ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu phổ quang học

Để tạo được bộ quang phổ hấp thụ tuyệt đối trong vùng bước sóng ánh sáng mặt trời cho thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu cấu trúc nano và tìm cách tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG NGHIÊN CỨU

PHỔ QUANG HỌC CẤU TRÚC NANO

Sinh viên: Đặng Bùi Nhật Lê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG NGHIÊN CỨU

PHỔ QUANG HỌC CẤU TRÚC NANO

Sinh viên: Đặng Bùi Nhật Lê

Hà Nội – Năm 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hiện nay, năng lượng mặt trời là một trong những loại năng lượng sạch được sử dụng rộng rãi nhất Quá trình hấp thụ bức xạ quang phổ mặt trời đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tận dụng nguồn năng lượng này Chúng tôi

đã sử dụng phần mềm CST để thiết kế và mô phỏng sự hấp thụ của hệ hai lớp vật liệu TiN dựa trên cấu trúc vòng nano trong phạm vi bước sóng 200 – 3000 nm Các tính toán mô phỏng cho thấy cấu trúc được thiết kế thể hiện độ hấp thụ trung bình 93% và tỷ lệ năng lượng hấp thụ trong bức xạ quang phổ AM1.5 có thể đạt tới 95,5%, với độ hấp thụ duy trì cho đến góc tới 40° Sự phân bố điện trường và

từ trường cho thấy độ hấp thụ cao được tạo ra bởi hiện tượng cộng hưởng plasmonic giữa các cấu trúc nano, bởi các cơ chế giam giữ và hấp thụ ánh sáng khác nhau Đồng thời, chúng tôi đã áp dụng các thuật toán học máy để phân tích

và dự đoán ảnh hưởng của các thành phần cấu trúc trong vật liệu nano lên phổ quang học Dựa trên so sánh với kết quả mô phỏng và các nghiên cứu trước đó,

mô hình học máy Decision Tree đã được xác định là phù hợp nhất cho bài toán tối ưu hóa cấu trúc, với hệ số xác định lên đến 0.99 và thời gian dự đoán vượt trội Các kết quả của nghiên cứu này đem lại tiềm năng lớn trong việc giải quyết những thách thức về năng lượng hiện nay mà chúng ta đang phải đối mặt

Copies for internal use only in Phenikaa University

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đặng Bùi Nhật Lê

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và ủng hộ nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phan Đức Anh, người

đã dành thời gian, công sức để trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ tôi suốt quá trình nghiên cứu Sự chỉ dẫn tận tâm và kiên nhẫn của thầy là nguồn động viên lớn giúp tôi hoàn thiện đồ án này

Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu và các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã quan tâm, giúp đỡ tận tình, cũng như chia sẻ vốn kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường Điều này đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp một cách tốt nhất

Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến nhóm Meta thuộc Viện Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam về việc cung cấp bản quyền phần mềm CST Công cụ này đã giúp cho quá trình nghiên cứu của tôi trở nên thuận lợi và hiệu quả hơn

Cuối cùng, tôi không thể không bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình

và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh, động viên và đồng hành cùng tôi trong suốt hành trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Với điều kiện thời gian cũng như lượng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để có thể hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

Sinh viên thực hiện Copies for internal use only in Phenikaa University

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4

1.1 Năng lượng mặt trời 4

1.2 Bộ hấp thụ vật liệu biến hóa 5

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN 11

2.1 Phần mềm mô phỏng CST Studio Suite 11

2.2 Hàm điện môi của vật liệu TiN 12

2.3 Độ tin cậy của phần mềm CST 22

2.4 Kết quả mô phỏng và tính toán 26

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO 35

3.1 Giới thiệu về trí tuệ nhân tạo 35

3.2 Dự đoán phổ hấp thụ dựa trên sự biến thiên của thông số cấu trúc 38

3.3 Dự đoán thông số cấu trúc dựa trên sự biến thiên của phổ hấp thụ 44

3.4 Tối ưu hóa cấu trúc 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 49

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Một số nguồn năng lượng tái tạo hiện nay như năng lượng gió, sinh

khối, địa nhiệt, thủy triều, mặt trời, hydro … 5

Hình 1 2 Các bộ hấp thụ sử dụng cấu trúc vòng nano đã được nghiên cứu (a)

Cấu trúc trụ rỗng 3 lớp TiN – SiO 2 – TiN được đặt trên một mảng mỏng SiO 2 và

đế kim loại TiN [7] (b) Cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại (MIM) bao gồm

đế phản xạ TiN, màng mỏng điện môi SiO 2 và trụ rỗng TiN [8] (c) Cấu trúc ba

cùng và lớp đế W [9] 8

Hình 1 3 Cấu trúc của bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời hai lớp: trụ rỗng TiN với

đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều cao h 1 và đế TiN với chiều rộng cạnh P và độ dày h 2. 8

Hình 1 4 Tổng quan về cách nghiên cứu bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời trong đồ

án 9

Hình 2 1 Các lĩnh vực ứng dụng trong CST 12 Hình 2 2 Một số hàm điện môi thu được bằng phương pháp thực nghiệm và mô

Hình 2 6 Sự thay đổi của hàm điện môi vật liệu TiN theo tỉ lệ thể tích của TiO 2

trong (a) phần thực (b) phần ảo 19

Hình 2 7 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi tỉ lệ thể tích của TiO 2 trong TiN 20

Hình 2 8 Phần thực và phần ảo của vật liệu TiNO_L, TiNO_H và TiN ở bước

sóng 300 – 2500 nm 21

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 2 9 Độ dẫn nhiệt của vật liệu TiN/TiO 2 khi thay đổi tỉ lệ thể tích của TiO 2

Hình 2 13 Các cơ chế hấp thụ của bộ hấp thụ hai lớp TiN (a) giữa mặt trong và

mặt ngoài của vòng TiN, (b) trên đế TiN, (c) khe hở giữa hai vòng TiN liền kề và (d) khoảng trống bên trong vòng TiN 28

Hình 2 14 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi đường kính ngoài của vòng

rỗng TiN trong phạm vi 300 – 370 nm với bước 5 nm 29

Hình 2 15 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi chiều cao của vòng rỗng TiN

trong phạm vi 260 – 400 nm với bước 10 nm 30

Hình 2 16 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi độ dày đế TiN trong phạm vi

70 – 140 nm với bước 10 nm 31

Hình 2 17 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi góc chiếu của nguồn 32 Hình 2 18 Tỉ lệ hấp thụ quang năng trong khoảng 200 – 3000 nm dưới sự thay

đổi góc chiếu tới của nguồn 33

Hình 2 19 Sự phân bố điện từ trường ở ba đỉnh hấp thụ tại bước sóng 360 nm,

780 nm và 1550 nm 34

Hình 3 1 Ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong khoa học vật liệu bao gồm: tối ưu

hóa cấu trúc, tăng tốc tính toán mô phỏng, nghiên cứu tính chất vật liệu [58 – 64] 36

Hình 3 2 Quá trình xây dựng một mô hình dự đoán 39 Hình 3 3 Bộ dữ liệu cho các thuật toán học máy dự đoán thuận với đầu vào x là

các thông số cấu trúc h 1 , h 2 , D, bước sóng và đầu ra y là độ hấp thụ tương ứng 40

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 3 4 Phổ hấp thụ dựa trên bộ thông số cấu trúc h 1 = 290 nm, h 2 = 100 nm

và D = 310 nm thông qua dự đoán bằng thuật toán Decision Tree, K Neighbors, Extra Tree và mô phỏng bằng CST 41

Hình 3 5 Phổ hấp thụ dựa trên bộ thông số cấu trúc h 1 = 340 nm, h 2 = 140 nm

và D = 315 nm thông qua dự đoán bằng thuật toán Decision Tree, K Neighbors, Extra Tree và mô phỏng bằng CST 42

Hình 3 6 Phổ hấp thụ dựa trên bộ thông số cấu trúc h 1 = 310 nm, h 2 = 100 nm

và D = 350 nm thông qua dự đoán bằng thuật toán Decision Tree, K Neighbors, Extra Tree và mô phỏng bằng CST 43

Hình 3 7 Phổ hấp thụ dựa trên bộ thông số đầu ra của dự đoán ngược với h 1 =

đoán bằng thuật toán Decision Tree (màu đỏ) và phổ hấp thụ mục tiêu đầu vào (màu xanh) 45

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Các thông số cấu trúc của bộ hấp thụ 2 lớp TiN 26 Bảng 3 1 So sánh thời gian huấn luyện, dự đoán và hệ số xác định R 2 của các thuật toán 41

Bảng 3 2 Các thông số cấu trúc mục tiêu và kết quả dự đoán tương ứng bằng

thuật toán Decision Tree 45

Bảng 3 3 Thiết kế và hiệu suất hấp thụ của các bộ hấp thụ vật liệu biến hóa

khác nhau dựa trên vật liệu TiN 47

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

quát

Copies for internal use only in Phenikaa University

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng đã tăng lên đáng kể do sự phát triển của các thiết bị và hệ thống công nghệ Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống còn nhiều mặt hạn chế bao gồm các tác động tiêu cực đến môi trường như phát thải một lượng lớn khí nhà kính, gây biến đổi khí hậu, [1]

… Thực tế này đã thúc đẩy việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng bền vững như năng lượng mặt trời, gió và thủy triều [2, 3] Trong đó, năng lượng mặt trời nổi bật với tiềm năng lớn, không chỉ là một nguồn năng lượng vô hạn mà còn

có khả năng chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác Để sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả, cần có các hệ thống với khả năng hấp thụ và chuyển đổi quang năng tốt Việc thiết kế và chế tạo các thiết bị hấp thụ quang năng mặt trời tạo ra nhiều hướng nghiên cứu thú vị cho các lĩnh vực khoa học vật liệu [4], thiết kế kỹ thuật [5] và năng lượng [6] Trong đó, bộ hấp thụ sử dụng vật liệu biến hóa với khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời đã trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn Để tạo được bộ quang phổ hấp thụ tuyệt đối trong vùng bước sóng ánh sáng mặt trời cho thiết bị này, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu cấu trúc nano và tìm cách tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ của hệ [7 – 9] Với tính cấp thiết của việc chống biến đổi khí hậu và để đáp ứng các yêu cầu trên, phát triển các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời này đã trở thành một trong những mục tiêu hàng đầu trong ngành công nghiệp năng lượng hiện nay

Hiện nay, trí tuệ nhân tạo, cụ thể hơn là học máy (Machine Learning) và học sâu (Deep Learning) đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả khoa học vật liệu [10, 11] Bằng cách tận dụng các thuật toán học máy để phân tích và diễn giải lượng lớn dữ liệu phức tạp, các kỹ thuật này giúp hiểu được mối quan hệ giữa cấu trúc và đặc tính, qua đó dự đoán các tính chất mới và tối ưu hóa quá trình tổng hợp vật liệu [12] Nó tăng tốc việc thiết kế và phát triển các vật liệu mới với các đặc tính phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Nhìn chung, học máy đã cách mạng hóa khoa học vật liệu bằng cách cung cấp các công cụ mạnh mẽ để đẩy nhanh việc khám phá và thiết kế các vật liệu tiên tiến, dẫn đến những tiến bộ đáng kể về công nghệ và đổi mới

Copies for internal use only in Phenikaa University

Nhận thấy được tầm quan trọng của việc nghiên cứu bộ hấp thụ và dựa trên tiềm năng của trí tuệ nhân tạo, chúng tôi đã triển khai đề tài “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu phổ quang học cấu trúc nano” nhằm thiết kế và tối

ưu hóa cấu trúc bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời Với mục tiêu mô phỏng sự phụ thuộc phổ quang học vật liệu nano vào các yếu tố khác nhau, đồng thời sử dụng học máy học dáng điệu của các phổ quang học và dự đoán tính chất quang học vật liệu, đề tài dự kiến sẽ tạo ra một mô hình tính toán cho phép tối ưu hóa cấu trúc để tạo ra bộ hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: vật liệu TiN, các cấu trúc nano

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm CST: thiết kế, mô phỏng và phân tích các cấu trúc nano

+ Phương pháp trí tuệ nhân tạo: học bộ dữ liệu thu được từ phần mềm CST để dự đoán các phổ quang học và các bộ thông số cấu trúc mới

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài "Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nghiên cứu về phổ quang học của cấu trúc nano" không chỉ mang lại ý nghĩa thiết thực trong lĩnh vực khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cho ngành công nghiệp năng lượng Trước hết, với sự gia tăng đáng kể về nhu cầu năng lượng và áp lực giảm thiểu tác động của nguồn nhiên liệu hóa thạch đến môi trường, việc phát triển các bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời đang trở thành ưu tiên hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng xanh Đây không chỉ là một cách để đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng bền vững, mà còn là một bước quan trọng để giảm ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường từ việc Copies for internal use only in Phenikaa University

sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống Bên cạnh đó, đề tài cung cấp một

phương pháp độc đáo, kết hợp giữa mô phỏng và trí tuệ nhân tạo để thiết kế hệ

cấu trúc nano có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả, đồng thời tối ưu

hóa hiệu suất hấp thụ của chúng Mặt khác, việc kết hợp giữa khoa học vật liệu

và trí tuệ nhân tạo mở ra một hướng nghiên cứu mới, giúp tận dụng sức mạnh của

dữ liệu lớn và mô hình học máy để dự đoán tính chất quang học của vật liệu

Điều này mang lại ưu điểm lớn về mặt thời gian và chi phí so với phương pháp

thực nghiệm truyền thống Kết quả nghiên cứu của chúng tôi có thể đóng góp vào

sự hiểu biết về tương tác giữa ánh sáng và cấu trúc nano, đồng thời tạo ra các ứng

dụng mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và vật liệu plasmonic mới

Copies for internal use only in Phenikaa University

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 Năng lượng mặt trời

Trong những năm gần đây, vấn đề khủng hoảng năng lượng đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm do nhu cầu ngày càng gia tăng, cũng như sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn năng lượng không tái tạo và nguy cơ tác động của biến đổi khí hậu Theo ước tính, từ 80% đến 85% năng lượng con người sử dụng đến từ nhiên liệu hóa thạch, nguồn năng lượng hữu hạn và phân bố không đều dưới bề mặt Trái Đất [1] Hệ quả là, khi nhiên liệu hóa thạch được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác thông qua quá trình đốt cháy, chúng tạo ra khí nhà kính và các chất có hại gây ô nhiễm môi trường khác [3] Do đó, việc phát triển nguồn năng lượng bền vững trở thành một trong những nhiệm vụ cấp bách để giảm thiểu tác động lên môi trường [2]

Khác với nhiên liệu hóa thạch, các nguồn năng lượng thay thế trong Hình 1.1 như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, hoặc sinh khối là những nguồn tài nguyên sạch, phong phú và liên tục Trong số các nguồn năng lượng tái tạo này, năng lượng mặt trời cho đến nay là nguồn tài nguyên có thể khai thác lớn nhất Lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt trái đất trong một tiếng rưỡi đủ để sản xuất ra toàn bộ nhu cầu năng lượng của thế giới trong cả năm [13] Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm việc tạo ra điện [14], làm sạch nước [15] và thậm chí trong lĩnh vực giao thông [16] Nhìn chung, những nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo không chỉ giúp giảm các tác động tiêu cực đến môi trường mà còn đóng góp mạnh mẽ vào sự bền vững của nguồn năng lượng sạch Để tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng này, các thiết bị mới liên tục được phát triển với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tia cực tím đến hồng ngoại, trong đó phải kể đến một cấu trúc nổi bật như

bộ hấp thụ vật liệu biến hóa Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1 1 Một số nguồn năng lượng tái tạo hiện nay như năng lượng gió, sinh

khối, địa nhiệt, thủy triều, mặt trời, hydro …

1.2 Bộ hấp thụ vật liệu biến hóa

Bộ hấp thụ là một thiết bị vô cùng quan trọng để hấp thụ hiệu quả bức xạ, chẳng hạn như sóng điện từ Chúng có khả năng giam cầm hoặc hấp thụ sóng điện từ tại một số vùng cụ thể trong cấu trúc [17] Để khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời, rất nhiều thiết kế và vật liệu đã được đưa ra để có thể hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong vùng này Ta có thể phân ra các loại chính gồm vật liệu carbon/hữu cơ với cấu trúc vô định hình và vật liệu biến hóa có cấu trúc tuần hoàn Ở đây, vật liệu biến hóa là những vật liệu nhân tạo thể hiện những đặc tính điện từ đặc biệt không thể tìm thấy trong các vật liệu tự nhiên, với các thành phần có cấu trúc nhỏ hơn đáng kể so với bước sóng của sóng tới [18] Các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu hữu cơ trong nhiều trường hợp có phổ Copies for internal use only in Phenikaa University

hấp thụ hẹp, chỉ có thể hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả trong một phạm vi bước sóng nhất định [19, 20] Trong khi đó, những nghiên cứu về bộ hấp thụ cấu trúc tuần hoàn trong nhiều năm qua đã cho thấy hiệu suất vượt trội với khả năng hấp thụ mạnh mẽ từ bước sóng khả kiến đến hồng ngoại [7, 8] Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng bằng cách điều chỉnh các thông số hình học và thành phần vật liệu, đỉnh hấp thụ của bộ hấp thụ vật liệu biến hóa có thể được dịch chuyển sang các bước sóng khác nhau [8, 9] Khả năng điều chỉnh này khó có thể đạt được trong các bộ hấp thụ hữu cơ Thêm vào đó, bộ hấp thụ vật liệu biến hóa thường được làm bằng kim loại và chất điện môi, mang lại độ bền và tính ổn định theo thời gian Ngược lại, các bộ hấp thụ hữu cơ có thể dễ bị suy thoái hoặc thay đổi hiệu suất hơn do các yếu tố môi trường hoặc quá trình lão hóa [21] Do đó, trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu bộ hấp thụ vật liệu biến hóa với cấu trúc tuần hoàn để tối ưu hóa khả năng thu ánh sáng mặt trời

Để bộ hấp thụ đạt được hiệu suất cao nhất, việc xác định phạm vi hấp thụ

và cường độ hấp thụ trên quang phổ mặt trời của từng bước sóng rất quan trọng Các thiết bị này cần phải có độ hấp thụ cao với hệ số truyền qua và phản xạ thấp trên toàn bộ dải quang phổ mặt trời Hiện nay, có nhiều vật liệu được sử dụng cho bộ hấp thụ năng lượng mặt trời, bao gồm kim loại, gốm sứ và polyme [22, 23] Tuy nhiên, mỗi vật liệu có những ưu điểm và hạn chế riêng như giá thành,

độ bền và hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời Bộ hấp thụ được phát triển với các vật liệu khác nhau hoạt động tốt hơn ở các phạm vi bước sóng khác nhau Thông thường, các kim loại truyền thống như vàng, bạc, đồng hay được sử dụng [24, 25] vì tính chất plasmonics của những vật liệu này thể hiện rất mạnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy Từ năm 2010, các vật liệu gốm như TiN, ZrN, VN hay được sử dụng để thay thế cho vật liệu plasmonic truyền thống [26, 27] Trong

số các vật liệu này, Titanium Nitride (TiN) đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong những nghiên cứu gần đây Đây là một vật liệu plasmonic có thể thay thế các vật liệu plasmonic truyền thống như vàng và bạc Nó tiết kiệm chi phí hơn,

có điểm nóng chảy cao, độ ổn định nhiệt tốt và tính chất cơ học mạnh mẽ [28] Ngoài ra, TiN thể hiện tổn thất nội tại thấp và tính chất plasmonic mạnh trong dải phổ khả kiến đến hồng ngoại gần [29] Hơn nữa, tính chất quang học của TiN có Copies for internal use only in Phenikaa University

thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi các điều kiện xử lý Sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính quang học, điện và cơ học khiến TiN trở thành một ứng

cử viên hấp dẫn cho các ứng dụng plasmonic khác nhau, bao gồm các ứng dụng quang học Nghiên cứu của Myeongcheol về bộ hấp thụ băng thông rộng dựa trên TiN đã cho thấy độ hấp thụ trung bình trên 95% ở vùng khả kiến và vùng cận hồng ngoại (400 – 900 nm) [30] Trong khi đó, Huixuan cũng đã thành công trong việc thiết kế bộ hấp thụ hoàn hảo với cấu trúc đa lớp sử dụng vật liệu TiN

và các chất điện môi khác, đạt độ hấp thụ liên tục trên 90% trong dải bước sóng

200 – 1200 nm và tỷ lệ hấp thụ trung bình lên đến 94,85% [31] Những thành tựu này đã chứng minh rằng TiN có tiềm năng lớn trong ứng dụng năng lượng mặt trời với hiệu quả cao và đa dạng trong điều kiện khác nhau

Để mở rộng phố hấp thụ nhiều loại cấu trúc khác nhau từ cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại [24], các hạt nano phân tán ngẫu nhiên [32] đến khối hình nón đa lớp [33] được nghiên cứu với mỗi kiểu thiết kế mang lại những đặc tính

và ưu điểm độc đáo Vào năm 2023, Shuai và các cộng sự đã công bố một nghiên cứu về bộ hấp thụ hoàn hảo băng thông rộng có cấu trúc vòng nano TiN, màng điện môi SiO2 và lớp đế TiN như Hình 1.2(a) với độ hấp thụ trung bình lên tới 96,7% và tỷ lệ hấp thụ bức xạ mặt trời đạt 95,6% [7] Một nghiên cứu khác của Sun và đồng nghiệp đã chứng minh khả năng hiệu quả của cấu trúc vòng nano như Hình 1.2(b), với độ hấp thụ trung bình lên đến 97,6% trong khoảng phổ 300 – 2500 nm và tỷ lệ năng lượng hấp thụ trong bức xạ quang phổ AM1.5 có thể đạt tới 95,8% [8] Raj Kumar cũng đã thành công trong thiết kế bộ hấp thụ sử dụng vòng nano như Hình 1.2(c) với độ hấp thụ trung bình 98,19% ở vùng ánh sáng khả kiến, đồng thời thể hiện khả năng hấp thụ băng thông rộng với khả năng hấp thụ gần như hoàn hảo [9] Những kết quả này là minh chứng rõ ràng cho tiềm năng của cấu trúc vòng nano trong lĩnh vực năng lượng mặt trời và bộ hấp thụ Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1 2 Các bộ hấp thụ sử dụng cấu trúc vòng nano đã được nghiên cứu (a)

Cấu trúc trụ rỗng 3 lớp TiN – SiO 2 – TiN được đặt trên một mảng mỏng SiO 2 và

đế kim loại TiN [7] (b) Cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại (MIM) bao gồm

đế phản xạ TiN, màng mỏng điện môi SiO 2 và trụ rỗng TiN [8] (c) Cấu trúc ba lớp với màng mỏng điện môi SiO 2 được kẹp giữa các vòng nano tuần hoàn trên

cùng và lớp đế W [9]

Hình 1 3 Cấu trúc của bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời hai lớp: trụ rỗng TiN với

đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều cao h 1 và đế TiN với chiều rộng

cạnh P và độ dày h 2

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1 4 Tổng quan về cách nghiên cứu bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời trong đồ

án

Dựa trên tìm hiểu các nghiên cứu trước đây, chúng tôi đề xuất sử dụng một bộ hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu TiN, như được biểu diễn chi tiết trong Hình 1.3 Cấu trúc của bộ hấp thụ này bao gồm hai lớp đơn giản, bao gồm các vòng rỗng TiN được sắp xếp tuần hoàn trên đế TiN Lớp đế TiN ở phía dưới được giữ cố định với chiều rộng tuần hoàn hay của một ô đơn vị là là 430 nm Các thông số khác có thể được điều chỉnh như mô tả chi tiết trong Bảng 2.1 Mặc

dù đã có những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo hệ hấp thụ sử dụng vòng nano, song vẫn tồn tại một số thách thức và vấn đề chưa được giải quyết Cụ thể, liệu có thể đơn giản hóa cấu trúc mà vẫn duy trì độ hấp thụ cao không? Mối quan hệ giữa cấu trúc và hiệu suất hấp thụ có thể được hiểu rõ không? Có khả năng dự đoán phổ hấp thụ của cấu trúc nhất định dựa trên bộ thông số bất kỳ và ngược lại mà không cần mô phỏng không? Các thuật toán học máy đơn giản liệu có hiệu quả bằng các mô hình học sâu không? Chúng tôi đã thực hiện thiết kế kỹ thuật, áp dụng mô phỏng và trí tuệ nhân tạo để giải quyết những vấn đề này Với các đặc tính quang học của vật liệu được mô tả thông qua hàm điện môi, chúng tôi sử dụng công cụ mô phỏng để thu thập dữ liệu về phổ Copies for internal use only in Phenikaa University

hấp thụ cũng như để nghiên cứu cơ chế hoạt động của bộ hấp thụ ánh sáng mặt trời Sau đó, để tăng tốc tính toán và thiết kế nhanh, dựa vào bộ dữ liệu thu được

từ mô phỏng, chúng tôi áp dụng các kỹ thuật học máy để dự đoán phổ hấp thụ cho các bộ thông số cấu trúc mới, đồng thời dự đoán ngược lại các thông số cấu trúc dựa trên một phổ hấp thụ bất kỳ Tổng quan nội dung của nghiên cứu này được thể hiện như trong Hình 1.4

Copies for internal use only in Phenikaa University

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN 2.1 Phần mềm mô phỏng CST Studio Suite

Mô phỏng, trong công nghiệp, khoa học và giáo dục là một kỹ thuật nghiên cứu tái tạo các sự kiện và quy trình thực tế trong thực nghiệm Nó được

sử dụng như một công cụ tính toán, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu và hiểu các hệ thống phức tạp mà việc thực hiện trực tiếp có thể khó khăn hoặc không thực tế Bằng cách sử dụng mô phỏng, chúng ta có thể dễ dàng thay đổi các thông số một cách linh hoạt, tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu ở các điều kiện khác nhau so với thực nghiệm

Một trong những công cụ mô phỏng hữu ích được sử dụng trong khoa học vật liệu hiện nay là phần mềm CST Studio Suite (Computer Simulation Technology) CST Studio Suite là gói phần mềm phân tích 3D hiệu suất cao để thiết kế, phân tích và tối ưu hóa các thành phần và hệ thống điện từ (Electromagnetic – EM) CST cho phép người dùng thiết kế các cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp, mô phỏng một cách nhanh chóng và chính xác các tương tác phức tạp giữa mô hình với môi trường xung quanh Phần mềm này bao gồm các

mô đun chính như mô tả trong Hình 2.1, bao gồm: tần số cao, tần số thấp, đa vật

lý, động lực học chất điểm, tương thích điện từ (Electromagnetic Compatibility – EMC) và tự động hóa thiết kế điện tử (Electronic Design Automation – EDA) Ngoài ra, CST còn thực hiện mô phỏng điện từ trên nhiều loại vật liệu, chẳng hạn như vật liệu điện môi, dẫn điện, từ tính, dị hướng Người dùng đồng thời có thể thêm các vật liệu mới với các thuộc tính cụ thể mà không có sẵn trong thư viện vào Vì vậy CST cho phép người dùng linh hoạt trong việc lựa chọn công cụ phù hợp với từng phạm vi nghiên cứu Bên cạnh đó, chúng còn hỗ trợ nghiên cứu liên ngành trên các lĩnh vực khác nhau, từ công nghệ viễn thông [34], thiết kế điện tử [35], ứng dụng điện từ [36],

Trong ngành khoa học vật liệu, CST được ứng dụng để thiết kế mảng pha ăng-ten [37], thiết kế và mô phỏng cửa tủ chắn điện từ hiệu suất cao [38], Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phần mềm bản quyền CST của nhóm Meta thuộc Viện Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam để Copies for internal use only in Phenikaa University

mô phỏng cấu trúc hấp thụ tuyệt đối sử dụng vật liệu TiN Thông qua các thông

số cấu trúc, tính chất vật liệu cũng như các điều kiện kích thích và điều kiện biên, CST cho phép lập mô hình, phân tích nhanh chóng và chính xác các tương tác phức tạp giữa cấu trúc hấp thụ năng lượng mặt trời và môi trường xung quanh, qua đó nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời và khám phá tiềm năng của TiN cho các ứng dụng năng lượng mặt trời

Hình 2 1 Các lĩnh vực ứng dụng trong CST

2.2 Hàm điện môi của vật liệu TiN

Để kết quả mô phỏng được chính xác và sát với thực nghiệm, việc chọn

dữ liệu đầu vào về đặc trưng vật liệu là vô cùng quan trọng Yếu tố này đảm bảo

mô hình mô phỏng phản ánh đúng các quy luật vật lý, giúp nắm bắt chính xác cách vật liệu phản ứng với ánh sáng, đảm bảo kết quả thu được từ mô phỏng có tính khả dụng, đáng tin cậy trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng hàm điện môi để mô tả đặc tính của vật liệu Hàm điện môi ε(ω) là một tham số quan trọng mô tả cách vật liệu phản ứng với điện Copies for internal use only in Phenikaa University

trường bên ngoài Đây là một hàm phức bao gồm cả phần thực và phần ảo đều phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ:

ε(ω) = ε′(ω) + iε′′(ω) (1) Phần thực của hàm điện môi ε′(ω) mô tả cách ánh sáng truyền qua vật liệu, làm thay đổi đường truyền của sóng điện từ Trong khi đó, phần ảo ε′′(ω) ảnh hưởng đến sự hấp thụ và tiêu tán năng lượng Khi ε′(ω) < 0, TiN hoạt động như một kim loại ở vùng khả kiến và hồng ngoại, tạo ra sự cộng hưởng plasmon

bề mặt cục bộ (Localized Surface Plasmon Resonance – LSPR) Khi phần thực ε′(ω) > 0, TiN thể hiện tính chất như chất điện môi vì dao động tập thể của các electron bị giảm đi rất mạnh

Hàm điện môi của vật liệu có thể được xác định thông qua hai phương pháp chính: thực nghiệm và mô phỏng phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) Chúng tôi đã xem xét và thu thập thông tin từ nhiều mẫu TiN khác nhau đã được nghiên cứu bởi nhiều nhóm trong các công bố trước đây Hàm điện môi thực nghiệm [39] được tính toán thông qua sử dụng các phép đo phổ tổn hao năng lượng điện tử (Electron energy-loss spectroscopy) Đây là một kỹ thuật bắn phá mẫu bằng chùm electron năng lượng cao và đo năng lượng mất đi của các electron khi chúng tương tác với mẫu Bằng cách phân tích phổ tổn hao năng lượng, có thể thu được thông tin về cấu trúc điện tử và tính chất quang của vật liệu, bao gồm cả hàm điện môi Bên cạnh đó, phép đo quang phổ elip (Spectroscopic ellipsometry) cũng được sử dụng để tính toán hàm điện môi trong nghiên cứu [40] và [41] Phép đo này cung cấp thông tin về sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng phản xạ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu Thông qua phép đo này, có thể xác định các thông số như chỉ số khúc xạ và hệ số phản xạ của vật liệu, giúp nắm bắt được cấu trúc và tính chất của lớp mỏng đó Với mô phỏng phiếm hàm mật độ DFT, các tính toán về hàm điện môi của vật liệu TiN (nhóm không gian Fm3m) được thực hiện bằng gói phần mềm Quantum Espresso [42 – 44] Chúng tôi sử dụng các tính toán DFT trong phép tính gần đúng gradient tổng quát (GGA) của Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [45] Các tương tác electron-ion được mô tả bằng giả thế bảo toàn chuẩn Vanderbilt tối ưu Copies for internal use only in Phenikaa University

SG15 ONCV (Optimized Norm-Conserving Vanderbilt) [46, 47] Năng lượng ngưỡng (cut-off) của hệ cơ sở sóng phẳng là 100 Ry đối với hàm sóng và 1000

Ry đối với mật độ điện tích Các phép toán thực hiện cho ô đơn vị 1x1x1 của vật liệu TiN được thực hiện với lưới điểm k tâm Gamma 12x12x12

Hàm điện môi được mô tả hiệu quả thông qua mô hình Drude Trong mô hình này, TiN được coi như một chất khí gồm các electron không tương tác với nhau và bị phân tán ngẫu nhiên bởi các ion trong mạng lưới Hàm điện môi ε(ω) của TiN có thể được thể hiện thông qua biểu thức:

Quan sát các hàm điện môi trong Hình 2.2 có thể thấy được sự tương đồng giữa các kết quả thực nghiệm Phần thực hàm điện môi từ tính toán DFT có giá trị âm, thể hiện sự trùng khớp với số liệu thực nghiệm, đặc biệt ở vùng khả kiến Trong khi phần ảo của các hàm điện môi thực nghiệm có xu hướng tăng trong vùng hồng ngoại, phần ảo của tính toán DFT lại giảm nhẹ nên tạo ra độ lệch lớn Copies for internal use only in Phenikaa University

giữa hai kết quả này Do phần ảo chịu trách nhiệm về độ hấp thụ và tiêu tán năng lượng của vật liệu nên kết quả nghiên cứu sự hấp thụ dựa trên hàm điện môi DFT được dự đoán sẽ không đạt độ chính xác cao từ vùng hồng ngoại 𝜆 ≥ 1000 nm

Hình 2 2 Một số hàm điện môi thu được bằng phương pháp thực nghiệm và mô

phỏng phiếm hàm mật độ DFT

Hình 2.3 thể hiện phổ hấp thụ được tính toán cho cấu trúc hai lớp như miêu tả ở hình nhỏ bên trong dựa trên hàm điện môi từ thực nghiệm và tính toán DFT Phổ hấp thụ được tính toán dựa trên dữ liệu thực nghiệm cho thấy độ hấp thụ tương đối cao (≥ 90%) trên toàn quang phổ mặt trời (200 – 3000 nm) Trong khi đó, phổ hấp thụ được tính toán dựa trên hàm điện môi DFT chỉ cho sự tương đồng trên bước sóng ở vùng khả kiến và có sự chênh lệch đáng kể ở 𝜆 ≥ 1000

nm Điều này có thể được giải thích bởi sự khác biệt trong phần ảo của hàm điện môi và hoàn toàn phù hợp với kết luận ở Hình 2.2 Mặc dù chỉ đem lại độ chính xác trong một phạm vi nhất định (500 – 1000 nm), DFT vẫn là một công cụ đáng Copies for internal use only in Phenikaa University

tin cậy để dự đoán hàm điện môi của các vật liệu mới Để đảm bảo tính chính xác trên toàn bộ dải quang phổ mặt trời, tính toán trong các phần nghiên cứu sau sẽ

sử dụng hàm điện môi thực nghiệm của nghiên cứu [39]

Hình 2 3 Phổ hấp thụ được tính toán dựa trên các hàm điện môi ở Hình 2.2 với

các tham số cấu trúc P = 430 nm, h 1 = 320 nm, h 2 = 140 nm, D = 315 nm và D-d

= 30nm

Hình 2.4 thể hiện phần thực và phần ảo của hàm điện môi của hai vật liệu TiN và Ti [48] Thông qua so sánh, quan sát được rằng cả phần thực và phần ảo của TiN có xu hướng tương tự như hàm điện môi của vật liệu Ti Bằng cách sử dụng hàm Cosine từ thư viện Scikit-learn với công thức (5):

Hệ số tương đồng (A, B) = cos (𝜃) = 𝐴⋅𝐵

𝑛 𝑖=1 ⋅𝐵 𝑖

với A và B trong trường hợp này lần lượt là hàm điện môi của Ti và TiN, chúng tôi đã tính được hệ số tương đồng (similarity coefficient) giữa phần thực của hàm Copies for internal use only in Phenikaa University

điện môi của vật liệu Ti và TiN với kết quả đạt 87% Đối với phần ảo, hệ số tương đồng là 96% Điều này gợi ý rằng tương tác giữa các nguyên tử Ti trong hỗn hợp TiN có đóng góp quan trọng trong việc định hình hàm điện môi của TiN

Hình 2 4 (a) Phần thực và (b) phần ảo của hàm điện môi của vật liệu Ti [49] và

TiN [39]

Hình 2.5 biểu diễn phổ hấp thụ của cấu trúc bộ hấp thụ hai lớp, sử dụng vật liệu Ti và TiN như miêu tả ở hình nhỏ bên trong Phổ hấp thụ dựa trên vật liệu Ti có ba đỉnh hấp thụ tại 265 nm, 515 nm và 1400 nm Trong khi đó, phổ hấp thụ dựa trên vật liệu TiN có ba đỉnh hấp thụ tại 270 nm, 730 nm và 2040 nm Mặc dù có sự khác biệt về đỉnh hấp thụ, cả hai phổ đều có hiệu suất hấp thụ mạnh mẽ (≥ 90%) trong vùng bước sóng 200 – 3000 nm Điều này đồng nhất với nhận xét rằng hàm điện môi TiN được ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa các nguyên tử Ti

Kết quả này có thể được giải thích bằng mô hình đơn giản sau: bán kính nguyên tử của Ti là 0,147 nm và bán kính nguyên tử của N là 0,065 nm, dẫn đến

tỷ lệ thể tích của N trong TiN khoảng 16% Dưới sự đồng nhất trong cả hàm điện môi và phổ hấp thụ cũng như phần trăm thể tích của Ti trong TiN, có thể khẳng định sự tương tác giữa các nguyên tử Ti trong TiN đóng vai trò quan trọng và chủ đạo trong quá trình xây dựng hàm điện môi của TiN

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 2 5 Phổ hấp thụ của cấu trúc bộ hấp thụ hai lớp dựa trên vật liệu Ti và

TiN

Sự chênh lệch giữa các hàm điện môi thực nghiệm có thể xuất phát từ sự

đa dạng trong các phương pháp đo hay các phương pháp chế tạo Trong đó, việc

sử dụng các phương pháp chế tạo khác nhau có thể tạo ra các vật liệu TiN với cấu trúc khác nhau Ngoài ra, sự xuất hiện của khuyết tật trong mạng cũng như sự hiện diện của các chất pha tạp cũng có thể góp phần tạo nên khác biệt này Để tìm hiểu về cấu trúc phân tử của vật liệu và khám phá các khuyết tật trong mạng tinh thể, người ta có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm hoặc mô phỏng DFT Tuy nhiên, vì nghiên cứu này mang tính chất phức tạp, chúng tôi không đi sâu vào khía cạnh này trong đồ án Thay vào đó, chúng tôi tập trung vào việc phân tích sự xuất hiện của chất pha tạp trong quá trình chế tạo vật liệu TiN

Khi chế tạo TiN, các phân tử Oxy có thể xâm nhập và pha tạp trong cấu trúc của TiN và tạo thành vật liệu TiNO (Titanium Oxynitride) Vật liệu TiNO có thể coi như vật liệu composite TiO2/TiN (có cả thành TiN kết hợp với TiO2) Điều này làm thay đổi tỉ lệ thành phần của các nguyên tố, tác động đến cấu trúc Copies for internal use only in Phenikaa University

và tính chất của vật liệu TiN tinh khiết Đây là sự pha tạp không chủ đích của Oxy trong TiN nên rất khó điều chỉnh tỉ lệ của phân tử Oxy và Nitơ Để làm rõ hơn về ảnh hưởng của pha tạp Oxy vào TiN, chúng tôi đã sử dụng mô hình lý thuyết Xấp xỉ môi trường hiệu dụng (Effective medium approximation) Mô hình này biểu diễn sự ảnh hưởng của vật liệu được pha tạp vào lên hàm điện môi của vật liệu nền, được định nghĩa bởi công thức (6):

𝜀𝑒𝑓𝑓 = 𝜀𝑚2𝛿𝑖(𝜀𝑖−𝜀𝑚)+𝜀𝑖+2𝜀𝑚

Trong đó, 𝜀𝑒𝑓𝑓 là giá trị điện môi hiệu dụng trung bình, 𝜀𝑚 và 𝜀ⅈ lần lượt là giá trị điện môi của vật liệu nền và vật liệu pha tạp, 𝛿ⅈ là tỉ lệ thể tích của vật liệu được đưa vào Với trường hợp vật liệu nền là TiN, vật liệu được pha tạp vào là TiO2, chúng tôi xét tỉ lệ thể tích δi từ 0 – 50% Ở đây chúng tôi sử dụng hàm điện môi TiO2 thực nghiệm từ nghiên cứu [50]

Hình 2 6 Sự thay đổi của hàm điện môi vật liệu TiN theo tỉ lệ thể tích của TiO 2

trong (a) phần thực (b) phần ảo

Quan sát Hình 2.6(a), có thể thấy giá trị phần thực của hàm điện môi vật liệu TiN tăng dần theo chiều tăng của tỉ lệ thể tích TiO2 ở vùng bước sóng hồng ngoại Ở bước sóng khoảng 500 nm, phần thực của hàm điện môi của TiN có sự thay đổi đáng kể, đặc biệt là ở giá trị δi = 30% Đồng thời, Hình 2.6(b) cũng biểu diễn sự giảm dần của phần ảo khi tỉ lệ thể tích của TiO2 tăng Kết hợp với sự tăng Copies for internal use only in Phenikaa University

dần của tỷ lệ mol Oxy, tính kim loại của TiN được dự đoán sẽ giảm dần, dẫn dến

sự suy giảm khả năng hấp thụ của vật liệu, đặc biệt ở bước sóng 500 nm

Hình 2.7 biểu diễn phổ hấp thụ của cấu trúc bộ hấp thụ hai lớp, sử dụng vật liệu TiNO với P = 430 nm, h1 = 320 nm, h2 = 140 nm và D = 315 nm Có thể quan sát được phổ hấp thụ của cấu trúc thu hẹp và độ hấp thụ giảm dần ở bước sóng 700 – 3000 nm khi tăng tỉ lệ TiO2 Đồng thời, ở bước sóng 500 nm, độ hấp thụ giảm mạnh, đặc biệt với δi = 30% Điều này đồng nhất với dự đoán về mối quan hệ giữa độ hấp thụ và tỉ lệ TiO2 được nêu trên

Hình 2 7 Phổ hấp thụ của cấu trúc khi thay đổi tỉ lệ thể tích của TiO 2 trong TiN

Trước đó, Zhang và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về vật liệu TiNO ứng dụng cho bộ hấp thụ năng lượng mặt trời chọn lọc quang phổ, trong đó TiNO_L và TiNO_H tương ứng với vật liệu TiNO có tỷ lệ N/O thấp và cao [51] Quan sát Hình 2.8, có thể thấy cả TiNO_L và TiNO_H đều có phần ảo ε′′ thấp hơn đáng kể so với TiN Vì vậy, rõ ràng ta có thể kết luận rằng vật liệu TiNO hấp thụ ánh sáng kém hơn của TiN Ngoài ra, vì phần ảo ε′′ của TiNO_H cao hơn so với TiNO_L nên độ hấp thụ của nó được đánh giá là tốt hơn, như đã được Zhang Copies for internal use only in Phenikaa University

khẳng định trong báo cáo Điều này có nghĩa là sự hiện diện của Oxy trong TiN trong quá trình chế tạo sẽ làm giảm tính hấp thụ quang học của TiN Do đó, để vật liệu hấp thụ tốt, các nhà nghiên cứu cần kiểm soát lượng Oxy pha tạp một cách cẩn thận Các dẫn chứng trên cho thấy sự đồng thuận của kết quả nghiên cứu này so với những nhận định của chúng tôi về độ hấp thụ của vật liệu TiN khi được pha tạp TiO2.

Hình 2 8 Phần thực và phần ảo của vật liệu TiNO_L, TiNO_H và TiN ở bước

sóng 300 – 2500 nm.

Bên cạnh đó, chúng tôi có thể xác định tính chính xác trong dự đoán lý thuyết thông qua phân tích hiệu ứng quang nhiệt của vật liệu TiNO Độ dẫn nhiệt hiệu dụng của vật liệu TiNO theo các tỉ lệ khác nhau của TiO2 và TiN được tính thông qua mô hình Hamilton-Crosser:

Trong đó, Km = 60 W/m/Klà độ dẫn nhiệt của vật liệu nền TiN, Ki = 8,5 W/m/K

là độ dẫn nhiệt của vật liệu TiO2, và 𝛷 là tỉ lệ thể tích TiO2

Copies for internal use only in Phenikaa University