Nghiên cứu điều khiển dải tần số hoạt động của siêu vật liệu trong vùng quang học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC BÙI VĂN CHỈNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU TRONG VÙNG QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC BÙI VĂN CHỈNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU TRONG VÙNG QUANG HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ HIỀN THÁI NGUYÊN - 2019 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới cô giáo TS Nguyễn Thị Hiền - Khoa Vật lý Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên hướng dẫn, bảo tận tình suốt trình em thực luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo Khoa Vật lý Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên - người thày trang bị cho em kiến thức quý báu thời gian em học tập, nghiên cứu trường Để thực đề tài này, em xin cảm ơn hỗ trợ kinh phí từ đề tài nafosted “Chế tạo nghiên cứu siêu vật liệu đa dải tần dựa mơ hình tương tác”, mã số: 103.99-2018.35 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, người thân - người bên cạnh động viên, giúp đỡ thời gian em học tập thực luận văn tốt nghiệp Thái Nguyên, tháng 08 năm 2019 Học viên Bùi Văn Chỉnh i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan siêu vật liệu 1.2 Tổng quan siêu vật liệu có chiết suất âm 1.2.1 Vật liệu có độ điện thẩm âm .5 1.2.2 Vật liệu có độ từ thẩm âm 1.2.3 Vật liệu có chiết suất âm 1.3 Mơ hình lai hóa siêu vật liệu 10 1.3.1 Mơ hình lai hố bậc ứng với cấu trúc CWP .10 1.3.2 Mơ hình lai hóa bậc hai ứng với cấu trúc CWP hai lớp 12 1.4 Một số kết nghiên cứu điều khiển tần số làm việc siêu vật liệu tác động ngoại vi 14 1.4.1.1 Điều khiển vùng tần số làm việc siêu vật liệu tác động nhiệt 14 1.4.1.2 Mơ hình mạch điện LC ứng với cấu trúc cặp đĩa cho độ từ thẩm âm 15 1.4.1.3 Mơ hình mạch điện LC ứng với cấu trúc lưới đĩa cho chiết suất âm 16 1.4.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên tính chất điện vật liệu InSb 17 1.4.1.5 Điều khiển độ từ thẩm âm sử dụng cấu trúc cặp đĩa (DP) 17 1.4.1.6 Điều khiển chiết suất âm sử dụng cấu trúc lưới đĩa (DN) 19 1.4.2 Điều khiển vùng tần số làm việc siêu vật liệu tác động điện trường từ trường .21 1.4.2.1 Điều khiển vùng có độ từ thẩm âm điện trường 21 1.4.2.2 Điều khiển vùng có độ từ thẩm âm từ trường .23 1.4.3 Điều khiển tính chất chiết suất âm vật liệu yếu tố quang học nguồn sóng điện từ kích thích 26 ii CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Lựa chọn cấu trúc vật liệu .29 2.2 Phương pháp mô .32 2.3 Phương pháp tính tốn .34 2.3.1.Tính tốn cho biết hiệu hoạt động mơ hình lai hóa dựa theo mơ hình mạch điện LC 34 2.3.1.1 Tính tốn dựa theo mơ hình mạch điện LC ứng với cấu trúc cặp đĩa hai lớp (DPD) cho vùng từ thẩm âm rộng .34 2.3.1.2 Tính tốn dựa theo mơ hình mạch điện LC ứng với cấu trúc lưới đĩa hai lớp (DNP) cho chiết suất âm rộng 37 2.3.2 Phương pháp tính tốn dựa thuật toán Chen .38 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ lên tính chất điện vật liệu InSb 41 3.2 Nghiên cứu điều khiển hiệu hiệu mở rộng vùng từ thẩm âm dựa giản đồ lai hóa bậc hai sử dụng cấu trúc cặp đĩa hai lớp 43 3.3 Nghiên cứu vật liệu đệm hai lớp cấu trúc cặp đĩa cho hiệu điều khiển nhiệt giống với lớp đệm khơng khí 49 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 lưới đĩa hai lớp 50 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 56 KẾT LUẬN 58 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 59 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ Tên tiếng Việt SRR Split - Ring Resonator Vòng cộng hưởng CW Cut - Wire Dây kim loại bị cắt CWP Cut - Wire Pair Cặp dây bị cắt LH Left - Handed Quy tắc bàn tay trái LHMs Left - Handed Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái Meta Metamaterial Siêu vật liệu RH Right - Handed Quy tắc bàn tay phải iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ 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 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) cấu trúc SRR dãy tuần hồn Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động SRR để tạo µ < Hình 1.5 Dạng tổng quát độ từ thẩm hiệu dụng cho mơ hình SRR với giả thiết vật liệu khơng có tổn hao 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 .9 Hình 1.7 (a) Cấu trúc CWP, (b) giản đồ lai hóa, (c) phổ truyền qua cấu trúc CW cặp CW ( CWP) .11 Hình 1.8 a) Ơ sở cấu trúc CWP hai lớp b) mặt cắt cấu trúc CWP hai lớp c) mơ hình lai hóa bậc hai đề xuất với cấu trúc 12 Hình 1.9 Phổ truyền qua 13 Hình 1.10 Ơ sở siêu vật liệu có cấu trúc a) dạng cặp đĩa b) lưới đĩa R bán kính đĩa, w độ rộng dây liên tục Chiều dày lớp điện môi ts chiều dày lớp InSb tm 14 Hình 1.11 Mơ hình mạch điện LC cho cấu trúc cặp đĩa 15 Hình 1.12 Mơ hình mạch điện LC cho cấu trúc lưới đĩa .16 Hình 1.13.a) Phổ truyền qua nhiệt độ từ 300 K đến 350 K b) phổ truyền qua theo nhiệt độ tổng quát hóa (theo nhiều giá trị nhiệt độ) .18 Hình 1.14: a) Độ từ thẩm nhiệt độ 300 K đến 350 K b) độ từ thẩm theo nhiệt độ tổng quát hóa 18 Hình 1.15.a) Phổ truyền qua b) chiết suất cấu trúc dạng lưới đĩa InSb theo nhiệt độ c) tính tốn vùng có chiết suất âm nhiệt độ tăng .20 v Hình 1.16 Mơ hình sử dụng cấu trúc SRR để điều khiển độ từ thẩm âm nhúng tinh thể lỏng 21 Hình 1.17 a) Phổ truyền qua điện trường thay đổi b)tần số cộng hưởng từ phụ thuộc cường độ điện trường ngồi .22 Hình 1.18 Kết tính tốn độ từ thẩm hiệu dụng ứng với điện trường khác .23 Hình 1.19 Mơ hình điều khiển độ từ thẩm âm siêu vật liệu cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh sắt từ 24 Hình 1.20 Giá trị độ từ thẩm phụ thuộc từ trường sở tính tốn cho sắt từ vùng từ trường 25 Hình 1.21 Kết mơ độ từ thẩm (đường liền nét) so sánh với kết tính tốn theo cơng thức (2) (đường nét đứt) với giá trị từ trường 0, 2000 4000 Oe 26 Hình 1.22 a) Mơ hình cấu trúc vịng cộng hưởng tích hợp vật liệu quang phi tuyến sơ đồ tính tốn mạch tương đương nghiên cứu Chen cộng b) Sự biến đổi chiết suất siêu vật liệu cường độ sáng kích thích khác tần số khác (bước sóng khác nhau) 27 Hình 1.23 Mơ hình siêu vật liệu điều khiển chuỗi đèn LED 28 Hình 2.1 Sơ đồ trình nghiên cứu 29 Hình 2.2 Ơ sở cấu trúc 30 Hình 2.3 Giao diện mơ CST mơ cấu trúc lưới đĩa hai lớp 33 Hình 3.1 Tần số plasma nồng độ hạt tải phụ thuộc vào nhiệt độ 42 Hình 3.2 Mơ phụ thuộc (a) phổ truyền qua DPD (b) phần thực độ từ thẩm vào nhiệt độ 43 Hình 3.3 Phân bố lượng từ tần số cộng hưởng theo nhiệt độ 45 Hình 3.4 Phân bố lượng điện tần số cộng hưởng theo nhiệt độ 46 Hình 3.5 Sự phụ thuộc (a) Phổ truyền qua mô (b) độ từ thẩm vào khoảng cách hai lớp d cố định chiều dày lớp điện mơi td = 10µm 48 vi Hình 3.6 Sự phụ thuộc (a) Phổ truyền qua mô (b) độ từ thẩm vào chiều dày lớp điện môi td cố định d = 5µm 48 Hình 3.7 Mô phổ truyền qua cấu trúc DPD vào lớp đệm hai lớp cấu trúc (a) TPX, (b) Quart (c) Saphia 50 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 .52 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 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 mơi Pyrex glass (c) tính tốn vùng có chiết suất âm kép tăng theo tăng độ dày lớp Pyrex 55 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 vii MỞ ĐẦU Hiện để đạt kết cao công 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 thơng 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 khơng mong muốn (tác động yếu tố mơi Hình 3.7 Mô 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 ô 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 cịn 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 dòng 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 hoàn toàn điều chỉnh hệ điều chỉnh hiệu mơ 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) (  |    |   k0 ) 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 hoàn toàn 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 khơng đổi d thay đổi 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 Mơ 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 công 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 mơi 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 không 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 hoàn toàn 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 môi 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 thơng 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 mơi td hình 3.11 (a) (b) Kết cho thấy mở rộng vùng từ thẩm âm hoàn toàn giải thích theo giản đồ lai hóa bậc hai nghiên cứu Như vậy, nói mô 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 Mô 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 Ngoài 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 & CƠNG 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 ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC BÙI VĂN CHỈNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU VẬT LIỆU TRONG VÙNG QUANG HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT... 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... 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