Thông tin tài liệu
MỞ ĐẦU Hiện để đạt kết cao cơng nghệ ứng dụng ngồi kĩ thuật sẵn có, vấn đề quan trọng tìm loại vật liệu có tính Một số vật liệu nghiên cứu chế tạo mà phải nói đến siêu vật liệu Siêu vật liệu vật liệu nhân tạo, loại siêu vật liệu nghiên cứu nhiều vật liệu có chiết suất âm (negative refraction) Dựa ý tưởng ban đầu Veselago, vật liệu chiết suất âm kết hợp hoàn hảo hai thành phần điện từ, tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm độ điện thẩm âm (μ< 0, ε< 0) dải tần số Từ dẫn đến tính chất điện từ quang học bất thường, có nghịch đảo định luật Snell, nghịch đảo dịch chuyển Doppler, hay nghịch đảo phát xạ Cherenkov Nhờ vào tính chất kỳ diệu này, siêu vật liệu có chiết suất âm hứa hẹn nhiều tiềm ứng dụng như: siêu thấu kính, antenna, thành phần chế tạo “áo khốc tàng hình”, cảm biến, chậm hay dừng ánh sáng…Tuy nhiên, trước đưa vật liệu vào ứng dụng rộng rãi, tồn đọng nhiều vấn đề cần giải cách thỏa đáng Như cách để chế tạo cách đơn giản, dễ dàng có tính đối xứng cao, giảm tiêu hao, mở rộng vùng tần số hoạt động vật liệu hay tìm kiếm ứng dụng mới… Đối với vấn đề mở rộng vùng tần số hoạt động, phương pháp thông thường tích hợp nhiều cấu trúc đơn lẻ vào ô sở hay sử dụng phương pháp tối ưu hóa theo cơng thức Gielis Tuy nhiên phương pháp hạn chế cấu trúc phức tạp, hay đòi hỏi điều chỉnh tham số cách khắt khe hay tính đối xứng nên khó khăn việc chế tạo đặc biệt vùng tần số cao…Gần phương pháp lai hóa plasmon sử dụng hiệu để mở rộng vùng tần số hoạt động siêu vật liệu Tuy nhiên hầu hết cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc hay tổn hao lên hiệu mở rộng vùng tần số hoạt động dựa lai hóa chưa có cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng tác động ngoại vi đến điều Tác động ngoại vi nhiệt, điện, quang… bao gồm tác động mong muốn (tác động vào có chủ đích để thay đổi tính chất vật liệu) hay tác động không mong muốn (tác động yếu tố mơi trường) Vì vậy, việc luận văn chọn hướng nghiên cứu điều khiển tính chất vật liệu tác động ngoại vi vấn đề cấp thiết có ý nghĩa kể mặt khoa học thực tiễn Với lý đó: Mục đích nghiên cứu lận văn: Nghiên cứu điều khiển hiệu mô hình lai hóa đến việc mở rộng vùng từ thẩm âm chiết suất âm siêu vật liệu dựa tác động nhiệt Cụ thể điều khiển mở rộng vùng từ thẩm âm chiết suất âm dựa mơ hình lai hóa sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp lưới đĩa hai lớp tác động nhiệt Phạm vi nghiên cứu: Siêu vật liệu có từ thẩm âm có cấu trúc cặp đĩa hai lớp siêu vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc lưới đĩa hai lớp vùng hồng ngoại Phƣơng pháp nghiên cứu: Kết hợp mô tính tốn Mơ sử dụng chương trình phần mềm CST tính tốn dựa thuật tốn truy hồi Chen mơ hình mạch điện LC Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu điều khiển hiệu mơ hình lai hóa đến việc mở rộng vùng từ thẩm âm chiết suất âm siêu vật liệu dựa tác động nhiệt Nội dung luận văn gồm chương: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết thảo luận CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan siêu vật liệu Siêu vật liệu vật liệu có cấu trúc nhân tạo hình thành cách xếp quy luật hóa trật tự cấu trúc Hình dạng kích thước sở đóng vai trị “ngun tử” vật liệu truyền thống Nhưng tính chất siêu vật liệu định chủ yếu hình dạng, cấu trúc thành phần vật liệu cấu tạo nên Hiện có nhiều hướng nghiên cứu khác siêu vật liệu.Trong đó, hướng nghiên cứu siêu vật liệu nhà khoa học quan tâm siêu vật liệu (siêu vật liệu) có chiết suất âm Siêu vật liệu có chiết suất âm chế tạo thành công năm 2000 Smith [1], tính chất tiên đốn mặt lý thuyết vào năm 1968 Veselago [2] Siêu vật liệu có chiết suất âm kết hợp hồn hảo hai thành phần điện từ tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ< 0) độ điện thẩm âm (ε< 0) dải tần số Vật liệu sở hữu nhiều tính chất bất thường nghịch đảo định luật Snell, nghịch đảo dịch chuyển Doppler, nghịch đảo xạ Cherenkov, đặc biệt ba vector sóng điện từ: E , H , k tuân theo quy tắc tam diện nghịch Nhờ vào tính chất đặc biệt kể trên, vật liệu hứa hẹn nhiều ứng dụng mang tính đột phá thực tế Một ứng dụng bật vật liệu siêu thấu kính đề xuất Pendry vào năm 2000, sau Zhang cộng sựkiểm chứng thực nghiệm vào năm 2005 Một ứng dụng độc đáo khác sử dụng siêu vật liệu “áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloaking), đề xuất kiểm chứng Schurig cộng năm 2006 [3] Bên cạnh đó, loạt ứng dụng quan trọng khác siêu vật liệu nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ, cộng hưởng cảm biến, chậm dừng ánh sáng, ăngten, lọc tần số Từ đến nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu siêu vật liệu sâu giải thích chế vật lý hoàn thiện phát triển thêm ứng dụng Hình 1.1 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ Có nhiều cách để phân loại siêu vật liệu, cách mà người ta hay sử dụng dựa vào giá trị độ từ thẩm độ điện thẩm Hình 1.1 trình bày giản đồ đơn giản cho phép ta phân loại vật liệu theo tham số điện từ: độ điện thẩm ε độ từ thẩm μ Góc phần tư thứ hai giản đồ (ε < 0, μ > 0) thể tính chất mơi trường có độ điện thẩm âm, tính chất xuất kim loại tần số plasma Góc phần tư thứ tư (ε > 0, μ < 0) thể tính chất mơi trường có độ từ thẩm âm, tính chất tồn số loại vật liệu từ tần số thấp (cỡ MHz).Trong hai trường hợp mơi trường có hai giá trị độ từ thẩm độ điện thẩm âm, giá trị cịn lại dương, sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt truyền vào loại vật liệu Trường hợp đặc biệt, độ điện thẩm độ từ thẩm có giá trị âm (ε < 0, μ < 0), môi trường gọi môi trường chiết suất âm kép biểu diễn góc phần tư thứ ba Giống vật liệu chiết suất dương, sóng điện từ truyền vào vật liệu có tổn hao.Tuy nhiên có điểm khác biệt hướng truyền sóng hướng truyền lượng ngược chiều mơi trường có chiết suất âm Dựa giản đồ biểu diễn hình 1.1 siêu vật liệu phân thành loại chính: - Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric siêu vật liệu): ε < - Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic siêu vật liệu): μ < - Vật liệu có chiết suất âm (left-handed siêu vật liệu): n < 1.2 Tổng quan siêu vật liệu có chiết suất âm 1.2.1 Vật liệu có độ điện thẩm âm Trong tự nhiên, thu độ điện thẩm âm kim loại tần số plasma Hàm số độ điện thẩm ε vật liệu kim loại phụ thuộc vào tần số ω sóng chiếu tới biểu diễn theo phương trình sau: p2 ( ) ( i ) (1.1) Với γ tần số dập tắt, ωp tần số plasma xác định công thức: p Ne me (1.2) Trong đó, N mật độ điện tử, e giá trị điện tích, ε0 độ điện thẩm chân khơng me khối lượng điện tử Tần số plasma kim loại thường vùng khả kiến tử ngoại Tuy nhiên, tần số vùng hồng ngoại gần thấp hơn, hàm số điện môi hoàn toàn ảo tổn hao lớn Ví dụ vùng sóng vi ba, Pendry đề xuất mơ hình lưới dây kim loại mỏng hình 1.2(a) Mơ hình bao gồm dãy dây kim loại mỏng, dài vô hạn, đặt song song cách Môi trường lưới dây kim loại có khả hạ thấp đáng kể tần số plasma Tần số plasma hiệu dụng tạo lưới dây kim loại mỏng tính tài liệu tham khảo [4] có dạng: 2 c02 (eff ) a ln(a / r ) p (1.3) Trong đó, c0 vận tốc ánh sáng chân không, a khoảng cách dây, r bán kính dây kim loại Độ điện thẩm hiệu dụng mơ hình lưới dây kim loại tính cơng thức đây: p2 eff ( ) ( i a 2 p2 / r 2 ) (1.4) Với σ độ dẫn kim loại, góp phần đặc trưng cho tính chất tổn hao kim loại (a) (b ) Hình 1.2 (a) Cấu trúc lưới dây kim loại mỏng xếp tuần hoàn (b) độ điện thẩm hiệu dụng lưới dây bạc theo tần số với r = µm, a = 40 mm độ dẫn bạc σ = 6,3×107 Sm-1[4] Hình 1.2(b) trường hợp dây kim loại nhúng mơi trường khác khơng khí với độ điện thẩm εh, số hạng vế phải phương trình (1.4) thay εh 1.2.2 Vật liệu có độ từ thẩm âm Độ từ thẩm, thường ký hiệu μ đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm từ trường vào vật liệu, hay nói lên khả phản ứng vật liệu tác dụng từ trường Khái niệm từ thẩm thường mang tính chất kỹ thuật vật liệu, nói lên quan hệ cảm ứng từ (đại lượng sản sinh ngoại) từ trường Hầu hết vật liệu thông thường tự nhiên có độ từ thẩm dương, có số vật liệu tồn độ từ thẩm âm Bên cạnh đó, tính chất từ vật liệu thường tồn tần số thấp hầu hết bị dập tắt vùng tần số lớn GHz Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) cấu trúc SRR dãy tuần hoàn [5] Mặc dù vậy, tượng từ thu từ vật liệu phi từ cách kích thích dòng điện tròn nhằm tạo moment lưỡng cực Dựa nguyên lý này, vào năm 1999 Pendry đề xuất mơ hình tạo độ từ thẩm âm vùng tần số GHz [5] gồm dãy tuần hồn cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (Split - Ring Resonator – SRR) đơn lồng vào (hình 1.3) Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động SRR để tạo µ < [6] Hình 1.4 trình bày nguyên lý hoạt động SRR để tạo độ từ thẩm âm Khi đặt từ trường biến thiên hướng theo trục SRR, vòng cộng hưởng sinh dòng điện Đồng thời dịng điện thân lại cảm ứng lưỡng cực từ Dưới tần số cộng hưởng ω0, cường độ lưỡng cực từ tăng dần theo tần số pha với trường kích thích Cấu trúc SRR biểu đặc trưng thuận từ Khi tần số tiệm cận ω0, dòng điện sinh vòng khơng thể theo kịp trường ngồi bắt đầu bị trễ Trên tần số cộng hưởng, lưỡng cực từ trễ hồn tồn ngược pha so với trường kích thích Cấu trúc SRR lúc mang tính chất nghịch từ Trường hợp sau sử dụng để tạo độ từ thẩm âm, lân cận tần số cộng hưởng, tính nghịch từ tăng cường cách đáng kể đủ để tạo độ từ thẩm nhỏ khơng (µ < 0) Lưu ý rằng, kích thước SRR độ tuần hoàn chúng nhỏ nhiều lần bước sóng vùng tần số hoạt động điều cho phép ta miêu tả mơ hình tham số hiệu dụng µeff Độ từ thẩm hiệu dụng mơ hình SRR tính sau: eff 1 2 i 0 F 0 2Cr r2 F a C (1.5) (1.6) 0 d dc0 0 (1.7) Hình 1.5 Dạng tổng qt độ từ thẩm hiệu dụng cho mơ hình SRR với giả thiết vật liệu khơng có tổn hao [6] Ngồi ra, cấu trúc sử dụng để tạo độ điện thẩm âm Khi điện trường đặt vào song song với cạnh chứa rãnh, dòng điện cảm ứng mạch.Tại tần số cộng hưởng, ta thu ε < Điểm khác biệt yếu tố cộng hưởng với mơ hình lưới dây kim loại đề xuất nằm độ rộng vùng điện thẩm âm Do chất cộng hưởng, cấu trúc cộng hưởng tạo ε < dải tần số hẹp Trong số trường hợp, điều gây khó khăn việc tạo n < 0, yêu cầu vùng ε < µ < phải trùng lên 1.2.3 Vật liệu có chiết suất âm Ta thấy rằng, chiết suất mơi trường tính theo cơng thức n Nếu dựa vào công thức này, giá trị chiết suất dường dương ε < μ < Mặc dù vậy, ta phải thận trọng việc xác định dấu thực bậc hai Để xác định xác dấu n, ta cần phải dựa vào ý nghĩa vật lý vật liệu Các vật liệu thường thể tính chất thụ động, có nghĩa sóng điện từ truyền vật liệu có xu hướng tắt dần theo hàm mũ nên đại lượng ε, μ n biểu diễn hàm phức Hình 1.6 Giản đồ giải thích phần thực âm chiết suất Các mũi tên cho thấy vị trí độ điện thẩm ε độ từ thẩm μ mặt phẳng phức Như quan sát giản đồ tạo chiết suất âm hình 1.6, giá trị ε, μ n nằm góc phần tư thứ hai giản đồ Hay nói cách khác, phần thực chiết suất thực âm (chiết suất âm kép) độ từ thẩm điện thẩm đồng thời có giá trị âm Để xác định điều kiện tổng quát để đạt vật liệu chiết suất âm phải biểu diễn giá trị độ điện thẩm, độ từ thẩm chiết suất dạng phức: ' i '' '2 ''2 eiE (1.8) ' i '' '2 ''2 ei (1.9) n n ' in '' n '2 n ''2 ein n '2 n ''2 ei (M E )/2 (1.10) M Ở đây, M , E pha từ trường điện trường tương ứng, chúng thỏa mãn điều kiện M , E để tổn hao dương Do đó: n ( ' i '')( ' i '') e(in /2) ( ' ' '' '') ( ' '' '' ') (1.11) Hoặc viết biểu thức chiết suất dạng khác: n r (cosn i sin n ) (1.12) Với : r ( ' ' '' '')2 ( ' '' '' ')2 (1.13) Từ đó, ta có điều kiện tổng quát để đạt chiết suất âm môi trường là: cos n k sin n k (k Z ) Hay nói cách khác : 2 2 ' '' '' ' (1.14) Công thức (1.14) cho thấy, phân chia vùng tần số có chiết suất âm thành hai vùng: chiết suất âm đơn chiết suất âm kép Trong vùng chiết suất âm kép, hai giá trị phần thực ' ' có giá trị âm cịn giá trị phần ảo ( '', '' ) dương Vùng chiết suất âm đơn đạt có hai giá trị âm ' ' giá trị phần ảo ( '', '' ) trường hợp cần có giá trị dương lớn để thỏa mãn điều kiện (1.14) Tuy nhiên, vùng chiết suất âm đơn, chiết suất âm đạt giá trị lớn '' '' dẫn tới tổn hao đáng kể Do đó, vật liệu chiết suất âm đơn không khả thi ứng dụng liên quan đến truyền qua 1.3 Mơ hình lai hóa siêu vật liệu 1.3.1 Mơ hình lai hố bậc ứng với cấu trúc CWP Cấu trúc CWP biến đổi từ cấu trúc SRR nên có vai trị “ngun tử meta từ” (magnetic meta-atom) dùng để tạo độ từ thẩm âm Mặc dù 10 Hình 3.7 Mơ phổ truyền qua cấu trúc DPD vào lớp đệm hai lớp cấu trúc (a) TPX, (b) Quart (c) Saphia 3.4 Nghiên cứu điều khiển hiệu hiệu mở rộng vùng chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc lƣới đĩa hai lớp Hình 2.2 (d) (e) minh họa sở cấu trúc lưới đĩa hai lớp , cấu trúc mong đợi có khả điều khiển hiệu hiệu mở rộng vùng chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai thay đổi nhiệt độ thành phần bán dẫn InSb cấu trúc Trong cấu trúc này, hai cặp đĩa có khả tạo vùng từ thẩm âm rộng lai hóa hai lớp hoạt động mạnh nghiên cứu mục 3.2, dây liên tục cung cấp tần số plasma nhân tạo [4] Để thu vùng chiết suất âm rộng cấu trúc DND phải đảm bảo đồng thời hai điều kiện: thứ hiệu lai hóa phải đủ mạnh để tách mode cộng hưởng tạo vùng cộng hưởng từ rộng, thứ hai vùng cộng hưởng từ tách phải nằm tần số plasma Một thuận lợi siêu vật liệu hưởng ứng điện từ điều chỉnh 50 độc lập tham số cấu trúc Trong cấu trúc DND, vùng cộng hưởng từ điều chỉnh khoảng cách hai lớp mà không ảnh hưởng đến tần số plasma [46.], tần số plasma tổng cộng cấu trúc chỉnh độ rộng dây liên tục w [50] mà không ảnh hưởng đến vùng cộng hưởng từ Bởi trước tiến hành điều khiển hiệu hiệu mở rộng vùng chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai nhiệt, luận văn điều chỉnh tham số cấu trúc cho vùng cộng hưởng từ nằm tần số plasma nhiệt độ ban đầu T =300 K Như vậy, nhiệt độ ban đầu vùng chiết suất âm tạo Tuy nhiên vùng hẹp theo kết nghiên cứu mục 3.2, ứng với nhiệt độ 300 K mơ hình lai hóa chưa hoạt động mạnh nên vùng từ thẩm âm thu hẹp Ngoài ra, để thu vùng truyền qua ứng với chiết suất âm có độ truyền qua cao, tơi thực tối ưu hóa tham số cấu trúc cho vùng từ thẩm âm điều kiện phối hợp trở kháng thỏa mãn (ε = µ) Sau đó, dựa vào kết nghiên cứu mục 3.2, thực tăng nhiệt độ chất bán dẫn InSb lên với mong muốn vùng từ thẩm âm mở rộng hiệu tách mức lượng cộng hưởng từ tăng vùng từ thẩm âm nằm tần số plamsma Kết mô phổ truyền qua phần thực chiết suất theo nhiệt độ đưa hình 3.8(a) Kết cho thấy, có đỉnh truyền qua ứng với chiết suất âm nhiệt độ T = 300 K Khi nhiệt độ tăng lên, vùng truyền qua ứng với chiết suất âm ngày mở rộng cuối tách thành hai đỉnh Kết vùng chiết suất âm mở rộng đáng kể Để lý giải cho tượng này, luận văn tính tốn phần thực từ thẩm điện thẩm phụ thuộc vào nhiệt độ hình 8(b) Kết cho thấy hiệu mở rộng vùng từ thẩm âm theo nhiệt độ hoàn toàn giống với nghiên cứu mục 3.2 Khi nhiệt độ thấp, nồng độ hạt tải (T = 300K), lai hóa hai lớp cấu trúc yếu nên vùng cộng hưởng từ ứng với từ thẩm âm hẹp Khi nhiệt độ tăng từ 300K - 450K, nồng độ hạt tải tăng làm cho dịng đối song hoạt động mạnh kích thích lai hóa hai lớp Hệ làm vùng cộng hưởng từ ứng với từ thẩm âm mở rộng quan sát hình 3.8(b) Hơn thế, có điểm đáng lưu ý dịch chuyển bước sóng ngắn vùng cộng hưởng từ tần số plasma tăng nhiệt độ InSb Khi nhiệt độ 51 tăng từ 300K - 450K, vùng từ thẩm âm nằm tần số plasma nên tạo vùng chiết suất âm mở rộng vùng chiết suất âm kép hoàn toàn tương ứng với mở rộng vùng từ thẩm âm Như điều chỉnh nhiệt độ bán dẫn InSb, độ rộng vùng có chiết suất hồn tồn điều chỉnh hệ điều chỉnh hiệu mô hình lai hóa bậc hai Thú vị vùng có chiết suất âm kép, vùng có ứng dụng thực tế mở rộng đáng kể nhiệt độ tăng từ 300K - 450K Tỉ số vùng có chiết suất âm kép tần số trung tâm tăng từ 3,4% đến 6,0% (vùng chiết suất âm đơn tăng từ 24,3% đến 29,2%) hình 3.8(c) Hình 3.8 Mơ phụ thuộc (a) Phổ truyền qua chiết suất, (b) Phần thực độ từ thẩm điện thẩm cấu trúc DND vào nhiệt độ (c) Tính tốn vùng có chiết âm kép theo tăng nhiệt độ Ngồi giải thích tượng mở rộng vùng chiết suất âm kép phương trình định lượng nhiệt độ tăng thơng qua mơ hình mạch điện LC trình bày chương Thứ mở rộng vùng từ thẩm âm giải thích sau: nhiệt độ tăng, nồng độ hạt tải tăng làm cho Lmk, Lnk, giảm theo công thức (2.5) (2.13) dẫn đến L tổng cộng giảm k tăng theo công thức 52 (2.8) Tương tự DPD, k tăng làm khoảng cách hai mode tách tăng hay nói khác hiệu lai hóa theo cơng thức (2.10) ( | | k0 ) Hơn dịch vùng cộng hưởng từ phía bước sóng ngắn giải thích kỹ lưỡng mục 3.2 dịch tần số cộng hưởng từ tăng nồng độ hạt tải Thứ hai dịch số plasma phía bước sóng ngắn nồng độ hạt tải tăng để đảm bảo hai vùng từ thẩm âm chồng chập với điện thẩm âm tăng nhiệt độ giải thích chương Như vậy, qua nghiên cứu luận văn điều khiển hiệu hiệu mở rộng vùng chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc lưới đĩa hai lớp thông qua tác động nhiệt với thay đổi nồng độ hạt tải bán dẫn InSb Hầu hết kết nghiên cứu hiệu lai hóa để mở rộng vùng từ thẩm âm hay chiết suất âm tập trung nghiên cứu thay đổi tham số cấu trúc d td, kết nghiên cứu luận văn nghiên cứu dùng tác động ngoại vi Tiếp theo với mục đích để tối ưu hóa tham số cấu trúc cho vùng chiết suất âm rộng nhất, luận văn tiếp tục điều chỉnh khoảng cách hai lớp d chiều dày lớp điện môi nhiệt độ mẫu 450K Phổ truyền qua phần thực chiết suất phụ thuộc vào khoảng cách hai lớp d với td cố định 10 μm đưa hình 3.9(a) Bằng cách giảm khoảng cách hai lớp từ 20 đến μm, vùng truyền qua ứng với chiết suất âm kép ngày mở rộng Phần thực từ thẩm điện thẩm hình 3.9 (b) cho thấy mở rộng vùng từ thẩm âm hồn tồn phù hợp với mơ hình lai hóa bậc hai giảm khoảng cách d Có thể thấy rõ ràng cộng hưởng từ bị tách thành hai cộng hưởng từ mạnh giảm d Cuối cùng, nghiên cứu luận văn vùng từ thẩm âm rộng thu d = 5μm Mặt khác hình 3.9(b) cịn cho thấy tần số plasma không đổi d thay đổi ln lớn vùng tần số có từ thẩm âm Vì mở rộng vùng có từ thẩm âm đồng nghĩa với việc mở rộng vùng có chiết suất âm kép nên vùng truyền qua ứng với chiết suất âm mở rộng giảm d quan sát hình 9(a) Tỉ số vùng có chiết suất âm kép tần số trung tâm tăng từ 4,6% đến 8,3% (vùng chiết suất âm đơn tăng từ 23% to 33,9%) hình 3.9(c) 53 Hình 3.9 Mô phụ thuộc (a) phổ truyền qua chiết suất (b) phần thực độ từ thẩm, điện thẩm DND vào chiều dày lớp Polymethylpentene (c) tính tốn vùng có chiết suất âm kép tăng theo giảm chiều dày lớp Polymethylpentene Tiếp theo, cơng việc tối ưu hóa tham số cấu trúc tiếp tục thực điều chỉnh chiều dày lớp điện môi td giữ nguyên khoảng cách hai lớp d = μm Phổ truyền qua phần thực chiết suất phụ thuộc vào td đưa hình 3.10(a) Phần thực từ thẩm điện thẩm phụ thuộc vào td đưa hình 10(b) Có thể thấy vùng truyền qua có từ thẩm âm kép dịch chuyển phái tần số cao td tăng Điều giải thích tăng tần số cơng hưởng từ giải thích mục 3.2 quan sát dịch vùng từ thẩm âm hình 3.10(b) Trong nghiên cứu lai hóa hoạt động mạnh vùng khảo sát td từ μm đến 12 μm 54 Hình 3.10 Mơ phụ thuộc (a) phổ truyền qua chiết suất (b) phần thực độ từ thẩm, điện thẩm DND vào chiều dày lớp điện môi Pyrex glass (c) tính tốn vùng có chiết suất âm kép tăng theo tăng độ dày lớp Pyrex Vùng có từ thẩm âm ngày mở rộng td tăng Tuy nhiên, ý td tăng tần số plasma dịch mạnh phía tần số thấp Đối với khoảng giá trị khảo sát theo td tần số plasma vùng có từ thẩm âm, tiếp tục tăng td tần số plasma lấn sâu chí nhỏ vào vùng có từ thẩm âm Điều làm cho vùng có chiết suất âm kép bị thu hẹp lại biến kể hiệu lai hóa cịn mạnh Kết cho thấy có giá trị giới hạn td để tồn vùng chiết suất âm kép Trong nghiên cứu này, Tỉ số vùng có chiết suất âm kép tần số trung tâm tăng từ 7,0 % đến 10,4 % (nhưng vùng chiết suất âm đơn lại giảm 42,8 % đến 19,9 % hình 3.10 (a) dịch tần số plasma vùng tần số thấp) 55 3.5 Nghiên cứu điều khiển hiệu lai hóa để mở rộng vùng từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp gần vùng khả kiến Trong phần tiếp theo, luận văn nghiên cứu điều khiển hiệu lai hóa để mở rộng vùng từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp vùng hồng ngoại gần (cỡ 140 THz) Bằng cách giảm giá trị tham số cấu trúc cấu trúc cặp đĩa hai lớp theo hệ số tỷ lệ 0,01; dải tần số cộng hưởng siêu vật liệu tăng từ 1,4 THz lên 140 THz Nghĩa tham số hình học hoạt động khoảng 140THz có giá trị a = 0,62 µm, R= 0,25 µm, td = 0,10µm, tm = 0,02 µm, d = 0,1 µm Về mặt vật liệu, Theo [35], thấy phụ thuộc bán dẫn InSn vào nhiệt độ vùng tần số khơng cịn tn theo cơng thức (3.1) hoạt động vùng tần số nồng độ hạt tải gần bị bão hịa kích thích quang học Vì việc điều khiển tác động ngoại vi nhiệt độ giống phần nghiên cứu trước không thực Hơn lên vùng tần số vùng khả kiến, tính chất vật liệu hồn tồn khác với vùng tần số thấp việc nghiên cứu sử dụng vật liệu để tạo hiệu ứng lai hóa vùng vấn đề cần nghiên cứu Theo tài liệu [52], mô chế tạo thành công vật liệu chiết suất vùng này, luận văn sử dụng tham số vật liệu tài liệu để mô cho cấu trúc cặp đĩa hai lớp Cụ thể: sử dụng kim loại Ag với mơ hình Drude có tần số plasma ωpl =1.37x10-16 s-1 hệ số dập tắt ( 13 -1 =ωcol/2π) với ωcol = 9x10 s Điện mơi sử dụng MgF2 có chiết suất nMgF2 =1,38; lớp vật liệu hai lớp cấu trúc cặp đĩa thủy tinh có chiết suất 1.5 Các thông số đưa vào mô kết mô phổ truyền qua cấu trúc tương tác với sóng điện từ trình bày hình 3.11 Kết cho thấy quanh vùng 140THz thu hai đỉnh không truyền qua ứng với độ từ thẩm âm Độ rộng vùng hoàn toàn điều khiển tham số khoảng cách d chiều dày lớp điện môi td hình 3.11 (a) (b) Kết cho thấy mở rộng vùng từ thẩm âm hồn tồn giải thích theo giản đồ lai hóa bậc hai nghiên cứu Như vậy, nói mơ luận văn nghiên cứu tạo vùng có từ thẩm âm rộng quanh tần số 140THz điều khiển độ rộng vùng tham số cấu trúc d td 56 Hình 3.11 Mơ phụ thuộc phổ truyền qua vào (a) khoảng cách hai lớp d (b) chiều dày lớp điện môi quanh vùng tần số 140 THz 57 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu, luận văn đạt số kết sau: Bằng mơ tính tốn chứng minh điều khiển hiệu mở rộng vùng từ thẩm âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp Khi thay đổi nhiệt độ bán dẫn InSb từ 300K – 450K vùng có từ thẩm âm mở rộng dần lai hóa kích hoạt nhờ tăng nồng độ tải giải thích chi tiết thơng qua mơ hình mạch điện LC cho giản đồ lai hóa bậc hai Ngồi q trình tối ưu hóa cấu trúc để hiệu lai hóa mạnh cho vùng từ thẩm âm rộng thực thay đổi khoảng cách hai lớp chiều dày lớp điện môi Kết vùng từ thẩm âm lớn đạt 20,1% Bằng mơ tính tốn chứng minh điều khiển hiệu mở rộng vùng chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc lưới đĩa hai lớp Khi thay đổi nhiệt độ bán dẫn InSb từ 300K – 450K vùng có chiết suất âm mở rộng dần vùng từ thẩm âm mở rộng nằm tần số plasma Sự điều khiển giải thích chi tiết thơng qua mơ hình mạch điện LC cho giản đồ lai hóa bậc hai thay đổi tần số plasma vào nhiệt độ Ngồi q trình tối ưu hóa cấu trúc vùng chiết suất âm rộng thực thay đổi khoảng cách hai lớp chiều dày lớp điện môi Kết vùng chiết suất âm lớn đạt 10,4% Bước đầu tạo vùng từ thẩm âm rộng vùng tần số 140 THz điều khiển độ rộng hai tham số cấu trúc d td 58 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm điều khiển hiệu mở rộng vùng từ thẩm âm chiết suất âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai 59 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Nguyễn Thị Hiền, Phạm Thị Mai Hiên, Nguyễn Thị Hương, Bùi Văn Chỉnh, Nguyễn Xuân Ca, “ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ MỞ RỘNG VÙNG CHIẾT SUẤT ÂM TRONG CẤU TRÚC LƯỚI ĐĨA DỰA TRÊN LAI HĨA PLASMON”, Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN, TẬP 190, SỐ 14, 2018 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Smith, W J Padilla, D Vier, S C Nemat-Nasser, and S Schultz, “Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity”, Phys Rev Lett 84, 4184 (2000) [2] V G Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ”, Sov Phys Usp 10, 509 (1968) [3] J B Pendry, D Schurig, D R Smith, “Controlling electromagnetic fields”, Science 312, 1780 (2006) [4] J B Pendry, A J Holden, W J Steward, and I Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures", Phys Rev Lett 76, 4773 (1996) [5] J Pendry, A Holden, D Robbins, and W Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,” GHz Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 47, 2075 (1999) [6] J Pendry, A Holden, D Robbins, W Stewart, IEEE Trans Microw Theory Tech 47, 2075 (1999) [7] Nguyễn Thị Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc lên dải tần làm việc siêu vật liệu có chiết suất âm”, luận án tiến sĩ, (2016) [8] Fang Ling, Zheqiang Zhong, Renshuai Huang & Bin Zhang, “A broadband tunable terahertz negative refractive index metamaterial”, Scientific Reports 8, 9843 (2018) [9] B Kanté, S N Burokur, A Sellier, A Lustrac de, and J M Lourtioz, "Controlling plasmon hybridization for negative refraction metamaterials", Phys Rev B.79, 075121 (2009) [10] F Ling, Z Zhong, Y Zhang, R Huang, and B Zhang, “Broadband negativerefractive index terahertz metamaterial with optically tunable equivalentenergy level”, Optics Express 26, 30085-30099 (2018) [11] E Prodan, C Radloff, N J Halas, P Nordlander, Science 302, 419 (2003) [12] N T Tung, D T Viet, B S Tung, N Van Hieu, P Lievens, V D Lam, App Phys Express 5, 112001 (2012) 61 [13] N T Tung, B S Tung, E Janssens, P Lievens, V D Lam, “Broadband negative permeability using hybridized metamaterials: Characterization, multiple hybridization, and terahertz response”J Appl Phys 116, 083104 (2014) [14] B S Tung, N V Dung, B X Khuyen, N T Tung, P Lievens, Y P Lee, V D Lam, “Thermally tunable magnetic metamaterials at THz frequencies’’ J Opt 15, 075101 (2013) [15] N T Hien, L N Le, P T Trang, B S Tung, N D Viet, P T Duyen, N M Thang, D T Viet, Y P Lee, V D Lam, N T Tung, “Characterizations of a thermal tunable fishnet metamaterial at THz frequencies” Comput Mater Sci 103, 189 (2015) [16] N T Hien, B S Tung, N T Tuan, N T Tung, Y P Lee, N M An and V D Lam, "Metamaterial-based perfect absorber:polarization insensitivity and broadband", Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotech 5,025013 (2014) [17] J G Rivas, C Janke, P H Bolivar, H Kurz, Opt Express 13, 847 (2005) [18] W Espe, “Materials of High Vacuum Technology”, Pergamon Press, London, 1968 [19] PT Iwakiglass Indonesia, Manufactured laboratory glassware, www.iwakiglassindonesia [20] N T Tung, V D Lam, J W Park, V T Thuy, Y P Lee, Eur Phys J B 74, 47 (2010) [21] V D Lam, J B Kim, S J Lee, Y P Lee, J Appl Phys 103, 033107 (2008) [22] T Deng, R Huang, M.-C Tang, P K Tan, Opt Express 22, 6287 (2014) [23] O P Pishnyak, O D Lavrentovich, Appl Phys Lett 89, 251103 (2006) [24] V G Shvedov, Y V Izdebskaya, Y Sheng, W Krolikowski, Appl Phys Lett 110, 091107 (2017) [25] Q Zhao, L Kang, B Du, B Li, J Zhou, H Tang, X Liang, B Zhang, Appl Phys Lett 90, 011112 (2007) [26] L Kang, Q Zhao, H Zhao, J Zhou, Opt Express 16(12), 8825 (2008) [27] X Wang, D.-H Kwon, D H Werner, I.-C Khoo, App Phys Lett 91, 143122 (2007) 62 [28] P.-Y Chen, M Farhat, A Alu, Phys Rev Lett 106, 105503 (2011) [29] I V Shadrivov, P V Kapitanova, S I Maslovski, Y.S Kivshar, Phys Rev Lett 109, 083902 (2012) [30] P.-Y Chen, M Farhat, A Alu, Phys Rev Lett 106, 105503 (2011) [31] X Zhao, K Fan, J Zhang, H R Seren, G D Metcalfe, M Wraback, R D Averitt, X Zhang, “Optically tunable metamaterial perfect absorber on highly flexible substrate”, Sensors and Actuators A: Physical 231, 74 (2015) [32] Maria Maragkou, “Thermally tunable”, Nature Materials 14, 463(2015) [33] H.T Chen, W.J Padilla, J.M.O Zide, A.C Gossard, A.J Taylor, R.D Averitt, “Active terahertz metamaterial devices”, Nature 444, 597 (2006) [34] Tianwei Deng, Ruifeng Huang, Ming-Chun Tang, and Peng Khiang Tan, “Tunable reflector with active magnetic metamaterials”, Opt Express 22, 6287 (2014) [35] M Oszwaldowski and M Zimpel, “Temperature dependence of intrinsic carrier concentration and density of states effective mass of heavy holes in InSb”, J Phys Chem Solids 49, 1179-1185 (1988) [36] R W Cunninghamand J B Gruber, “Intrinsic Concentration and Heavy Hole Mass in InSb” JAP 41, 1804 (1970) [37] A Ourir and H H Ouslimani, “Negative refractive index in symmetric cutwire pair metamaterial”, Appl Phys Lett 98, 113505 (2011) [38] Lei Lei, Shun Li, Haixuan Huang, Keyu Tao, and Ping Xu, “Ultra-broadband absorber from visible to near-infrared using plasmonic metamaterial”, Optics Express 26, 5686 (2018) [39] L.Solymarand E.Shamonina,“Waves in metamaterials,”(Oxford University, 2009) [40] J.D Jackson, “Classical Electrodynamics”, third ed., Wiley, New York, 1999 [41] K Guven, M D Caliskan, and E Ozbay, “Experimental observation of lefthanded transmission in a bilayer metamaterial under normal-to-plane propagation”, Optics Express 14, 8685(2006) 63 [42] Yuan Zhang, Fang Ling, Renshuai Huang, and Bin Zhang, “Simple structure THz metamaterial with broadband double-negative refraction”, Optical Materials Express, Vol 8, 3729-3737 (2018) [43] N V Dung, Y J Yoo, Y P Lee, N T Tung, B S Tung and V D Lam, “Polarization Dependence of the Metamagnetic Resonance of Cut-wire-pair Structure by Using Plasmon Hybridization”, J Korean Phys Soc 65, 70 (2014) [44] C Hu, L Liu, X N Chen, and X G Luo, “Expanding the band of negative permeability of a composite structure with dual-band negative permeability”, Opt Express 16, 21544 (2008) [45] Z Wei, Y Cao, J Han, C Wu, Y Fan, and H Li, “Broadband negative refraction in stacked fishnet metamaterial”, Appl Phys Lett 97, 141901 (2010) [46] N T Hien, B S Tung, Y Sen, A E V Guy, P Lievens, V D Lam, E Janssens, App Phys Lett 109, 221902 (2016) [47] Di Bao, Qiang Cheng, Wei Xiang Jiang, Jing Jing Zhang, Zhen Liao, Jun Wei Wu, Jin Yang, Xuan Ru Zhang, and Tie Jun Cui, “Concentric designer plasmon hybridization in deep subwavelength metamaterial resonator”, Appl Phys Lett 115, 121103 (2019) [48] K B Alici, E Ozbay, Photon Nanostruct.: Fund Appl 6, 102 (2008) [49]https://www.janis.com/Products/AccessoriesandAncillaryEquipment/WindowT ransmissionCurves.aspx; https://www.mitsuichemicals.com/tpx_cha.htm [50] J.W Park , N.T Tung , V.T.T Thuy , V.D Lam , Y.P Lee, “Strong tie between cut-wire pair and continuous wire in combined-structure metamaterials”, Optics Communications 284, 919–924 (2011) [51] X Chen, T M Grzegorczyk, B I Wu, J Pacheco, Jr., and J A Kong, “Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,” Phys Rev E 70, 016608 (2004) [52] G Dolling, M Wegener, C M Soukoulis, and S Linden, “Negative-index metamaterial at 780nm780nm wavelength”, Optics Letters 32, 53 (2007) 64 ... 1.4 Một số kết nghiên cứu điều khiển tần số làm việc siêu vật liệu tác động ngoại vi 1.4.1 Điều khiển vùng tần số làm việc siêu vật liệu tác động nhiệt R a) b) Hình 1.10 Ơ sở siêu vật liệu có... nhiên nghiên cứu chủ yếu thực vùng tần số thấp vùng GHz, chưa tập trung nghiên cứu vùng tần số cao chế vật lý vùng tần số hoạt động thường phức tạp vùng tần số thấp Đặc biệt chưa cơng trình nghiên. .. chế tạo siêu vật liệu vùng tần số cao thường gặp nhiều khó khăn Hơn thế, chế vật lý xảy vùng tần số hoạt động thường phức tạp so với vùng tần số thấp Do đó, nghiên cứu vùng tần số cao bắt đầu
Ngày đăng: 16/01/2023, 13:09
Xem thêm:
