Nghiên cứu sự tương tác của siêu vật liệu – metamaterials với trường điện từ trên cơ sở lý thuyết môi trường hiệu dụng

THÔNG TIN VỀ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Bùi Sơn Tùng Giới tính: Nam Ngày sinh: 4/10/1988 Nơi sinh: Cần Thơ Quyết định công nhận học viên số: 3619/QĐ-CTSV, ngày 30 tháng 12 năm 2010 Các thay đổi trình đào tạo: Không Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu tương tác siêu vật liệu – metamaterials với trường điện từ sở lý thuyết môi trường hiệu dụng Chuyên ngành Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.07 10 Cán hướng dẫn khoa học: TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 11 Tóm tắt kết luận văn: Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn chia làm chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan siêu vật liệu – metamaterials Chương 2: Miêu tả phương pháp nghiên cứu, bao gồm lựa chọn cấu trúc, phương pháp mô phương pháp tính toán tham số điện từ hiệu dụng Hình Ô sở cấu trúc cặp dây bị cắt (CWP) phân cực sóng điện từ Chương 3: Trình bày kết thu thảo luận Kết luận văn bao gồm: * Xây dựng thành công chương trình tính toán tham số điện từ hiệu dụng * Mô thành công siêu vật liệu có độ từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp dây bị cắt (CWP): (a) (b) Hình (a) Phổ truyền qua phản xạ cấu trúc CWP (b) Sự phụ thuộc độ từ thẩm theo tần số Phổ truyền qua cho thấy tượng cộng hưởng từ xảy tần số 1.9 THz dẫn đến vùng không truyền qua xung quanh tần số Kết tính toán xác nhận độ từ thẩm âm đạt khoảng tần số từ 1.88 - 2.17 THz * Mở rộng dải tần siêu vật liệu mô hình lai hóa: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Hình (a) Mô hình lai hóa bậc cho CWP Phổ truyền qua, phản xạ độ hấp thụ ứng với khoảng cách d CWP (b) 6ts, (c) 5ts, (d) 4ts, (e) 3ts, (f) 2ts, (g) ts Đề xuất mô hình lai hóa bậc cho CWP Kết mô cho thấy tần số cộng hưởng từ dần mở rộng tách mô hình lai hóa đề xuất Vùng tần số có độ từ thẩm âm mở rộng với độ rộng tăng từ 0.14 THz lên thành 0.28 THz khoảng cách CWP giảm từ d = 3ts xuống d = ts Hình Độ từ thẩm phụ thuộc vào khoảng cách d CWP * Siêu vật liệu có khả tùy biến điều khiển nhiệt độ: Tích hợp bán dẫn InSb vào siêu vật liệu đóng vai trò kim loại linh động Khi nhiệt độ tăng từ 300 đến 350K, nồng độ hạt tải tần số plasma InSb tăng dần tính chất kim loại bán dẫn InSb tăng (a) (b) Hình (a) Ô sở siêu vật liệu có cấu trúc đĩa tròn (b) Sự phụ thuộc nông độ hạt tải tần số plasma theo nhiệt độ Kết mô phổ truyền qua cho thấy đỉnh cộng hưởng từ dịch từ tần số 0.6 đến 0.85 THz nhiệt độ tăng từ 300 lên 350 K Bên cạnh đó, cường độ cộng hưởng từ có xu hướng tăng dần nhiệt độ tăng Độ từ thẩm âm đạt vùng nhiệt độ khảo sát Khi nhiệt độ tăng, vùng có độ từ thẩm âm trở nên rộng dịch chuyển phía tần số cao (a) (b) Hình Sự phụ thuộc vào nhiệt độ (a) Phổ truyền qua (b) Độ từ thẩm, đường nét liền tương ứng với giá trị có độ từ thẩm 12 Khả ứng dụng thực tiễn: 13 Những hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động vật liệu chiết suất âm dựa mô hình lai hóa bậc - Nghiên cứu công nghệ chế tạo phương pháp khảo sát vùng tần số THz - Chế tạo đo đạc tính chất siêu vật liệu dải rộng siêu vật liệu tùy biến hoạt động vùng tần số THz - Nghiên cứu khả điều khiển tính chất siêu vật liệu tác động ngoại vi khác quang, điện, 14 Các công trình công bố có liên quan đến luận văn: Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Bui Son Tung, Nguyen Van Hieu, Peter Lievens, and Vu Dinh Lam, “Broadband Negative Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials”, Applied Physics Express (11), 112001 (2012) D T Viet, N T Tung, N T Hien, Y P Lee, B S Tung, and V D Lam, “Multi-plasmon resonances supporting the negative refractive index in “singleatom” metamaterials”, Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials 21 (2), 1250019 (2012) Thanh Viet Do, Son Tung Bui, Van Quynh Le, Thi Hien Nguyen, Trong Tuan Nguyen, Thanh Tung Nguyen, YoungPak Lee and Dinh Lam Vu, “Design, fabrication and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology (4), 045014 (2012) Son Tung Bui, Xuan Khuyen Bui, Van Dung Nguyen, Thanh Tung Nguyen, Vu Chung Hoang, Tadaaki Nagao, Young Pak Lee and Dinh Lam Vu, “Tuning magnetic behavior of a dish pair structure metamaterial by temperature variation in the THz region”, IWAMSN, Halong City, Vietnam, October 30 – November 2, 2012 Ngày 10 tháng 12 năm 2012 Học viên Bùi Sơn Tùng INFORMATION ON MASTER’THESIS Full name: Bui Son Tung Sex: Male Date of birth: Place of birth: Can Tho 4/10/1988 Admission decision number: 3619/QĐ-CTSV Dated 30/12/2010 Changes in academic process: None Official thesis title: Studying the interaction between metamaterials and the electromagnetic field based on the effective medium theory Major: Solid state physics Code: 60.44.07 10 Supervisors: Dr Vu Dinh Lam, Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology 11 Summary of the finding of the thesis: Beside the introduction, conclusion, and references, the thesis divided into three parts: Chapter 1: Introduction of metamaterials Chapter 2: Research Method includes choice of metamaterials structure, simulation method and electromagnetic parameters retrieval method applying to metamaterials Figure A unit cell of cut-wire pair (CWP) structure and electromagnetic polarizaion Chapter 3: Results and discussion, which is divided in three parts: * Successfully building code pack to calculate the electromagnetic parameters * Simulation results of negative permeability metamaterials using cut-wire pair structure (CWP): (a) (b) Figure (a) Transmision and reflection spectra of CWP structure (b) Dependence of permeability on frequency Transmission result shows a magnetic resonance at 1.9 THz, that leads to a band-gap around this frequency The retrieval method confirms that the negative permeability is achieved in a frequency range from 1.88 to 2.17 THz * Broadband metamaterials based on hybridization model: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Figure (a) Second-order hybridization scheme of CWPs Transmission, reflection and absorbance corresponding to distance d between CWPs, which equals (b) 6ts, (c) 5ts, (d) 4ts, (e) 3ts, (f) 2ts, (g) ts Second-order hybridization scheme is presented for CWPs Simulated transmission exhibits broadening and splitting the magnetic resonance frequency that is in well agreement to the second-order hybridization model Negative permeability band is extended with the increase of bandwidth, from 0.14 THz to 0.28 THz, corresponding to the decrease of distance between CWPs, from d = 3ts to d = ts Figure Influence of distance d on the permeability * Tunable metamaterials by thermal controlling: Semiconductor InSb is incorporated into metamaterials and plays a role as mutable metal When the temperature increase from 300 to 350 K, the carrier density and plasma frequency of InSb increase The semiconductor InSb exhibits more metallic feature (a) (b) Figure (a) A unit cell of disk structure metamaterials (b) Dependence of carrier density and plasma frequency on temperature Simulated transmission spectrum shows a shift of magnetic resonance from 0.6 to 0.85 THz when the temperature increases from 300 to 350 K In addition, the resonance magnitude is strengthened too The retrieval method confirms that the negative permeability is achieved in the heating range When the temperature is raised, the negative permeability band is wider and shifts towards the higher frequency (a) (b) Figure Influence of temperature on (a) transmission and (b) permeability, the solid line indicates coressponding to permeabilty of 12 Practical applicability: 13 Further research directions: - Studying the broadband negative index metamaterials based on the secondorder hybridization model - Studying fabrication and measurements technique at THz frequency - Fabricate broadband metamaterials and tunable metamaterials working at THz frequency Measure their properties and features at the THz frequency - Studying the manipulation of properties of metamaterial using other external activities, such as optical and electrical impact, 14 Thesis-related publications: Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Bui Son Tung, Nguyen Van Hieu, Peter Lievens, and Vu Dinh Lam, “Broadband Negative Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials”, Applied Physics Express (11), 112001 (2012) D T Viet, N T Tung, N T Hien, Y P Lee, B S Tung, and V D Lam, “Multi-plasmon resonances supporting the negative refractive index in “singleatom” metamaterials”, Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials 21 (2), 1250019 (2012) Thanh Viet Do, Son Tung Bui, Van Quynh Le, Thi Hien Nguyen, Trong Tuan Nguyen, Thanh Tung Nguyen, YoungPak Lee and Dinh Lam Vu, “Design, fabrication and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology (4), 045014 (2012) Son Tung Bui, Xuan Khuyen Bui, Van Dung Nguyen, Thanh Tung Nguyen, Vu Chung Hoang, Tadaaki Nagao, Young Pak Lee and Dinh Lam Vu, “Tuning magnetic behavior of a dish pair structure metamaterial by temperature variation in the THz region”, IWAMSN, Halong City, Vietnam, October 30 – November 2, 2012 Date: 10/12/2012 Signature: Full name: Bui Son Tung