Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Xây dựng cơ sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng sóng tần số THz. Thiết kế, đưa ra mô hình, mô phỏng đặc tính vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz. Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm tăng khả năng hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đặng Hồng Lưu NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở VÙNG TẦN SỐ THZ Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62.44.01.23 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Vũ Đình Lãm Người hướng dẫn khoa học 2: TS Lê Đắc Tuyên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vật liệu biến hóa vật liệu có cấu trúc nhân tạo với số tính chất đặc trưng chưa tìm thấy vật liệu tự nhiên Cấu trúc vật liệu biến hóa thiết kế hợp lý giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa hay meta-atoms), chúng tương tác với hai thành phần điện trường từ trường sóng điện từ theo cách hồn tồn khác so với loại vật liệu truyền thống, tạo tính chất lạ khơng tìm thấy tự nhiên Hiện nay, nhiều tính chất vật liệu biến hóa chứng minh lý thuyết thực nghiệm cách độc lập nhiều nhóm nghiên cứu giới Mặc dù vậy, phát tính chất vật liệu biến hóa xuất ngày có tác động lớn đến ngành vật lý nói riêng ngành khoa học giới nói chung Các nghiên cứu đột phá thường tập trung vào vật liệu có chiết suất âm, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, hay kết hợp hai loại vật liệu cho ứng dụng cụ thể Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có khả hấp thụ sóng điện từ với kích thước nhỏ so với bước sóng nên có có nhiều ứng dụng thực tế Tại Việt Nam, nghiên cứu vật liệu biến hóa tập trung phát triển vùng tần số viba (GHz) thuận lợi chế tạo đo đạc Đối với vùng tần số Terahertz (THz), tương tác sóng điện từ với cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước micro mét nano mét phức tạp hiệu ứng lượng tử mạnh hơn, bên cạnh cơng nghệ chế tạo kiểm chứng đặc tính hoạt động phức tạp Hiện nay, công nghệ THz triển khai ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quân sự, công nghệ thông tin truyền thông, sinh học y khoa, đánh giá khơng phá hủy, kiểm tra an ninh, kiểm sốt chất lượng thực phẩm nông sản, giám sát môi trường Vì vậy, vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số THz bắt đầu thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu giới, với số kết đáng ý chế tạo laser xung tần số THz, máy quét an ninh hệ mới, công nghệ bảo mật an ninh quốc phịng Ngồi ra, cịn tảng quan trọng để triển khai nghiên cứu vùng ánh sáng nhìn thấy Với lý ,việc nghiên cứu vật liệu biến hóa hoạt động tần số THz quan trọng cần thiết Mục tiêu nghiên cứu luận án - Xây dựng sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng sóng tần số THz - Thiết kế, đưa mơ hình, mơ đặc tính vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm tăng khả hấp thụ mở rộng dải tần làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động tác động ngoại vi - Chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số THz Nghiên cứu đặc tính điện từ chúng khả ứng dụng thực tế Các nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ tần số THz - Nghiên cứu tìm kiếm cấu trúc đơn giản,dễ chế tạo,hoạt động tần số Thz với dải tần làm việc rộng có khả điều khiển tần số hoạt động tác động ngoại vi - Nghiên cứu tìm kiếm ứng dụng vật liệu biến hóa thực tế Những đóng góp luận án: Luận án đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng tần số THz: (1) Đã tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa để tăng độ hấp thụ mở rộng dải tần làm việc; (2) Đã đề xuất mơ hình điều khiển tính chất hấp thụ vật liệu biến hóa kích thích quang nhiệt độ vùng tần số THz; (3) Đã chứng tỏ vật liệu biến hóa tăng cường tín hiệu dao động phân tử thử nghiệm làm cảm biến dò phân tử protein bò cho kết tốt Luận án chia thành chương sau: Chương Tổng quan Chương Phương pháp nghiên cứu Chương Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Chương Điều khiển tần số hoạt động vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ứng dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến Chương Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ sở hiệu ứng tương tác trường gần hiệu ứng Babinet CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa Vật liệu biến hóa vật liệu có cấu trúc nhân tạo, xây dựng dựa “giả nguyên tử” xếp theo trật tự định tương tự ô sở (unit-cell) mạng tinh thể vật liệu thơng thường Trong đó, kích thước giả ngun tử vật liệu biến hóa nhỏ nhiều lần bước sóng hoạt động Trong năm gần đây, nghiên cứu vật liệu biến hóa phát triển nhanh, liên quan đến nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác bao gồm vật lý bản, quang học, khoa học vật liệu, học kỹ thuật điện (được thiết kế việc chặn, hấp thụ, tăng cường bẻ cong đường sóng điện từ) 1.2 Phân loại vật liệu biến hóa Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε độ từ thẩm μ 1.3 Lý thuyết môi trường hiệu dụng Dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective medium theory – EMT), ta coi vật liệu biến hóa khối đồng với thơng số điện thẩm từ thẩm hiệu dụng đặc trưng cho toàn khối Giả thiết dựa thực tế kích thước thành phần cấu thành vật liệu nhỏ nhiều so với bước sóng hoạt động, từ tương tác sóng tới với mơi trường truyền tính trung bình thành phần tạo thành khơng gian 1.4 Vật liệu biến hóa chiết suất âm Vật liệu chiết suất âm kết hợp hoàn hảo hai thành phần điện từ vật liệu biến hóa Tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm độ điện thẩm âm (μ < 0, ε < 0) Để tạo chiết suất âm, cấu trúc cấu tạo từ hai thành phần: (1) thành phần từ để tạo độ từ thẩm âm (µ < 0); (2) thành phần điện để tạo độ điện thẩm âm (ε < 0) vùng tần số bên tần số plasma 1.5 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Khi cấu trúc tối ưu để đạt đồng thời phối hợp trở kháng tần số cộng hưởng (điện từ), vật liệu biến hóa thể đặc tính thú vị khả hấp thụ hồn tồn lượng sóng điện từ chiếu tới tần số hoạt động Loại vật liệu đặt tên vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối (MPA) Tại tần số cộng hưởng, lượng lưu trữ tiêu tán dần dạng nhiệt hay mát điện môi bên cấu trúc nên đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ bị triệt tiêu Để tìm hiểu chế hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz, xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa có hình dạng vòng dây bị cắt (SRR) Cụ thể, cấu trúc SRR xem xét cấu trúc cộng hưởng hoạt động theo mơ hình dao động mạch điện LC lưỡng cực điện Từ nhận xét rằng, tổn hao điện môi tổn hao kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) hai chế tiêu tán lượng vật liệu biến hóa (kim loại – điện mơi – kim loại) hoạt động vùng tần số THz 1.6 Hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ vật liệu biến hóa (EIT) Hiện tượng suốt cảm ứng điện từ (electromagnetically induced transparency - EIT) có nguồn gốc hiệu ứng lượng tử khiến cho môi trường hấp thụ sóng điện từ trở thành suốt vùng tần số hẹp (với độ hấp thụ không đáng kể) Về mặt chất, vật liệu biến hóa cấu tạo từ cấu trúc cộng hưởng điện từ Do vậy, vật liệu biến hóa hồn tồn tạo hiệu ứng EIT mà không cần đến điều kiện lượng tử phức tạp Cho đến thời điểm tại, hai phương pháp thường áp dụng để tạo vật liệu biến hóa có hiệu ứng EIT Phương pháp thứ thường gọi tương tác “sáng – sáng” mà hai cộng hưởng kích thích trường điện từ ngồi Cách tiếp cận thứ hai dựa tương tác “sáng - tối”, có cộng hưởng kích thích sóng tới cộng hưởng cịn lại kích thích thơng qua tương tác trường gần sinh cộng hưởng ban đầu Do chất kích thích cộng hưởng khác nhau, cộng hưởng ban đầu thường gọi mode sáng cộng hưởng sau gọi mode tối 1.7 Một số ứng dụng vật liệu biến hóa 1.7.1 Siêu thấu kính Nhờ vào vật liệu biến hóa chiết suất âm, siêu thấu kính phục hồi khơng thành phần truyền qua mà thành phần dập tắt sóng tới Đây khác biệt siêu thấu kính thấu kính thơng thường Do đó, độ phân giải siêu thấu kính tăng lên gấp nhiều lần 1.7.2 Vật liệu biến hóa ứng dụng làm tàng hình Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất lớp vỏ bao quanh vật thể siêu vật liệu biến hóa meta từ dương sang âm, đường sóng điện từ lớp vỏ bị bẻ cong hoàn hảo theo ý muốn Theo nguyên lý lớp vỏ siêu vật liệu biến hóa dẫn sóng điện từ vịng qua vật thể nhờ vật thể trở thành tàng hình bước sóng định Điều tạo nên đột phá lớn lĩnh vực dân quân Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ vật liệu tàng hình Hình 1.1 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng hình; (b) Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình 1.7.3 Vật liệu biến hóa ứng dụng làm cảm biến Phương pháp phổ biến sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến sở cộng hưởng plasmon bề mặt điện mơi vùng THz, phân tử dị nhờ dịch phổ hấp thụ phân tử thiết bị CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Lựa chọn cấu trúc vật liệu Cấu trúc đĩa tròn cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (SRR) coi giải pháp hiệu phù hợp mục tiêu nghiên cứu siêu vật liệu khác như: vật liệu chiết suất âm, vật liệu hấp thụ tuyệt đối hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ (EIT) hoạt động vùng tần số cao Đây cấu trúc sở mà lựa chọn để nghiên cứu, khảo sát tối ưu phạm vi luận án 2.2 Phương pháp mô Trong luận án này, sử dụng phần mềm mô thương mại CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) có quyền, để mơ tính chất điện từ vật liệu biến hóa tính hiệu độ xác cao, phù hợp với nhiều kết thực nghiệm công bố 2.3 Phương pháp tính tốn mạch LC tương đương Một cơng cụ hiệu để tìm quy luật hoạt động vật liệu biến hóa dựa thơng số hình học cấu trúc lý thuyết mạch điện dao động cộng hưởng LC Dưới kích thích trường điện từ bên ngoài, cuộn cảm hiệu dụng (L) định hình dạng lớp kim loại, tụ điện hiệu dụng (C) tạo thành xếp thành phần cấu tạo vật liệu biến hóa (điện mơi – kim loại) Từ đó, tần số cộng hưởng dự đốn cách tương đối thơng qua thơng số hình học cấu trúc 2.4 Xử lý phân tích số liệu Trong luận án này, chúng tơi sử dụng phương pháp tính tốn nhóm X.D Chen đề xuất, để xác định thông số hiệu dụng (chiết suất trở kháng hiệu dụng) áp dụng cho vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số GHz THz 2.5 Phương pháp thực nghiệm Trong phạm vi luận án này, bước đầu thực hóa vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số THz định hướng ứng dụng cho cảm biến y sinh Cấu trúc lựa chọn bao gồm ba lớp Ag-Si-Ag, chế tạo đế saphia kích thước 11 cm2 cách sử dụng phương pháp 11 hấp thụ phân tích phân bố dịng điện, điện trường từ trường Kết mô phù hợp với kết phân tích theo mơ hình mạch điện tương đương tính tốn lý thuyết Từ đề xuất phương pháp tối ưu tham số cấu trúc vật liệu biến hóa Tối ưu hóa cấu trúc MA kết hợp với hàng rào khuyết mạng cho dải hấp thụ tiếp tục mở rộng lên tới THz với độ hấp thụ lớn 90% CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG CẢM BIẾN 4.1 Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ phương pháp kích thích quang Trong nghiên cứu này, vật liệu VO2 sử dụng chất trung gian để điều khiển vật liệu MPA yếu tố quang học Khi cường độ kích thích quang thay đổi, VO2 chuyển pha dần từ kim loại sang điện môi ngược lại Do độ dẫn VO2 thay đổi dẫn tới đáp ứng điện từ cấu trúc vật liệu biến hóa bị ảnh hưởng 4.1.1 Cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh Để nghiên cứu hiệu khả điều khiển MPA phương pháp bơm quang học Mơ hình MPA có cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (SRR) lựa chọn để tối ưu hoạt động vùng tần số tương ứng (xung quanh tần số 0,5 THz) 4.1.2 Cấu trúc đĩa tròn bị kht Trên hình 4.4(a) mơ tả cấu trúc MPA với ba lớp bao gồm: (1) lớp chứa đĩa vàng bán kính R1 = 4,0 µm độ dày tm = 0,072 µm; (2) lớp điện mơi polyimide với độ 12 dày td = 0,6 µm số điện môi (độ điện thẩm) ε = 3,5; (3) lớp màng mỏng vàng độ dày tm Để khảo sát khả hấp thụ điều khiển tần số cấu trúc này, phần đĩa trịn có bán kính R1 kht khuyết theo phần giao đĩa trịn có bán kính R1 R2 (hình 4.4(a)) phần khoét khuyết thay vật liệu nhạy quang VO2 Hình 4.4 (a) Cấu trúc đĩa trịn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương Hình 4.5 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ cấu trúc đĩa trịn bị kht vào bán kính phần đĩa bị khuyết Hình 4.5(a) mơ tả dịch chuyển tần số phổ hấp thụ phía tần số cao R2 tăng lên Điều giải thích dựa mơ hình mạch LC tương đương cấu trúc mơ tả hình 4.4(b) Khi bán kính phần bị bị khoét R2 tăng lên, dẫn tới 13 diện tích hiệu dụng đĩa vàng có bán kính R1 bị giảm thành phần điện cảm Lm Cm cấu trúc giảm Hệ tần số đáp ứng cộng hưởng từ cấu trúc tăng lên Hình 4.5 cho thấy kết mơ cho thấy R2 = đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ 10,8 THz, R2 = 0,3 μm, 1,2 μm, 2,4 μm, 3,6 μm, 4,8 μm đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ 10,9 THz, 11,0 THz, 12,2 THz, 13,8 THz 15,8 THz 4.1.3 Điều khiển tần số cường độ hấp thụ Trong phần này, dựa thay đổi giá trị độ dẫn điện phần đĩa khuyết VO2 (bán kính R2) dải tần số từ 10 THz đến 25 THz, vật liệu MA dễ dàng điều khiển cường độ tần số hấp thụ vùng tần số THz 4.2 Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ phương pháp kích thích nhiệt 4.2.1 Tính chất nhiệt vật liệu InSb Để nghiên cứu khả điều khiển hiệu hoạt động vật liệu MPA yếu tố nhiệt độ vùng THz, vật liệu bán dẫn InSb lựa chọn nghiên cứu phần Khi nhiệt độ tăng lên làm cho nồng độ hạt tải tăng lên, dẫn tới tính chất kim loại InSb biểu rõ ràng ảnh hưởng đáng kể tới tương tác vật liệu biến hóa với trường điện từ bên 4.2.2 Điều khiển tần số cường dộ hấp thụ cấu trúc vịng cộng hưởng Hình 4.11(a) mơ tả cấu trúc MA với ba lớp: (1) lớp chứa vịng nhẫn có rãnh xếp cách tuần hoàn: a = 50 μm, l = 40 μm 0, g = μm w = μm; (2) lớp điện môi với chiều dày ts = μm, (3) lớp đế phủ 14 lớp kim loại vàng Để tiện tính tốn, độ dày vật liệu kim loại cấu trúc đặt tm = μm Để điều khiển MA nhiệt độ, hai khe SRR thêm vật liệu InSb Hình 4.11(b) mô tả mạch điện tương đương LC cấu trúc (a) (b) Hình 4.11 (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) sơ đồ mạch điện tương đương Hình 4.12 Tần số độ hấp thụ MPA thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng từ 260 K đến 380 K, tần số hấp thụ bị dịch chuyển từ 0,5 THz đến 0,65 THz Điều giải thích nhiệt độ tăng, nồng độ hạt tải (N) vật liệu InSb tăng, kéo theo giá trị điện cảm L1 L3 tăng Do đó, giá trị điện cảm tổng cộng L vật liệu MPA giảm Vì vậy, tần số cộng hưởng từ MPA tăng lên kết đồ thị hình 4.12 15 4.3 Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ làm cảm biến 4.3.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến tần số THz Trong phần này, chúng tơi trình bày cách ứng dụng cấu trúc vật liệu biến hóa mỏng kích thước micromet, hoạt động khuếch đại nhằm tăng cường tín hiệu dao động hấp thụ vùng THz lớp hấp phụ siêu mỏng phân tử hữu cỡ lớn 4.3.2 Cấu trúc vật liệu biến hóa cảm biến protein phân tử bị(BSA) Hình 4.13 (a) Minh họa mẫu MM; (b) mặt cắt mẫu; (c) ảnh SEM mẫu Cấu trúc MM ba lớp bạc-Silic-bạc (Ag-Si-Ag) cho hình 5.10(a) (b) Hình 5.10(c) hình ảnh SEM nghiêng 30 độ thiết bị MM Các dãy gồm hai đĩa bạc, dùng cấu trúc cộng hưởng dưới, với lớp điện môi Si kẹp giữa, đặt đế saphia Các bề dày khác (0,2 μm 0,5 μm) độ rộng khác (6 μm 10 μm) chọn cho đĩa bạc cộng hưởng Bề dày điện môi Si độ tuần hoàn cấu trúc tương ứng μm 20 μm 4.3.3 Tính chất quang vật liệu biến hóa Hình 4.14(a,b) trình bày kết đo mô phổ truyền qua mẫu chế tạo Phổ truyền qua vật liệu biến 16 hóa cho thấy hai cộng hưởng tần số 4,2 THz (hay 140 cm-1, gọi đỉnh M1, tần số thấp) 5,8 THz (hay 194 cm-1, gọi đỉnh M2, tần số cao) Trong hai đỉnh cộng hưởng đĩa ba lớp kim loại - điện môi - kim loại, đỉnh tần số thấp thường cộng hưởng lưỡng cực từ, tần số cao cộng hưởng lưỡng cực điện Hình 4.14(c) cho kết mô khác phân bố trường điện từ, thực nhằm cho nhìn sâu vào quan hệ hai mode Hình 4.14 Kết (a) đo đạc; (b) mô phổ truyền qua vật liệu biến hóa; (c) Mơ phân bố điện từ vật liệu biến hóa mode kích thích M1 M2 4.3.4 Tính chất cảm biến vật liệu biến hóa Hình 4.15 kết cảm biến protein BSA dùng vật liệu biến hóa Từ 50 cm-1đến 2000 cm-1, BSA phân tử có tín hiệu dao động, định vị 4,8 THz, hình 5.12(a) Phổ BSA vẽ với phổ vật liệu biến hóa nhằm nhấn mạnh phù hợp phổ cộng hưởng vật liệu biến hóa tín hiệu phân tử đích Mặc dù mục đích ban đầu, làm trùng 17 khớp vị trí mode M1 với tín hiệu dao động BSA, không đạt được, chênh lệch mơ thực nghiệm (trong hình 4.14) đủ nhỏ để bỏ qua Tín hiệu BSA nằm hai mode vật liệu biến hóa mức lượng cao mode M1 vật liệu biến hóa Hình 4.15 (a) Phổ truyền qua lớp BSA (vịng đen) đo trước thí nghiệm cảm biến, độ lớn tín hiệu truyền qua cỡ 25% Phổ trình bày với phổ truyền qua mẫu vật liệu biến hóa (vịng trịn đỏ) để trùng khớp tín hiệu protein cộng hưởng vật liệu biến hóa Đường màu đỏ thể đường nội suy Fano cho tín hiệu BSA với độ dày nhỏ micromet (b) Phổ truyền qua tương đối lớp BSA siêu mỏng hấp phụ mẫu vật liệu biến hóa đế saphia (c) Phổ cho phân tử DTTCI RH6G đo điều kiện 18 4.4 Kết luận Trong chương này, tác giả nghiên cứu chứng minh khả điều khiển MPA phương pháp kích thích quang học vào vật liệu VO2 phương pháp kích thích nhiệt vào vật liệu InSb Kết nghiên cứu cho thấy khả điều khiển tần số cường độ hấp thụ hiệu quả.Chúng biểu diễn vật liệu biến hóa vùng THz với thiết kế phù hợp có khả cảm biến với phân tử tương tự quang phổ tăng cường bề mặt tần số quang học Quang phổ tăng cường vật liệu vật liệu biến hóa đặc biệt hữu dụng, cung cấp phương thức đơn giản cho cảm biến không phá hủy phân tử sinh học lớn, tạo hướng cho áp dụng cảm biến vùng THz vào ứng dụng cơng nghiệp CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU BIẾN HĨA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC TRƯỜNG GẦN VÀ HIỆU ỨNG BABINET 5.1 Hấp thụ đa đỉnh dựa tương tác trường gần hiệu ứng EIT Hình 5.1 mơ tả sở cấu trúc hấp thụ dựa hiệu ứng tương tác trường gần Cả hai mặt kim loại có độ dày ts = 0,5 μm, độ dày lớp điện môi t m = 1,4 μm Cấu trúc mặt trước xếp kim loại xếp dọc hai kim loại (dài hơn) xếp ngang đầu Kích thước kim loại xếp dọc: l1 = 5,5 μm w1 = 2,5 μm Đối với kim loại xếp ngang, độ dài rộng tương ứng 13,5 μm 1,5 μm Kích thước sở 15 μm Lớp điện mơi có số điện mơi 11,9, độ dẫn Bạc 6,3 107 S/m 19 Hình 5.1 Ơ sở cấu trúc hấp thụ dựa hiệu ứng tương tác trường gần Tại tần số từ 6,0 THz tới 8,5 THz, cấu trúc gồm kim loại nằm ngang không tạo đỉnh hấp thụ, cấu trúc gồm kim loại nằm dọc tạo đỉnh hấp thụ 80% tần số 7,49 THz Tuy nhiên, ghép đơi cấu trúc lại, hình 5.1, thay đỉnh hấp thụ, có đến hai đỉnh hấp thụ với cường độ 92% 100% ghi nhận tần số 7,02 THz 7,49 THz Hình 5.2 Kết mơ phổ hấp thụ cấu trúc hình 5.1 5.2 Hấp thụ đa đỉnh dựa khuyết mạng Trong phần này, tập trung nghiên cứu ảnh hưởng khuyết tật mạng lên tính chất đỉnh hấp thụ cấu trúc vật liệu biến hóa Bằng cách sử dụng mơ hình loại bỏ cấu trúc theo hai chiều ngang dọc siêu ô sở (3x3 ô sở), có cấu trúc hấp thụ dựa khuyết 20 tật mạng Độ hấp thụ cấu trúc chứa khuyết tật mạng tăng lên với độ hấp thụ đạt 98%, 100% 97% tần số cộng hưởng tương ứng 6,88 THz, 7,53 THz 7,84 THz 5.3 Áp dụng nguyên lý Babinet cho ứng dụng hấp thụ dựa tượng EIT Cấu trúc MPA sử dụng hình 5.8 có cấu tạo: lớp bạc chiều dày tm = 0,1 µm, kích thc ụ c s l 340ì340 àm2 vi l trống hình chữ nhật (hai lỗ trống dọc lỗ trống ngang với chiều dài l = 220 µm, chiều rộng w = 20 µm, khoảng cách giữa dọc với ngang d = 25 µm) Lớp điện môi thủy tinh chịu nhiệt chiều dày td = 50 µm với chiết suất n = 2,195 Lớp bạc chiều dày tm = 0,1 µm Hình 5.8 Cấu trúc sở MPA nhìn (a) góc nghiêng (b) góc trực diện từ xuống Hình 5.10 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào độ dịch chuyển s lỗ trống ngang 21 Hình 5.10 biểu diễn thay đổi phổ hấp thụ dịch chuyển vị trí lỗ trống ngang dọc theo chiều E Ban đầu, s = 0, cấu trúc MPA đối xứng tồn đỉnh hấp thụ Khi s tăng, tính đối xứng MPA bị phá vỡ Đỉnh hấp thụ ban đầu bị tách thành hai đỉnh hấp thụ riêng biệt khoảng cách đỉnh hấp thụ xa giá trị s lớn Với s = 80 µm, ta quan sát thấy hai đỉnh hấp thụ 0,32 THz 0,34 THz có độ hấp thụ 97% 5.4 Kết luận Bằng cách khéo léo tận dụng hiệu ứng EIT, tương tác trường gần tạo khuyết tật cấu trúc khối vật liệu biến hóa, chúng tơi xây dựng mơ hình vật liệu hấp thụ MPA đa đỉnh với độ hấp thụ lớn 90% Cơ chế hấp thụ giải thích dựa phân bố lại điện từ trường vùng tần số cộng hưởng, bên cạnh tương tác cộng hưởng nội với cộng hưởng dẫn sóng GMR Nghiên cứu rằng, khuyết mạng không tăng số đỉnh cộng hưởng mà tăng cường độ hấp thụ đỉnh Ngoài ra, cấu trúc hấp thụ thiết kế dựa nguyên lý Babinet tạo đỉnh cộng hưởng có độ hấp thụ cao Bằng cách thay đổi thông số cấu trúc, điều khiển vị trí tương ứng đỉnh cộng hưởng Đây kết bước đầu quan trọng việc tối ưu, điều khiển thực hóa vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số THz KẾT LUẬN CHUNG Luận án “Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz” thực Học viện Khoa học Công nghệ Viện 22 Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Những kết nghiên cứu luận án công bố tạp chí quốc tế (04 tạp chí ISI, 02 tạp chí Scopus), 04 đăng kỷ yếu hội thảo khoa học chuyên ngành Luận án có số đóng cho nghiên cứu Khoa học vật liệu nói chung Vật liệu biến hóa nói riêng: Đã tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa nhằm tăng độ hấp thụ mở rộng dải tần vùng tần số THz: Cấu trúc hốc cộng hưởng (MAC), cấu trúc đĩa cộng hưởng mở rộng dải tần hấp thụ THz với độ hấp thụ 90%, cấu trúc hàng rào khuyết mạng mở rộng dải tần lên tới 5THz với độ hấp thụ 95% Giải thích chế hấp thụ sóng điện từ chế mở rộng dải hấp thụ vật liệu biến hóa Đã nghiên cứu điều khiển tần số cường độ hấp thụ vật liệu biến hóa kích thích quang học nhiệt độ (sử dụng vật liệu VO2 InSb) Tần số hấp thụ MPA thay đổi từ 10,8THz-15,5 THz độ dẫn VO2 thay đổi từ 1,8.107 S/m đến 5.10-19 S/m Khi thay đổi nhiệt độ InSb từ 260 K-380 K điều chỉnh tần số hấp thụ từ 0,5THz-0,65 THz Đã thiết kế nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh với độ hấp thụ lớn 90% sở tương tác trường gần Lý giải chế tương tác trường gần, từ vận dụng để điều chỉnh tần số cộng hưởng tham số cấu trúc Đã chế tạo thành cơng vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần 23 số THz để nghiên cứu chế tăng cường tín hiệu dao động riêng phân tử protein bị Bước đầu chứng tỏ vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số THz có khả sử dụng làm cảm biến đo phân tử hữu HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Tiếp tục nghiên cứu tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz nhìn thấy, khả ứng dụng vật liệu biến hóa thực tế Nghiên cứu chế tạo cảm biến không phá hủy phân tử sinh học ứng dụng cơng nghiệp sở vật liệu biến hóa DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Manh Cuong Tran, Dinh Hai Le, Van Hai Pham, Hoang Tung Do, Dac Tuyen Le, Hong Luu Dang, and Dinh Lam Vu, Controlled Defect Based Ultra Broadband Full-sized Metamaterial Absorber, Scientific Reports 8, 9523 (2018) Tung S Bui, Thang D Dao, Luu H Dang, Lam D Vu, Akihiko Ohi, Toshihide Nabatame, YoungPak Lee, Tadaaki Nagao, and Chung V Hoang, Metamaterial-enhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules, Scientific Reports 6, 32123 (2016) Dang Hong Luu, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Le Dac Tuyen and Vu Dinh Lam, Multi-band absorption induced by near-field coupling and defects in metamaterial, Optik - 24 International Journal for Light and Electron Optics 156, 811816 (2018) H L Dang, V C Nguyen, D H Le, H T Nguyen, M C Tran, D T Le, and D L Vu, Broadband metamaterial perfect absorber obtained by coupling effect, Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, 26(3), 1750036 (2017) H L Dang, H T Nguyen, V D Nguyen, S T Bui, D T Le, Q M Ngo, and D L Vu, Cavity induced perfect absorption in metamaterials, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 7(1), 015015 (2016) Dang Hong Luu, Nguyen Van Dung, Pham Hai, Trinh Thi Giang, Vu Dinh Lam, Switchable and tunable metamaterial absorber in THz frequencies, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1, 65-68 (2016) Dang Hong Luu, Trinh Thi Giang, Nguyen Van Cuong, Le Dinh Hai, Le Dac Tuyen, and Vu Dinh Lam, Optically manipulated metamaterial absorber in THz frequencies, Proceeding of the 8th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN-2016), 209213 (2016) Dang Hong Luu, Pham The Linh, Nguyen Van Cuong, Tran Manh Cuong, Le Dac Tuyen, Vu Dinh Lam, Visible metamaterial absorber with hexagonal structutre, Tuyển tập hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS 2017), 68-71 (2017) Trần Mạnh Cường, Lê Đình Hải, Đặng Hồng Lưu, Lê Đắc Tuyên, Vũ Đình Lãm, Ultra broadband and polarizationinsensitive metamaterial THz absorber full-sized structure 25 using meta via wall, Tuyển tập hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS 2017), 408-411 (2017) 10 Đặng Hồng Lưu, Bùi Sơn Tùng, Trịnh Thị Giang, Phạm Thế Linh, Nguyễn Văn Cường, Trần Mạnh Cường, Bùi Xuân Khuyến, Lê Đắc Tuyên, Vũ Đình Lãm, Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ, Tuyển tập hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS 2017), 38-41 (2017) ... cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng sóng tần số THz - Thiết kế, đưa mơ hình, mơ đặc tính vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz Tối ưu hóa tham số cấu trúc... pháp nghiên cứu Chương Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Chương Điều khiển tần số hoạt động vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ứng dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến. .. chế hấp thụ sóng điện từ chế mở rộng dải hấp thụ vật liệu biến hóa Đã nghiên cứu điều khiển tần số cường độ hấp thụ vật liệu biến hóa kích thích quang học nhiệt độ (sử dụng vật liệu VO2 InSb) Tần