Bài viết làm rõ sự ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện từ của siêu vật liệu metamaterials. Từ đó, một mô hình siêu vật liệu metamaterials với cấu trúc đơn giản tích hợp với graphene được đề xuất cho thấy tiềm năng ứng dụng trong bộ lọc tần số do có khả năng đóng mở sự truyền qua của sóng điện từ ở tần số 1.15 THz bằng điện trường một cách linh hoạt.
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GRAPHENE LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SIÊU VẬT LIỆU METAMATERIALS THz Trần Văn Huỳnh1,2,3, Vũ Đình Lãm2, Nguyễn Thanh Tùng3* Tóm tắt: Siêu vật liệu metamaterials hoạt động vùng THz có nhiều tiềm ứng dụng lĩnh vực xạ nhiệt hiệu suất cao, lọc tần số, cảm biến hóa sinh độ nhạy cao, kỹ thuật cảm biến phân tử khác Những nghiên cứu gần tập trung vào việc tìm cách tích hợp siêu vật liệu metamaterials với vật liệu tiên tiến khác nhằm điều khiển tính chất đặc biệt siêu vật liệu metamaterials cách linh hoạt Graphene vật liệu tiên tiến với tính chất điện thú vị phù hợp với siêu vật liệu metamaterials THz Trong nghiên cứu này, làm rõ ảnh hưởng graphene lên tính chất điện từ siêu vật liệu metamaterials Từ đó, mơ hình siêu vật liệu metamaterials với cấu trúc đơn giản tích hợp với graphene đề xuất cho thấy tiềm ứng dụng lọc tần số có khả đóng mở truyền qua sóng điện từ tần số 1.15 THz điện trường cách linh hoạt Từ khóa: Vật liệu metamaterials; Cộng hưởng điện; Graphene; Tần số THz GIỚI THIỆU Bức xạ điện từ vùng THz biết đến với ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật phổ phân tích, ảnh sinh học, camera an ninh, thiết bị kiểm soát chất lượng thực phẩm lĩnh vực thông tin liên lạc [1] Do đó, nghiên cứu thiết bị vật liệu hoạt động vùng tần số THz nhận quan tâm đặc biệt nhà khoa đạt kết quan trọng Trong số phải kể đến khám phá dạng tồn carbon vật graphene [2] Với bề dày gồm lớp ngun tử, graphene có tính chất ưu việt cho độ truyền qua quang học cao, độ dẫn điện cao điều khiển hóa học, điện trường kích thích khác xem vật liệu tiềm ứng dụng cao cho công nghệ THz Cùng với graphene, siêu vật liệu metamaterials vật liệu nhân tạo với nhiều tính chất thú vị lĩnh vực xạ THz Siêu vật liệu metamaterial với tính chất điện từ biến đổi linh hoạt thông qua xếp cấu trúc hình học đặc tính vật lý vật chất cấu thành [3-6] Vì vậy, việc kết hợp hai loại vật liệu tiên tiến với ý tưởng khoa học thú vị lần thực từ năm 2012 cách thay thành phần kim loại siêu vật liệu metamaterials graphene [7, 8] Do khả thay đổi độ dẫn đặc tính quang học graphene tác động ngoại vi giúp tính chất siêu vật liệu metamaterials trở nên linh hoạt so với siêu vật liệu sử dụng kim loại truyền thống [9, 10] Mặt khác, siêu vật liệu sử dụng graphene dạng cấu trúc tuần hồn giúp tính chất thú vị graphene trở nên biến hóa so với dạng màng liên tục Kết hợp màng graphene thông thường với graphene cấu trúc hóa siêu vật liệu metamaterials cho phép mở rộng khả tận dụng ưu vật liệu graphene tính chất ứng dụng s thời, mật độ electron graphene lúc giảm đi, làm giảm tần số plasma graphene Giả 200 T V Huỳnh, V Đ Lãm, N T Tùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng … metamaterials THz.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Độ truyền qua thiết liên quan đến graphene kim loại, cần kiểm chứng thêm Tuy nhiên, kết cho thấy, siêu vật liệu tích hợp graphene triển vọng cho q trình điều khiển thay đổi tính chất siêu vật liệu sau chế tạo Đối với mạng dây dẫn kim loại muốn thay đổi tần số plasma, phải thay đổi kích thước mạng dây để thay đổi nồng độ hạt tải bên mạng dây Trong đó, với graphene, dễ dàng thay đổi tần số plasma cách thay đổi điện áp đặt vào Hình biểu diễn kết mô thay đổi phổ truyền qua cấu trúc siêu vật liệu CW kết hợp với màng graphene hóa học graphene tăng từ đến 0.4 eV Có thể thấy kết thú vị tần số 1.15 THz với µc sóng điện từ gần khơng truyền qua cấu trúc vật liệu (độ truyền qua khoảng 7%), nhiên, hóa học graphene tăng lên đến 0.4 eV sóng điện từ lại truyền qua tốt tần số (độ truyền qua đạt gần 90%) Mà trình bày trên, hóa học graphene điều khiển linh hoạt thông qua điện áp đặt vào lớp graphene đế Si Với độ dày lớp SiO2 thiết kế 500 nm điện áp đặt vào lớp graphene đế Si khoảng 260 V cho tương ứng với hóa học graphene thu 0.4 eV Tần số (THz) Hình Kết mơ ảnh hưởng hóa học graphene đến độ truyền qua siêu vật liệu cấu trúc CW tích hợp graphene Để hiểu rõ chế truyền qua khơng truyền qua sóng điện từ tần số cộng hưởng siêu vật liệu cấu trúc CW kết hợp với graphene, độ điện thẩm cấu trúc vật liệu trích suất biểu diễn hình Có thể dễ dàng nhận thấy, hóa học 0, độ điện thẩm chia làm vùng: vùng plasma nằm 1.0 THz vùng cộng hưởng điện khoảng 1.2 THz Cộng hưởng điện 1.2 THz quan sát rõ vùng độ điện thẩm âm Khi tăng hóa học, vùng plasma mở rộng phía tần số cao cách từ từ bao phủ lên vùng cộng hưởng điện Kết hồn tồn phù hợp độ dẫn graphene tăng lên, mật độ electron tăng theo, dẫn tới tần số plasma dịch chuyển phía tần số cao [24] Đồng thời, tăng hóa học, cộng hưởng điện vùng 1.2 THz cấu trúc kết hợp bị suy yếu dần biến mất, hóa học graphene đạt đến 0.4 eV cộng hưởng điện cấu trúc bị suy yếu hoàn tồn, đó, tần số plasma dịch chuyển lớn tần số cộng hưởng điện cấu trúc CW ban đầu Kết phù hợp với độ truyền qua cấu trúc Khi hóa học graphene đạt đến 0.4 eV tần số cộng hưởng điện ban đầu cấu trúc CW sóng điện từ khơng cịn cộng hưởng mà cho kết truyền qua tốt Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 201 Phần thực độ điện thẩm Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Tần số (THz) Hình Kết mơ ảnh hưởng hóa học graphene đến độ điện thẩm siêu vật liệu cấu trúc CW tích hợp graphene KẾT LUẬN Bằng việc mô kết hợp với tính tốn dựa vào mơ hình mạch điện tương đương, ảnh hưởng graphene lên tính chất điện từ cấu trúc siêu vật liệu metamaterials CW khảo sát Kết cho thấy chất tác động lên cộng hưởng điện cấu trúc CW độ dẫn graphene Cấu trúc vật liệu thiết kế phù hợp với công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến Độ truyền qua siêu vật liệu tích hợp với graphene tần số 1.15 THz từ % đến 87 % điều khiển linh hoạt thơng qua điện trường ngồi tương ứng với điện áp đặt vào từ V đến 260 V Kết hồn tồn kiểm tra thực nghiệm chế tạo mẫu từ tiến tới ứng dụng thực tế với thiết bị THz Lời cảm ơn: Nghiên cứu thực tài trợ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam thông qua đề tài HTQT mã số QTBY01.01/20-21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 202 M Tonouchi, Nature (London) 1, 97 (2007) A Geim, Science 324, 1530 (2009) V G Veselago, Sov Phys.Usp 10, 509 (1968) N T Tung, T Tanaka, Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications 28, 100–105 (2018) D T Viet, N V Van, V D Lam, and N T Tung, Applied Physics Express 8, 032001 (2015) D T Anh, D T Viet, P T Trang, N M Thang, H Q Quy, N V Hieu, V D.Lam, N T Tung, AIP Adv 5, 077119 (2015) S H Lee, M Choi, T.-T Kim, S Lee, M Liu, X Yin, H K Choi, S S Lee, C.-G Choi, S.-Y Choi, X Zhang, and B Min, Nature Mat 11, 936 (2012) T V Huynh, B S Tung, B X Khuyen, V D Lam and N T Tung, Modern Physics Letters B 33(33), 1950404 (2019) P Tassin, T Koschny, and C Soukoulis, Science 341, 620 (2013) P Zhou, H Wei, Q Sun, P Wang, S Ding, A Jiang, and D W Zhang, J Mater Chem C 1, 2548 (2013) T V Huỳnh, V Đ Lãm, N T Tùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng … metamaterials THz.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [11] X He, Y Yao, Z Zhu, M Chen, L Zhu, W Yang, Y Yang, F Wu and J Jiang, Opt Mater Express 8, 1031 (2018) [12] Y Jiang, H D Zhang, J Wang, C N Gao, J Wang, and W P Cao, Opt Lett 43, 4296 (2018) [13] R Wang, X.-G Ren, Z Yan, L.-J Jiang, W E I Sha and G.-C Shan, Front Phys 14, 13603 (2019) [14] V P Gusynin, S G Sharapov, J P Carbotte, J Phys Condens Matter 19, 026222 (2007) [15] Z Su, J Yin and X Zhao, Opt Express 23, 1679 (2015) [16] L Ye, Y Chen, G Cai, N Liu, J Zhu, Z Song and Q H Liu, Opt Express 25, 11223 (2017) [17] Y Zhang, Y Feng, B Zhu, J Zhao and T Jiang, Opt Express 22, 22743 (2014) [18] N T Tung, D T Viet, B S Tung, N V Hieu, P Lievens, and V D Lam, Appl Phys Express 5, 112001 (2012) [19] X He, X Zhong, F Lin and W Shi, Opt Mater Express 6, 331 (2016) [20] J.S Gómez-Díaz, J Perruisseau-Carrier, Opt Express 21, 15490 (2013) [21] J Zhou, E N Economon, T Koschny and C M Soukoulis, Opt Lett 31, 3620 (2006) [22] www.cst.com [23] P.R Gray, P.J Hurst, S.H Lewis, R.G Meyer, fifth ed, Wiley, 40 (2009) [24] N.T Tung, T.X Hoai, V.D Lam, J.W Park, V.T Thuy, Y.P Lee, Eur Phys J B 74, 47(2010) ABSTRACT INVESTIGATING THE INFLUENCE OF GRAPHENE ON THE ELECTRICAL BEHAVIOR OF THz METAMATERIALS Metamaterials operating in the THz region have many potential applications in the fields of high-performance heat radiation, frequency filters, high-sensitivity biochemical sensors, and other molecular sensor techniques Recent studies focus on finding ways to integrate metamaterials with other advanced materials in order to control the special properties of metamaterials in a flexible way Graphene is one of the advanced materials with interesting electrical properties that can fit into metamaterials THz metamaterials In this study, we clarify the influence of graphene on the electromagnetic properties of metamaterials Since then, a metamaterials model with a simple structure integrated with graphene has been proposed, showing the potential of frequency filter application due to its ability to open and close the transmission of electromagnetic waves at frequency 1.15 THz is flexible by the electric field Kewywords: Metamaterials; Electric resonance; Magnetic resonance; Graphene; THz frequencies Nhận ngày 03 tháng 08 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Đại học Phòng cháy Chữa cháy; Học viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Hàn lâm KH-CN Việt Nam; Viện Khoa học vật liệu Học viện KHCN, Viện Hàn lâm KH-CN Việt Nam * Email: tungnt@ims.vast.ac.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 203 ... hợp với tính tốn dựa vào mơ hình mạch điện tương đương, ảnh hưởng graphene lên tính chất điện từ cấu trúc siêu vật liệu metamaterials CW khảo sát Kết cho thấy chất tác động lên cộng hưởng điện cấu... (THz) Hình Kết mơ ảnh hưởng hóa học graphene đến độ truyền qua siêu vật liệu cấu trúc CW tích hợp graphene Để hiểu rõ chế truyền qua khơng truyền qua sóng điện từ tần số cộng hưởng siêu vật liệu. .. 2020 201 Phần thực độ điện thẩm Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Tần số (THz) Hình Kết mơ ảnh hưởng hóa học graphene đến độ điện thẩm siêu vật liệu cấu trúc CW tích hợp graphene KẾT LUẬN Bằng