Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật liệu biến hóa trên cơ sở kết hợp với graphene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Trần Văn Huỳnh NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ ĐẲNG HƯỚNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP VỚI GRAPHENE Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – Năm 2021 Công 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 Nguyễn Thanh Tùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Vũ Đình Lãm 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 2021 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 (MMs – Metamaterials) vật liệu với nhiều tính chất đặc biệt như: chiết suất âm, hiệu ứng nghịch đảo dịch chuyển Doppler, siêu thấu kính, tàng hình, hiệu ứng nghịch đảo phát xạ Cherenkov, hiệu ứng hấp thụ hồn hảo sóng điện từ, [3-8] Những đặc tính khác lạ MMs nghiên cứu hoàn chỉnh ứng dụng vào thực tế giúp người thực hóa kỳ vọng vốn tồn giới khoa học viễn tưởng Một số lĩnh vực ứng dụng bật MMs giới như: viễn thơng, quốc phịng, hàng khơng, y tế, nơng nghiệp Một hướng nghiên cứu MMs hướng nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs – Metamaterial Perfect Absorbers) Các cộng hưởng MMs nói chung MPAs nói riêng thường kim loại (với độ dẫn thường khơng đổi), dẫn đến đặc tính chúng khó thay đổi sau chế tạo Đã có nhiều hướng nghiên cứu tích hợp vật liệu khác vào MPAs với mục đích điều khiển tính chất điện từ chúng thông qua tác động ngoại vi nhiệt, điện trường, từ trường, ánh sáng, … [15-19] Trong đó, xu hướng tích hợp vật liệu 2D graphene vào MPAs để điều khiển tính chất hấp thụ hướng nhiều nhóm nghiên cứu giới quan tâm Mặc dù hầu hết loại vật liệu MPAs tích hợp graphene cho phép thay đổi tần số biên độ hấp thụ, nhiên tồn hai nhược điểm lớn khiến khả ứng dụng loại vật liệu trở nên hạn chế, là: i) Chỉ có khả hấp thụ chiều phần lớn thiết kế MPAs sử dụng lớp kim loại phía sau ii) Chỉ có khả làm việc chế độ phản xạ (sóng tới vùng hấp thụ bị phản xạ lớp kim loại đóng vai trị gương điện từ) Do đó, nghiên cứu chất vật lý MPAs, từ tích hợp với graphene, tối ưu hóa cấu trúc để tạo hệ MPAs tích hợp graphene có khả hấp thụ đẳng hướng hai chiều hướng nghiên cứu mới, quan trọng, thiếu để đưa vật liệu MPAs tới ứng dụng thực tiễn quang học, quân sự, lượng y sinh Mục tiêu nghiên cứu luận án Đề xuất mơ hình, làm rõ chế vật lý, thiết kế nghiên cứu đặc trưng điện từ MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều Đề xuất mơ hình, làm rõ chế vật lý, thiết kế nghiên cứu khả điều khiển đặc trưng điện từ MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều cách tích hợp vật liệu 2D graphene Các nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu tính chất vật lý MMs hoạt động vùng tần số THz; ảnh hưởng tham số cấu trúc, tham số vật liệu đến tính chất MMs hoạt động vùng tần số THz, đặc biệt MPAs hấp thụ hai chiều sóng điện từ Lý giải tính chất điện từ graphene khả tích hợp graphene với vật liệu MMs Nghiên cứu xây dựng mơ hình vật lý, thiết kế chứng minh khả điều khiển tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều MPAs tích hợp graphene hoạt động vùng tần số THz CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs) 1.1.1 Khái niệm vật liệu MPAs Vật liệu biến hóa MMs vật liệu có cấu trúc nhân tạo, bao gồm cấu trúc sở xếp tuần hồn khơng tuần hồn Tính chất điện từ vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc hình học, xếp, vật liệu thành phần cấu trúc sở MPAs loại vật liệu biến hóa lần chứng minh vào năm 2008 [9], có khả hấp thụ gần tuyệt đối sóng điện từ MPAs cho thấy có nhiều tiềm ứng dụng thiết bị như: cảm biến, lọc tần số, thu lượng, … Ngày có nhiều hướng nghiên cứu khác MPAs triển khai thực Tuy nhiên, hướng tập trung vào MPAs với mặt phẳng kim loại hỗ trỡ hấp thụ, dẫn đến MPAs hấp thụ chiều sóng điện từ chiếu đến, đồng thời bên dải tần hấp thụ, sóng điện từ bị phản xạ hồn tồn 1.1.2 Các hướng nghiên cứu vật liệu MPAs Hiện nay, hướng nghiên cứu MPAs kể gồm: tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc phức tạp thành cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo [54-59]; thay đổi vùng tần số hoạt động từ MHz đến GHz đến THz tần số quang học [10,15,60]; mở rộng dải tần hấp thụ từ hấp thụ đơn đỉnh đến hấp thụ đa đỉnh đến hấp thụ dải tần rộng [63-74]; MPAs hấp thụ góc rộng [7579]; điều khiển tính chất MPAs tác động ngoại vi [1821,80-84], MPAs sử dụng hồn tồn điện mơi [85-87] 1.1.2 Tiềm phát triển ứng dụng MPAs Do có nhiều tính chất đặc biệt nên MPAs cho thấy tiềm ứng dụng nhiều lĩnh vực cảm biến [91-94], hấp thụ lượng [95-101], đa, chống phản xạ [102, 103], thiết bị phát quang [104-106], nhiệt điện quang [107-108], thiết bị hình ảnh [109,110], phát xạ nhiệt tuyệt đối [111, 112] 1.2 Tương tác điện từ vật liệu MMs 1.2.1 Cộng hưởng điện Bản chất cộng hưởng điện cấu trúc MMs với sóng điện từ tương tác điện trường sóng điện từ với thành phần kim loại cấu trúc MMs Sự tương tác dẫn đến dòng điện cảm ứng chiều thành phần kim loại Sự cộng hưởng xảy dòng điện cảm ứng hiệu dụng đạt giá trị cực đại Khi đó, độ điện thẩm hiệu dụng cấu trúc MMs đạt giá trị âm 1.2.2 Cộng hưởng từ Khi sóng điện từ tới tương tác với MMs, từ trường ngồi tạo dịng điện cảm ứng ngược chiều thành phần kim loại cấu trúc MMs Giá trị hiệu dụng dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tần số sóng điện từ Tại giá trị tần số sóng điện từ, dịng điện cảm ứng hiệu dụng đạt giá trị cực đại, MMs cộng hưởng với sóng điện từ cộng hưởng cộng hưởng từ 1.2.3 Sự phối hợp trở kháng Sự phối hợp trở kháng xảy trở kháng hiệu dụng vật liệu trở kháng không gian xung quanh Khi đó, sóng điện từ hồn tồn qua bề mặt vật liệu mà khơng có thành phần phản xạ bề mặt 1.3 Tổng quan vật liệu graphene 1.3.1 Tính chất điện từ graphene Với cấu trúc dải điện tử không khe hở graphene, độ dẫn thơng số thích hợp để mơ tả đặc tính điện từ Tấm graphene mơ hình hóa độ dẫn bề mặt Độ dẫn graphene xác định theo mơ hình độ dẫn Kubo Độ dẫn graphene biểu diễn thành hai thành phần độ dẫn intraband (σintra) độ dẫn interband (σinter) Với sóng điện từ tần số THz lượng photon nhỏ độ dẫn interband khơng đáng kể so với độ dẫn intraband [122-124] 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp graphene Các phương pháp tổng hợp graphene gồm: cắt vi cơ, sử dụng băng keo, bóc tách pha lỏng, lắng đọng pha hóa học, Epitaxy chùm phân tử [22,125] 1.3.3 Một số ứng dụng graphene Do graphene sở hữu nhiều tính chất đặc biệt graphene ứng dụng nhiều lĩnh vực cảm biến, lượng, thiết bị điện tử, vật liệu tổng hợp, y sinh, màng lớp phủ, … Trong đó, nhiều ứng dụng triển khai, đưa vào sản xuất cơng nghiệp thương mại hóa [125-131] 1.4 Vật liệu MPAs tích hợp graphene 1.4.1 Một số kỹ thuật tích hợp graphene MPAs i) Tích hợp lớp graphene liên tục phía cộng hưởng kim loại cấu trúc MPAs [133-140]; ii) Tích hợp lớp graphene có cấu trúc vào cộng hưởng kim loại vật liệu MPAs [141-144]; iii) Tích hợp lớp graphene có cấu trúc thay cộng hưởng kim loại MPAs [145-162]; iv) Tích hợp đa lớp graphene xen lớp điện môi thay cộng hưởng kim loại MPAs [163-167] 1.4.2 Điều khiển tính chất hấp thụ MPAs tích hợp graphene Bằng kỹ thuật khác nhau, graphene tích hợp vào vật liệu MPAs thơng qua điện chiều áp vào lớp graphene, mức lượng Fermi độ dẫn graphene điều khiển thông qua điện Tùy thuộc vào mục đích cụ thể, tần số hấp thụ cường độ hấp thụ MPAs tích hợp graphene điều khiển 1.4.3 Tiềm MPAs hai chiều tích hợp graphene MPAs tích hợp graphene có nhiều tiềm ứng dụng thiết bị THz Các thiết bị THz dựa MPAs tích hợp graphene hứa hẹn sử dụng nhiều lĩnh vực như: công nghệ thông tin truyền thông, cảm biến, y sinh, điều biến quang điện, thiết bị đóng mở quang học, máy dị nhiệt, thiết bị giám sát mơi trường, [148,169-173] 1.5 Kết luận Từ trình hình thành phát triển loại MMs, đặc biệt ý đến MPAs Các MPAs MPAs tích hợp graphene nghiên cứu thường hấp thụ chế độ phản xạ Trong cấu trúc MPAs thường sử dụng kim loại đóng vai trị gương phản xạ hồn tồn sóng điện từ chiếu đến, làm hạn chế ứng dụng chúng nhiều trường hợp lọc tần số, cửa sổ quang học thơng minh Do đó, luận án tập trung thiết kế nghiên cứu tính chất điện từ MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều vùng THz (0,4-2,5 THz), nơi tính chất điện từ graphene biến đổi rõ nét Từ đó, luận án trình bày thiết kế tích hợp graphene vào MPAs hấp thụ đẳng hướng hai chiều điều khiển chuyển đổi hấp thụ truyền qua tần số cộng hưởng CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong luận án này, nghiên cứu vật liệu MPAs phương pháp: tính tốn bán lý thuyết, lý thuyết mơi trường hiệu dụng, mơ hình hóa mơ vật lý Các phương pháp phương pháp cộng đồng quốc tế sử dụng rộng rãi, nhóm nghiên cứu Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam kế thừa phát triển thành kỹ thuật độc đáo, có độ tin cậy cao 2.1 Phương pháp tính tốn bán lý thuyết lý thuyết mơi trường hiệu dụng Sử dụng phương pháp truy hồi Chen [175], tham số: độ hấp thụ, độ điện thẩm, độ từ thẩm, chiết suất, trở kháng MPAs xác định thông qua tham số tán xạ S11 S21 Từ đó, tính chất điện từ MPAs xác định Lý thuyết môi trường hiệu dụng nguyên lý xuyên suốt trình nghiên cứu vật liệu MMs nói chung MPAs nói riêng Trong luận án này, sử dụng lý thuyết môi trường hiệu dụng để chứng minh chất cộng hưởng điện cộng hưởng từ vật liệu MPAs 2.2 Phương pháp mơ hình hóa mạch LC tương đương Khi sóng điện từ tương tác với MMs nói chung MPAs nói riêng, thành phần hầu hết cấu trúc MMs mơ hình hóa thành phần mạch điện LC tương đương Trong thành kim loại, dẫn điện tương đương cuộn cảm có điện trở; tương tác thành phần kim loại, dẫn điện đóng vai trị tụ điện Tần số cộng hưởng MPAs xác định tần số dao động riêng mạch LC, trở kháng hiệu dụng MPAs xác định thông qua trở kháng thành phần mạch điện 2.3 Phương pháp mô vật lý Luận án sử dụng phần mềm mô vật lý CST (Computer Simulation Technology) sở ứng dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn để xác định tham số tán xạ S11 S21 sóng điện từ tương tác với MPAs Đồng thời tần số cộng hưởng, CST cho phép trích xuất phân bố mật độ dịng điện, phân bố điện trường, từ trường, … Từ đó, tính chất điện từ MPAs phân tích làm rõ CHƯƠNG VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU Trong chương luận án, tập trung sử dụng cấu trúc cộng hưởng điện cộng hưởng từ đơn giản CW (Cut Wire) CWP (Cut-Wire Pair) hình đĩa trịn, hình vng hình kim cương để làm bật chất vật lý vật liệu MPAs hấp thụ hai chiều Cách tiếp cận mang tính tổng qt, biến đổi để áp dụng cho cấu trúc có dạng hình học phức tạp tùy ý 3.1 Tính chất điện từ cấu trúc CW hoạt động vùng THz Phổ truyền qua Phổ truyền qua (b) Tần số THz Tần số THz Hình 3.5 Phổ truyền qua cấu trúc DP thay đổi: (a) kích thước sở a, (b) đường kính đĩa trịn d Các kết phân tích mơ phỏng, tính tốn tần số cộng hưởng điện cấu trúc kim loại hình đĩa DS (Disk Shaped) khơng phụ thuộc vào đường kính d Trong đó, tần số cộng hưởng điện giảm kích thước sở, độ dày điện môi độ điện thẩm điện môi tăng 3.5 MPAs hấp thụ hai chiều theo chế lai hóa cộng hưởng từ 3.5.1 Thiết kế HMA cấu trúc cặp DP HMA (Hybridized Metamaterial Absorber) cấu trúc cặp DP thiết kế Hình 3.22, DP bao gồm hai đĩa kim loại Au đĩa đệm điện môi SiO2 kẹp giữa, cặp DP thiết kế chung đĩa kim loại Au giữa, toàn cặp DP in đế Si Độ hấp thụ Hình 3.22 Cấu trúc HMA lai hóa cộng hưởng từ 3.5.2 Đặc tính hấp thụ HMA cấu trúc cặp DP Tần số THz Hình 3.23 Phổ hấp thụ mô HMA cấu trúc cặp DP, CWP cấu trúc DP HMA mà DP bị nối tắt 12 Kích thước a (μm) Các phổ hấp thụ HMA cấu trúc cặp DP, HMA mà DP bị nối tắt thực trình bày Hình 3.23 Dựa vào phân tích mơ lý thuyết môi trường hiệu dụng, đỉnh hấp thụ phổ hấp thụ HMA chứng minh cộng hưởng từ gây Đồng thời, lai hóa, đỉnh hấp thụ HMA có hiệu suất tăng cường so với đỉnh hấp thụ HMA DP riêng lẻ gây 3.5.3 Tối ưu hóa tính chất hấp thụ HMA cấu trúc cặp DP Tần số THz Hình 3.30 Phổ hấp thụ mơ HMA kích thước sở HMA thay đổi Dựa cấu trúc HMA lai hóa, hai đỉnh hấp thụ cộng hưởng từ tối ưu hóa để chồng chập với dẫn đến hiệu suất hấp thụ tăng cường Q trình tối ưu hóa dựa kích thước ô sở HMA trình bày Hình 3.30, đỉnh hấp thụ với hiệu suất hấp thụ cao đạt 93% Vì đỉnh hấp thụ đạt chế chồng chập cộng hưởng từ nên tính chất hấp thụ ổn định góc tới sóng điện từ thay đổi 3.6 Kết luận Dựa kết thu từ phương pháp mô phỏng, lý thuyết mơi trường hiệu dụng phân tích mạch LC tương đương, đặc tính điện từ MMs cấu trúc DS, MPA cấu trúc DP, MPA cấu trúc cặp DP làm rõ Trong luận án này, chúng 13 đưa chứng minh hai cách tiếp cận để tạo vật liệu MPA hấp thụ đẳng hướng hai chiều sử dụng cấu trúc CWP: i) chế chồng chập cộng hưởng điện từ ii) hai chế lai hóa cộng hưởng từ Các kết nghiên cứu chương đăng Tạp chí trình bày báo cáo Hội nghị, cụ thể “Danh mục cơng trình cơng bố luận án” cơng trình: 4-7, 9, 13 CHƯƠNG VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE 4.1 Ảnh hưởng graphene đến tính chất điện từ vật liệu MMs vùng tần số THz Tính chất điện từ màng graphene khảo sát thơng qua mơ phổ truyền qua Từ độ điện thẩm, độ từ thẩm trích xuất để phân tích Kết phân tích mơ cho thấy tần số plasma graphene khoảng 1.1 THz, kết qủa phù hợp với nghiên cứu công bố [190] Tính chất điện MMs cấu trúc CW (tấm kim loại hình chữ nhật) tích hợp màng graphene mơ phân tích Kết cho thấy, tương tác cấu trúc CW graphene, tần số cộng hưởng điện MMs cấu trúc CW tích hợp graphene tăng, tần số plasma cấu trúc giảm 4.2 Điều khiển tính chất điện từ MPA chiều tích hợp graphene 4.2.1 Điều khiển tần số MPA chiều tích hợp graphene Cấu trúc MPA đĩa trịn tích hợp graphene, màng graphene có cấu trúc (lưới hình chữ thập) tích hợp phía cộng hưởng (các đĩa Au) MPA thiết kế 14 hấp thụ sóng điện từ tần số THz (gần với tần số plasma graphene) Các phân tích mơ mạch điện LC tương đương cho thấy, mức Fermi tăng, độ dẫn graphene tăng, mật độ hiệu dụng hạt tải tăng, dẫn đến độ tự cảm gây lưới graphene giảm tần số cộng hưởng tăng Trong đó, độ hấp thụ gần khơng thay đổi hấp thụ xác định gây cộng hưởng từ mà đĩa Au đóng vai trị Năng lượng Fermi (eV) Năng lượng Fermi (eV) Hình 4.8 Mơ hình mạch điện LC tương đương MPA đĩa trịn tích hợp graphene Tần số (THz) d = 50 μm Tần số (THz) Hình 4.9 Độ hấp thụ MPA tích hợp graphene mức lượng Fermi graphene thay đổi với d = 46, 50 µm 4.2.2 Điều khiển cường độ hấp thụ MPA chiều tích hợp graphene MPA đề xuất tương tự cấu trúc MPA hình đĩa tích hợp graphene, đĩa kim loại Au thay d =cộng 46 μmhưởng MPA lưới đĩa graphene graphene Do đó, 15 Độ hấp thụ Các phân tích mơ mạch điện LC tương đương mức lượng Fermi (thế hóa học µc) graphene tăng, tần số cộng hưởng MPA tăng, đồng thời hiệu suất hấp thụ tăng dần Khi hóa học graphene tăng dần đến 0,5 eV độ hấp thụ tăng dần tương ứng đạt 99% Tần số (THz) Hình 4.12 Kết mơ ảnh hưởng hóa học graphene lên phổ hấp thụ MPA lưới đĩa graphene 4.2.3 Điều khiển cường độ hấp thụ dải tần rộng MPA chiều tích hợp graphene Hình 4.13 Cấu trúc sở MPA lưới graphene hình kim cương nhìn theo hướng tới sóng điện từ cấu trúc theo lớp Cấu trúc MPA hấp thụ chiều dải tần rộng tích hợp graphene dạng lưới graphene kết hợp với graphene 16 Thế hóa học (eV) hình kim cương Hình 4.13 Kết thu ứng với giá trị μc = 0,0 eV có hai đỉnh hấp thụ cường độ thấp (38% tần số thấp 20% tần số cao); μc = 0,55 eV, hai đỉnh hấp thụ đạt gần 100%, tần số hai đỉnh hấp thụ dịch vùng tần số cao Khi lượng Fermi 0,55 eV, phổ hấp thụ đạt 90% từ 1,21 THz đến 1,78 THz Tần số (THz) Hình 4.14 Phổ hấp thụ mơ vật liệu MPA hóa học μc graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,55 eV Các kết nghiên cứu MPA hấp thụ chiều tích hợp graphene tương đương với kết nghiên cứu MPA sử dụng cấu trúc khác tích hợp graphene công bố Zhang cộng [142], He cộng [148], B Xiao cộng [149], F Chen cộng [159], H Zhu cộng [160] Điều khẳng định độ tin cậy, tính xác mơ hình graphene sử dụng luận án 4.3 MMs đẳng hướng tích hợp graphene cấu trúc CW hình kim cương Từ kết tính chất điện từ cấu trúc CW dạng tích hợp với màng graphene, cấu trúc dạng biến đổi thành cấu trúc hình vng, hình kim cương để tiếp tục làm rõ ảnh hưởng graphene lên cấu trúc CW khác Các mơ tính tốn phổ truyền qua, phổ hấp thụ, độ điện thẩm, độ từ thẩm lý thuyết môi trường hiệu dụng 17 Độ hấp thụ thực phân tích để làm rõ ảnh hưởng màng graphene có cấu trúc lên tính chất điện từ MMs cấu trúc CW hình kim cương Kết cho thấy graphene ảnh hưởng mạnh lên tính chất điện MMs cấu trúc CW, ảnh hưởng mạnh hóa học graphene thay đổi phạm vi từ 0,0 eV đến 0,2 eV Khi hóa học graphene tăng đến 0,2 eV cộng hưởng điện cấu trúc kết hợp graphene bị dập tắt Tần số (THz) Tần số (THz) Độ hâp thụ Hình 4.18 Phổ hấp thụ mơ hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene hóa học graphene thay đổi 4.4 Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo chế chồng chập cộng hưởng 4.4.1 MPA cấu trúc CWP hình kim cương Tần số (THz) Hình 4.21 Phổ hấp thụ mô MPAs cấu trúc CWP CWP_E 18 Cấu trúc CWP hình kim cương cho thấy khả điều khiển hấp thụ truyền qua dập tắt cộng hưởng điện tốt so với cấu trúc DP Nguyên nhân CW hình kim cương có đầu nhọn theo hướng phân cực điện trường nên tập trung điện tích nhiều hơn, dẫn đến khả điều khiển cộng hưởng điện tốt 4.4.2 Thiết kế tối ưu cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene Hình 4.22 MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene Mỗi ô sở cấu trúc bao gồm thành phần Au/SiO2/Au hình kim cương xếp tuần hồn đế gồm graphene/SiO2/Si MPA tích hợp graphene cấu trúc CWP hình kim cương tối ưu tham số cấu trúc cho khả hấp thụ tần số 1,38 THz với độ hấp thụ 92% Khi đó, tham số cấu trúc MPA gồm: kích thước ô sở 85 μm, kích thước miếng Au hình kim cương 54,5 μm, độ dày miếng đệm điện môi 1,8 μm 4.4.3 Cơ chế chuyển đổi hấp thụ 19 Tần số (THz) Thế hóa học graphene (eV) Thế hóa học graphene (eV) Thế hóa học graphene gần không ảnh hưởng đến cộng hưởng từ MPA, ngược lại ảnh hưởng mạnh lên cộng hưởng điện MPA Cộng hưởng điện bị suy giảm μc tăng bị loại bỏ hoàn toàn μc > 0,1 eV Đồng thời, tần số plasma tạo lớp graphene dịch chuyển phía tần số cao μc tăng dần Tần số (THz) Hình 4.26 (a) Phần thực độ từ thẩm (b) Phần thực độ điện thẩm MPA kim cương tích hợp graphene hóa học thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV 4.5 Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo chế lai hóa cộng hưởng từ 4.5.1 Thiết kế MPA lai hóa tích hợp graphene Hình 4.28 Cấu trúc sở MPA lai hóa tích hợp graphene MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene có hạn chế độ hấp thụ phụ thuộc mạnh vào góc tới sóng điện từ Hiện tượng nghiên cứu trước xác nhận nhạy với góc tới chất nhạy cộng hưởng điện [33,184] Do đó, chúng tơi đề xuất MPA cấu trúc 20 Độ hấp thụ CWP lai hóa hình vng (HMA) Từ tích hợp graphene vào MPA cấu trúc lai hóa cặp kim loại hình vng Hình 4.28 Cấu trúc lai hóa cặp kim loại hình vng sử dụng thay cho cấu trúc lai hóa cặp DP tích hợp graphene, tính chất lai hóa cặp kim loại hình vng rõ nét đồng thời khả điều khiển tính chất hấp thụ rõ nét 4.5.2 Tính chất hấp thụ vật liệu MPA lai hóa tính hợp graphene Các phân tích mơ lý thuyết mơi trường hiệu dụng chứng minh tích hợp lớp graphene, tượng lai hóa trì Hai đỉnh hấp thụ phổ hấp thụ hai cộng hưởng từ gây Đỉnh hấp thụ tần số thấp cộng hưởng từ CWP phía gây ra, đỉnh hấp thụ tần số cao cộng hưởng từ CWP phía gây 4.5.3 Điều khiển tính chất hấp thụ MPA lai hóa tích hợp graphene Tần số (THz) Hình 4.32 Phổ hấp thụ mô của: (a) Cấu trúc GHMA; (b) Cấu trúc GHMA μc 0,0 eV (c) Cấu trúc GHMA μc 1,0 eV 21 Góc tới Góc tới Màng graphene tích hợp phía cặp CWP có tác dụng điều khiển vùng cộng hưởng từ tần số thấp Khi hóa học graphene tăng, dẫn đến bất đối xứng cặp CWP tăng, dẫn đến cộng hưởng từ tần số thấp dịch vùng tần số cao, đồng thời mở rộng hai vùng cộng hưởng, dẫn đến hai vùng cộng hưởng chồng lên nhau, hiệu suất hấp thụ tăng cao 4.5.4 Tính chất hấp thụ góc rộng Tần số (THz) Tần số (THz) Hình 4.34 Kết mơ độ hấp thụ cấu trúc GHMA với góc tới khác chế độ TE chế độ TM trường hợp mức lượng Fermi 1,0 eV Kết mơ nhạy với góc tới cho thấy chế độ TM, hấp thụ ổn định khoảng 97% Ở chế độ TE, hấp thụ tương đối ổn định khoảng 97% với góc tới nhỏ 40o Với tỷ lệ hấp thụ hiệu cao 80%, hấp thụ đề xuất hoạt động tốt với góc tới lên đến 60o chế độ TE 80o chế độ TM 4.6 Kết luận Chương luận án đạt mục tiêu thiết kế cấu trúc vật liệu MPA tích hợp graphene có tính chất đặc biệt vùng THz, là: khả hấp thụ đồng sóng tới từ hai phía mẫu cho phép truyền qua đáng kể bên ngồi, đồng thời điều khiển tính chất hấp thụ thông qua điện chiều MPA cấu trúc CWP hình kim 22 cương tích hợp graphene có độ hấp thụ điều khiển từ 41% đến 92% tần số cộng hưởng MPA sử dụng cấu trúc CWP lai hóa tích hợp graphene điều khiển từ 52% đến 97% tần số cộng hưởng khơng phụ thuộc vào góc tới KẾT LUẬN CHUNG Luận án “Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng vật liệu biến hóa sở kết hợp với graphene” thực Viện Khoa học vật liệu Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Những kết luận án cơng bố tạp chí bao gồm: 04 tạp chí ISI, 05 tạp chí nước, 01 kỷ yếu hội thảo quốc gia chuyên ngành Luận án có số đóng góp cho nghiên cứu Khoa học vật liệu nói chung lĩnh vực nghiên cứu MMs nói riêng gồm: Đã nghiên cứu đề xuất hai chế vật lý, i) chế chồng chập cộng hưởng ii) chế lai hóa cộng hưởng từ để tạo đỉnh hấp thụ đẳng hướng, hai chiều Từ nghiên cứu xây dựng mơ hình vật lý, thiết kế chứng minh khả hấp thụ đẳng hướng hai chiều cho MPAs hoạt động vùng tần số THz với cấu trúc cặp kim loại nói chung cấu trúc cặp đĩa nói riêng Khi chồng chập cộng hưởng điện từ cấu trúc cặp đĩa đạt đỉnh hấp thụ hai chiều với hiệu suất hấp thụ 98% Khi chồng chập cộng hưởng từ theo chế lai hóa với cấu trúc cặp đĩa đạt đỉnh hấp thụ đẳng hướng hai chiều với hiệu suất 92% giữ ổn định góc tới thay đổi Đã nghiên cứu, đề xuất mơ hình vật lý đưa thiết kế chứng minh khả điều khiển tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều MPAs tích hợp graphene hoạt động vùng tần số 23 THz Với MPAs tích hợp graphene dựa chế chồng chập cộng hưởng, cường độ hấp thụ điều chỉnh cách hệ thống khoảng từ 41% đến 92% Đối với MPAs tích hợp graphene dựa chế lai hóa cộng hưởng từ, cho khả trì độ hấp thụ cao (hơn 80%) với góc tới lên đến 60o chế độ TE TM cường độ hấp thụ thay đổi từ 52% đến 97% Những kết thu luận án có tính chất hệ thống cho MPA hấp thụ đẳng hướng hai chiều tích hợp graphene hoạt động vùng tần số THz có cấu trúc cặp kim loại cấu trúc lai hóa cặp kim loại NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Luận án tập trung giải hoàn thành vấn đề tính chất điện từ vật liệu MPAs, cụ thể là: i) Đã đề xuất chế, xây dựng mơ hình vật lý, đưa thiết kế chứng minh khả hấp thụ đẳng hướng hai chiều cho MPAs hoạt động vùng tần số THz ii) Đã nghiên cứu cách hệ thống đặc trưng hấp thụ đẳng hướng hai chiều cho MPAs hoạt động vùng tần số THz iii) Đã đề xuất chế, xây dựng mơ hình vật lý, đưa thiết kế chứng minh khả điều khiển tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều MPAs tích hợp graphene hoạt động vùng tần số THz iv) Đã nghiên cứu cách hệ thống thay đổi tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều MPAs tích hợp graphene hoạt động vùng tần số THz 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Electrically tunable graphene-based metamaterials: A brief review”, Modern Physics Letters B 33, 1950404 (2019) Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Son Tung Ngo, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Controlling the absorption strength in bidirectional terahertz metamaterial absorbers with patterned graphene”, Computational Materials Science 166, 276-281 (2019) Minh Q Dinh, Tran Van Huynh, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Vu Dinh Lam, Son Tung Ngo, Minh Thuy Le, Nguyen Thanh Tung, “Grapheneintegrated hybridized metamaterials for wide-angle tunable THz absorber”, Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications 45, 100924-8 (2021) Minh Q Dinh, Minh Thuy Le, Son Tung Ngo, Tran Van Huynh, and Nguyen Thanh Tung, “Terahertz cut-wire-pair metamaterials absorber”, Journal of Applied Physics 130, 013102 (2021) Tran Van Huynh, Bui Son tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Characterization of a symmetric fishnet metamtaterial in the Mband”, Vietnam Journal of Science and Technology 58(2), 237-245 (2020) Tran Van Huynh, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Bui Son Tung, Le Thi Hong Hiep, Nguyen, Thanh Tung “Experimental Verification of a THz Multiband Metamaterial Absorber”, Communications in Physics 30(4), 311-318 (2020) Tran Van Huynh, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Simulation of angle-insensitive microwave metamaterial absorbers operating at transmission mode”, Communications in Physics 31(2), (2021) Trần Văn Huỳnh, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng graphene lên tính chất điện siêu vật liệu metamaterials THz”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân 10, 196-203 (2020) Trần Văn Huỳnh, Nguyễn Thanh Tùng, Vũ Đình Lãm, “Nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ vật liệu THz metamterial không phân cực”, Tạp chí KH&CN Quân 57, 163-170 (2018) 10 Trần Văn Huỳnh, Bùi Xuân Khuyến, Bùi Sơn Tùng, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng, “Nghiên cứu điều khiển khả hấp thụ dải tần rộng vật liệu biến hóa graphene”, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 11 (SPMS 2019), 2-4/11, Quy Nhơn, Việt Nam (2019) ISBN 978-604-98-7505-2 11 (Báo cáo) Trần Văn Huỳnh, Bùi Xuân Khuyến, Bùi Sơn Tùng, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng “Nghiên cứu điều khiển khả hấp thụ dải tần rộng vật liệu biến hóa graphene”, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 11 (SPMS 2019), 2-4/11, Quy Nhơn, Việt Nam (2019) 12 (Poster) Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Smart THz absorption window by a hybrid graphene-metamaterial syste”, The 4th International Confrence on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN 2019) October 13-16, Hanoi, Viet Nam (2019) 13 (Poster) Tran Van Huynh, Nguyen Thanh Tung, Vu Dinh Lam, “Electromagnetic behavior of infrared metamaterials”, The 8th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2018), November 7-11, Ninh Binh city, Viet Nam (2018) 14 (Poster) Tran Van Huynh, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Switchable absorption window using bidirectional hybrid THz metamaterials”, The 8th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2018), November 7-11, Ninh Binh city, Viet Nam (2018) 15 (Poster) Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Smart THz absorption window by a hybrid graphene-metamaterial system” The Fourth Internatonal Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN2019), October 13-16, Ha Noi city, Viet Nam (2019) 16 (Poster) T V Huynh, M Q Dinh, B X Khuyen, B S Tung, V D Lam, S T Ngo, M T Le, M S Baranava, A Danilyuk, V R Stempitsky, N T Tung, “THz smart absorber windows based on graphene-integrated hybird metamaterials”, The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2021), November 4-6, Ha Noi city, Viet Nam (2021) ... hấp thụ hai chiều sóng điện từ Lý giải tính chất điện từ graphene khả tích hợp graphene với vật liệu MMs Nghiên cứu xây dựng mơ hình vật lý, thiết kế chứng minh khả điều khiển tính chất hấp thụ. .. cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng vật liệu biến hóa sở kết hợp với graphene? ?? thực Viện Khoa học vật liệu Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Những kết. .. mục cơng trình cơng bố luận án” cơng trình: 4-7, 9, 13 CHƯƠNG VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE 4.1 Ảnh hưởng graphene đến tính chất điện từ vật liệu MMs vùng tần số THz Tính chất điện từ màng graphene