ từ mạch LC tương đương Kết mô phân bố dòng điện bề mặt tần số cộng hưởng cấu trúc DP Hình 6(a) Hình 7(a) cho thấy tần số 1.94 THz tần số cộng hưởng từ với phân bố dòng điện đối song hai mặt hai đĩa kim loại, ngược lại tần số 2.15 THz phân bố dòng điện bề mặt dòng điện song song nên tần số xảy cộng hưởng điện Quan Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 165 Vật lý sát phân bố lượng điện từ tần số cộng hưởng Hình 6(b,c) Hình 7(b,c) cho thấy rõ ràng tần số 1.94 THz cặp đĩa tròn cấu trúc tương đương lưỡng cực từ cảm ứng với lượng từ trường tập trung vùng không gian hai đĩa tròn, ngược lại tần số 2.15 THz, cặp đĩa tròn cấu trúc tương ứng lưỡng cực điện cảm ứng, lượng điện từ tập trung mép đĩa trịn khơng tập trung hai đĩa (b) (a) (c) (d) Hình Kết mơ ảnh hưởng tham số cấu trúc DS lên tần số cộng hưởng điện cấu trúc (a) thay đổi khích thước sở a, (b) thay đổi đường kính đĩa trịn d, (c) thay đổi bề dày lớp điện môi td (d) thay đổi số điện môi  Đồng thời với q trình mơ phỏng, kiểm chứng chất cộng hưởng từ cấu trúc DP tần số 1.94 THz, mơ hình mạch điện tương đương đề xuất Hình 5(c) với hai cuộn cảm hai đĩa tròn kim loại mà hệ số tự cảm tính tốn cách giả thiết cuộn dây có vịng dây [14], gần  L    2.ts  tm  , tụ điện C hình thành hai đầu đĩa vàng tích điện trái dấu, c1d giá trị điện dung điện xác định C    s với t s , tm , d tương ứng 8ts Hình 8(a) Từ tần số cộng hưởng từ xác định f m  166 2c ts 2 d  s c1  ts  2tm  T V Huỳnh, N T Tùng, V Đ Lãm, “Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ c   0  3.108 m / s , c1 hệ số tỉ lệ diện tích tập trung điện tích tổng diện tích đĩa Theo [13], hệ số có giá trị từ 0.1 đến 0.2 Đối với cấu trúc DP, kết mô phân bố lượng điện từ Hình cho thấy giá trị c1 rơi vào khoảng 0.10 - 0.12 Kết cho ta tần số cộng hưởng từ khoảng 1.9 THz, phù hợp với tần số cộng hưởng từ mô thu Hình 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 điện môi ts số điện môi s (a) (b) (c) Hình (a) Thiết kế sở cấu trúc DP phát triển từ cấu trúc DS; (b) tách đỉnh cộng hưởng từ cấu trúc DS đến cấu trúc DP (c) mơ hình mạch điện tương đương cấu trúc DP (a) (b) (c) Hình Mơ phân bố mật độ dịng điện (a), phân bố cường độ điện trường (b) phân bố cường độ từ trường (c) tần số cộng hưởng 1.94 THz cấu trúc DP Phân tích mơ hình mạch điện tương đương với mơ CST cho kết tương đồng cộng hưởng từ ảnh hưởng tham số cấu trúc lên cộng hưởng Rõ ràng kết tính tốn mơ hình mạch điện tương đương cho thấy tần số cộng hưởng từ phụ thuộc vào đường kính đĩa vàng độ điện môi đĩa điện môi hai đĩa vàng phù hợp với kết mô Hình Hình Sự thay đổi tần số cộng hưởng từ vào đường kính đĩa trịn khảo sát cụ thể Hình 8(b) cho thấy tần số cộng hưởng tỉ lệ với d 1 , điều phù hợp với kết tình tốn dựa vào mơ hình mạch Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 167 Vật lý điện tương đương Tần số cộng hưởng từ cấu trúc mô khảo sát theo kích thước sở a Hình 8(a) cho a không ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng từ Điều lý giải điện dung C cộng hưởng từ tạo điện trường tích tụ hai đầu đĩa trịn ô sở Ngược lại, phụ thuộc cộng hưởng điện vào kích thước a cho thấy nhận định điện dung C cộng hưởng điện tạo điện trường tích tụ đầu đĩa trịn sở lân cận xác (a) (c) (b) Hình Mơ phân bố mật độ dòng điện (a), phân bố cường độ điện trường (b) phân bố cường độ từ trường (c) tần số cộng hưởng 2.15 THz cấu trúc DP (b) (a) (d) (c) (d) Hình Sự ảnh hưởng tham số hình học cấu trúc lên cộng hưởng từ gồm: (a) kích thước sở a; đường kính đĩa trịn d (b); bề dày lớp điện môi đế td (c) bề dày lớp điện mơi hai đĩa trịn ts (d) 168 T V Huỳnh, N T Tùng, V Đ Lãm, “Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ (b) (a) Hình Sự ảnh hưởng số điện môi lên cộng hưởng từ cấu trúc: (a) số điện môi lớp điện môi đế (b) số điện môi lớp điện mơi hai đĩa trịn Việc khảo sát ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng từ bề dày điện môi đế độ điện mơi tương tự mơ Hình 8(c) Hình 9(a), kết cho thấy tham số gần không ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng từ cấu trúc Một điều đáng ý bề dày lớp điện môi hai đĩa vàng không ảnh hưởng nhiều đến tần số cộng hưởng từ, Hình 8(d), phù hợp với cơng thức tính fm bên Tuy nhiên ảnh hưởng lớn đến biên độ cộng hưởng đó, tán xạ electron hai cực cách xa trở nên mạnh IV KẾT LUẬN Bằng việc mơ kết hợp với tính tốn dựa vào mơ hình mạch điện tương đương, cộng hưởng sóng điện từ cấu trúc MMs không phân cực dạng đĩa phẳng khảo sát Cấu trúc vật liệu thiết kế phù hợp với công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến Kết cho thấy tần số cộng hưởng điện cộng hưởng từ cấu trúc đĩa phẳng cặp đĩa phẳng kim loại chịu ảnh hưởng mạnh mẽ tham số kích thước đĩa độ điện môi đĩa điện môi Kết hồn tồn kiểm tra thực nghiệm chế tạo mẫu từ cho phép khả điều khiển tần số cộng hưởng từ cấu trúc không phân cực thông qua tham số cấu trúc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Y Liu, X Zhang, Chem Soc Rev 40 (2011) 2494 V G Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ”, Sov Phys Usp 10, 509 (1968) J B Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens”, Phys Rev Lett 85, 3966 (2000) J B Pendry, D Schurig, D R Smith, “Controlling electromagnetic fields”, Science 312, 1780 (2006) J Bonache, I Gil, J Garcia-Garcia, and F Martin, "Novel microstrip bandpass filters based on omplementary split-ring resonators", IEEE Trans Mi-cro Theory Tech 54, 265 (2006) H J Lee, and J G Yook, "Biosensing using split-ring resonators at microwave regime", Appl Phys Lett 92, 254103 (2008) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 169 Vật lý [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] N Landy, S Sajuyigbe, J Mock, D Smith, W Padilla, “Perfect metamaterial absorber”, Phys Rev Lett.100, 207402 (2008) D.T Viet, N.V Hieu, V.D Lam, N.T Tung, Appl Phys Express (2015) 032001 V Qui, L.D Hai, D.H Tiep, T.T Giang, L Yue, L.D Tuyen, V.D Lam, Physica B 532 (2018) 90-94 D T Viet, N T Hien, P V Tuong, N Q Minh, Y P Lee, P T Trang, and V D Lam, Optics Communications (2014) D.T Anh, D.T Viet, P.T Trang, N.M Thang, H.Q Quy, N.V Hieu, V.D Lam, N.T Tung, AIP Adv (2015) 077119 www.cst.com J Zhou, N.Economon, T.Koschny, M.Soukoulis, Unifying approach to left-handed material design, Optics letters 24, 3620 (2006) N T Tung, T Tanaka, Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications 28, 100–105 (2018) ABSTRACT INFLUENCE OF STRUCTURAL PARAMETERS ON ELECTRIC AND MAGNETIC RESONANCES OF THZ SYMMETRIC METAMATERIALS Metamaterials operating at THz frequencies have been of great interest due to their interesting applications in high-efficiency thermal radiation, high-sensitivity bio-chem sensors, and molecular detection In this report, we numerically investigate an unpolarized THz metamaterial The unit cell of the proposed metamaterial is composed of periodically-arranged flat disks, which are suitable for micro fabrication The electric and magnetic resonant frequencies of disk shaped metamaterials are determined by finite integration simulations and equivalent circuit model The influence of structural parameters on resonant frequencies has been examined in details, which will be useful for future experimental studies Kewywords: metamaterials, electric resonance, magnetic resonance, THz frequencies Nhận ngày 03 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 30 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 10 năm 2018 Địa chỉ: 1Đại học Phòng cháy Chữa cháy, Hà Nội, Việt Nam; Viện Khoa học vật liệu Học viện KHCN, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam * Email: tungnt@ims.vast.ac.vn; lamvd@ims.vast.ac.vn 170 View publication stats T V Huỳnh, N T Tùng, V Đ Lãm, “Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực.” ... Lãm, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ (b) (a) Hình Sự ảnh hưởng số điện môi lên cộng hưởng từ cấu trúc: (a) số điện môi lớp điện môi đế (b) số điện môi lớp... đương, cộng hưởng sóng điện từ cấu trúc MMs không phân cực dạng đĩa phẳng khảo sát Cấu trúc vật liệu thiết kế phù hợp với công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến Kết cho thấy tần số cộng hưởng điện cộng. .. Hình 2(b) Từ phân bố dịng điện thấy cộng hưởng sóng 164 T V Huỳnh, N T Tùng, V Đ Lãm, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … không phân cực. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện từ tần số 2.12 THz cấu trúc DS tương