L ỜI CAM ĐOAN
3.2. Tối ưu MPA hấp thụ ánh sáng dải kép
Do lớp dưới cùng là một mặt phẳng kim loại liên tục nên không có sóng truyền qua cấu trúc MM. Tuy nhiên, vì sóng phản xạ bao gồm cả sóng phân
cực u và phân cực v, nên độ hấp thụ tổng cộng của cấu trúc MM được tính bằng:
. (3.4) Đối với thí nghiệm của chúng tôi, một mẫu gồm 8 × 8 ô đơn vị đã được chế tạo bằng cách sử dụng phương pháp quang khắc và hàn như được thể hiện trong Hình 3.1 (c). Hệ số phản xạ đồng phân cực (Ruu) và hệ số phân cực chéo (Rvu) được đo bằng cách sử dụng VNA (Vector Network Analyzer) ZNB20 gắn với một cặp ăng ten bức xạ/phát hiện, như trong Hình 3.1 (d), phương pháp đo đã trình bày cụ thể trong Chương 2.
Hình 3.2. Đối với chế độ PA, các kết quả mô phỏng của (a) hệ số phản xạ đồng phân cực - phân cực chéo và (b) độ hấp thụ tương ứng cho cấu trúc MM lai hóa ở điện áp 0V, và (c), (d) cấu trúc MM cơ bản thứ nhất chỉ bao gồm một bề mặt meta
Hình 3.3. Đối với chế độ PC, (a) kết quả mô phỏng hệ số phản xạ Rvu và Ruu, và (b) PCR cho cấu trúc MM lai hóa khi một điện áp ngược -19 V được đặt vào. Kết quả mô phỏng và đo (c) Rvu, Ruu, và (d) PCR cho cấu trúc MM cơ bản thứ 2 với 3
khe trên bề mặt meta.
Các kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của cấu trúc được đề xuất khi không có bất kỳ điện áp nào đặt vào được minh họa trong Hình 3.2. Bằng cách thay các hệ số đồng phân cực và phân cực chéo từ Hình 3.2(a) vào phương trình (3.4), kết quả mô phỏng độ hấp thụ được trình bày trong Hình 3.2(b). Phổ hấp thụ cho thấy ba đỉnh cộng hưởng ở 3.7, 5.7 và 6.0 GHz, với độ hấp thụ lần lượt là 90%, 96% và 97%. Điều này chỉ ra rằng, trong trường hợp không có điện áp đặt vào, cấu trúc MM lai hóa hoạt động giống như một bộ hấp thụ MM. Cơ chế của bộ hấp thụ MM cũng được làm sáng tỏ bằng cách sử dụng cấu trúc cơ bản thứ nhất (bao gồm hai khe trên bề mặt meta) mà không có bất kỳ diode varactor nào, như thể hiện trong Hình 3.2(c). Cần lưu ý rằng trạng thái không phân cực (tương ứng với điện dung cao nhất) dẫn đến sự hấp thụ ba đỉnh, tương tự như
sự hấp thụ gây ra bởi cấu trúc phẳng hình vuông-nhẫn với hai rãnh ở vòng ngoài.
Khi điện áp phân cực được thay đổi thành -19 V, điện dung của diode biến dung tiến gần giá trị tối thiểu của nó và cấu trúc MM hoạt động như một bộ chuyển đổi phân cực. Tính năng này bắt nguồn từ việc tăng cường hệ số phản xạ phân cực chéo, như được thể hiện trong Hình 3.3 (a). Ở 4.0 GHz, hệ số phản xạ đồng phân cực được tối thiểu hóa với giá trị 0.03, trong khi hệ số phản xạ phân cực chéo được tối đa hóa tới giá trị 0.7. Giá trị rất nhỏ này của hệ số phản xạ đồng phân cực chỉ ra rằng trạng thái phân cực của sóng phản xạ ở tần số 4 GHz là phân cực tuyến tính. Từ phương trình (3.2), PCR được tính toán và thể hiện trong Hình 3.2(b), trong đó PCR đạt gần 100% ở 4.0 GHz. PCR cao cho thấy hiệu quả tuyệt vời của cấu trúc của chúng tôi trong chế độ chuyển đổi phân cực. Như được thể hiện trong Hình 3.3(c) và 3.3(d), cấu trúc MM cơ bản thứ 2 (bao gồm cấu trúc phẳng hình vuông-nhẫn với ba khe ở vòng ngoài) cho kết quả gần giống với cấu trúc MM lai hóa (tương ứng với điện dung thấp nhất) ở chế độ PC của nó. Kết quả mô phỏng và đo PCR cho cấu trúc MM cơ bản thứ 2 lần lượt là 93% (ở 4,47 GHz) và 92% (ở 4,5 GHz). Theo phân tích đã được đề cập ở trên, cấu trúc MM được đề xuất có hiện tượng chuyển đổi phân cực do môi trường có tính bất đẳng hướng. Tuy nhiên, hiệu ứng phối hợp trở kháng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh điện dung của diode biến dung được tích hợp trong rãnh của cấu trúc hình nhẫn nằm bên ngoài. Điều này cho phép thiết bị của chúng tôi vượt qua hạn chế của các thiết bị MM trước đó, chỉ có thể hoạt động như PA hoặc PC chứ không phải cả hai.
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của (a) hệ số phản xạ đồng phân cực Ruu và hệ số phản xạ phân cực chéo Rvu, và (b) PCR tương ứng của cấu trúc MM lai hóa, khi điện áp phân cực thay đổi từ 0 đến -19 V. Kết quả đo (c) các hệ số phản xạ
và (d) PCR ở điện áp ngược 0 và -4 V.
Ngoài ra, sự phụ thuộc của hệ số phản xạ đồng phân cực và phân cực chéo, PCR của cấu trúc MM lai hóa vào điện áp (từ -19 V đến 0) được thể hiện trong Hình 3.4. PCR tăng dần theo độ lớn của điện áp, và đạt gần 100% ở V = -19 V, như trong Hình 3.4(b). Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của diode varactor trong việc chuyển đổi giữa các trạng thái PA và PC. Như được trình bày trong Hình 3.4 (d), PCR đo được lần lượt đạt 83% (ở 3.69 GHz) và 88% (3.79 GHz) tương ứng với điện áp phân cực 0 và -4 V. Những kết quả này cho thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả mô phỏng và thử nghiệm..
Hình 3.5. (a) Sơ đồ trực quan sự chuyển đổi phân cực u sang v. (b) Độ lớn của các hệ số phản xạ u và hệ số phản xạ v. Các pha của (c) hệ số phản xạ đồng phân cực và (d) hệ số phản xạ phân cực chéo khi vectơ điện trường của sóng điện từ tới dọc
theo trục u và v.
Để hiểu rõ hơn về hoạt động của cấu trúc MM được đề xuất trong chế độ PC, sóng điện từ tới phân cực theo phương u có thể được phân tích thành hai thành phần x và y trực giao như thể hiện trong Hình 3.5 (a). Sau đó, sóng điện từ tới và phản xạ có thể được biểu thị bằng
, (3.5)
và , (3.6)
trong đó and là các vectơ đơn vị, ( , ) and ( , ) là độ lớn của hệ số phản xạ đồng và phản xạ chéo theo các trục x và y với các pha ( , ) and ( , ), tương ứng. Cấu trúc của chúng tôi thể hiện tính chất bất đẳng hướng, dẫn đến sự khác biệt về độ lớn và pha của sóng phản xạ. Để đánh giá các tính
chất chuyển đổi, các mô phỏng tiếp theo về độ lớn và pha của hệ số phản xạ phân cực dọc theo hướng x và y, đã được thực hiện và trình bày trong Hình 3.5(b) -3.5(d). Như thể hiện trong Hình 3.5 (b), ở tần số cộng hưởng 4 GHz, độ lệch pha giữa các hệ số đồng phản xạ và , tức là , và độ trễ pha giữa các hệ số phản xạ chéo và ( ) là khoảng 1800 như được trình bày trong Hình 3.5(c) và 3.5(d). Những kết quả này chỉ ra rằng
và gần như hoàn toàn lệch pha ở tần số cộng hưởng 4 GHz. Nói cách khác, mặt phẳng phân cực đã bị quay một góc 900 trong trường hợp PC.
Sự phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt trong các chế độ hấp thụ và chuyển đổi phân cực ở các tần số cộng hưởng cũng được nghiên cứu để có cái nhìn vật lý tốt hơn về cơ chế hấp thụ và chuyển đổi phân cực. Trong chế độ PA, sự phân bố được tập trung chủ yếu ở các lớp kim loại trên và dưới ở các tần số cộng hưởng là 3.7, 5.7 và 6.0 GHz, như được mô tả trong Hình 3.6(a) – 3.6(c), tương ứng. Tất cả các cộng hưởng này đều là cộng hưởng từ, gây ra bởi các dòng điện bề mặt cảm ứng đối song trong các lớp kim loại. Đặc biệt, ở tần số 3.7 GHz, dòng điện cảm ứng chủ yếu được tăng cường xung quanh cạnh trên của vòng bên ngoài. Trong khi ở tần số 5.7 GHz, dòng điện bề mặt cảm ứng tập hợp ở các cạnh bên trái, bên phải và trên cùng của cả vòng bên ngoài và hình vuông bên trong. Đặc biệt, ở 6.0 GHz sự phân bố của dòng điện cảm ứng được phân bổ chủ yếu ở bốn cạnh của hình vuông bên trong. Điều này chỉ ra rằng các cộng hưởng xảy ra ở 3.7, 5.7 và 6.0 GHz là do phản ứng từ trường có nguồn gốc từ các vòng bên ngoài và hình vuông bên trong, và bởi sự tương tác của chúng. Hình 3.6(d) trình bày sự phân bố dòng điện bề mặt ở 4.0 GHz của cấu trúc MM ở chế độ PC. Dòng điện cảm ứng này được tập trung ở góc trên bên trái và góc dưới bên phải của hình vuông bên ngoài. Do đó, có thể kết luận rằng sự cộng hưởng trong chế độ PC cũng là cộng hưởng từ, là kết quả của dòng điện bề mặt cảm ứng đối song.
Hình 3.6. Sự phân bố của dòng điện bề mặt cảm ứng trên các bề mặt trên và dưới ở các tần số cộng hưởng (a) 3.7, (b) 5.7 và (c) 6.0 GHz trong trường hợp chế độ PA
(không có điện áp) và (d) 4.0 GHz cho chế độ PC (ở điện áp -19).
Vai trò của các vòng nhẫn bên ngoài và hình vuông bên trong cũng được xác minh một cách rõ ràng với sự phân bố của mật độ tổn hao năng lượng, như thể hiện trong Hình 3.7(a) -3.7(c), đối với chế độ PA. Sự mất mát năng lượng ở 3.7 GHz chỉ tập trung xung quanh khu vực rãnh trái của vòng bên ngoài (tương ứng mức tích tụ cao của dòng điện bề mặt cảm ứng). Ngược lại, tổn hao năng lượng tập trung xung quanh bản hình vuông bên trong tại tần số 6,0 GHz. Do có sự tương tác mạnh mẽ giữa vòng bên ngoài và hình vuông bên trong này nên sự phân bố tổn hao năng lượng nằm đồng thời bên trong phần không gian được tạo bởi cả hai mẫu bên trong và bên ngoài ở 5.7 GHz. Hơn nữa, chúng tôi cũng đã mô phỏng sự phân bố của mật độ tổn hao năng lượng ở tần số cộng hưởng (4.0 GHz) cho chế độ PC, như trong Hình 3.7(d). Kết quả mô phỏng cho thấy rằng tổn hao năng lượng tập trung chủ yếu ở phần rãnh trái và cạnh bên phải của vòng bên ngoài, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra PCR cao vì đặc tính dị hướng lớn.
Hình 3.7. Phân bố mật độ tổn hao năng lượng tại (a) 3.7 (b) 5.7 và (c) 6.0 GHz ở chế độ PA (không có điện áp) và (d) 4.0 GHz đối với chế độ PC (điện áp -19 V).
Ngoài ra, chúng tôi đã giảm kích thước của cả cấu trúc MM cơ bản thứ nhất và thứ hai để kiểm tra hiệu quả của các cấu trúc này ở dải tần số cao hơn. Trong hai trường hợp này, bạc (độ dẫn điện 7
6.3 10 S m/
) được chọn làm vật liệu của lớp kim loại trên và dưới cùng, trong khi lớp điện môi được làm từ Si (độ dẫn điện cho phép tương đối là 11.9). ). Các thông số cấu trúc được tối ưu hóa tương ứng là L = 24,5, a = 22, b = 11, d = 1,2, g = 4, m = 0,5, n = 0,5, t = 2 và tm = 0,035 µm. Các hệ số đồng phản xạ và hệ số phản xạ chéo tương ứng được thể hiện trong Hình 3.8. Như mong đợi trong Hình 3.8 (a), cấu trúc MM cơ bản đầu tiên đóng vai trò như PA với các đỉnh hấp thụ có vị trí ở 2.32 THz (hấp thụ 83%) và ở 3.65 THz (98.4%). Trong Hình 3.8(b), các kết quả thu được xác nhận rằng hệ số đồng phản xạ và phản xạ chéo lần lượt là 0.21 và 0.76 tại 2.87 THz. Điều này tạo ra PCR cao (93%) ở tần số cộng hưởng và chỉ ra một cách rõ ràng rằng cấu trúc MM cơ bản thứ 2 hoạt động với một chức năng tương tự như chế độ PC trong dải tần THz. Các kết quả cho thấy rằng một bộ chuyển đổi PA/PC MM hoạt động ở tần số THz có thể chế tạo bằng cách giảm
kích thước của thết bị GHz đã đề cập ở trên. Đáng chú ý là, thay vì diode varactor SMV2019-079LF, các vật liệu khác nhau như tinh thể lỏng [82] và diode biến dung dựa trên khí điện tử 2 chiều kim loại-bán dẫn-kim loại [83], hoàn toàn khả thi cho việc chế tạo tại vùng tần số THz . Hai nghiên cứu này hứa hẹn sẽ được áp dụng trong việc nâng cao độ tin cậy của các thết bị chuyển đổi PA /PC MM, dẫn đến việc thúc đẩy ngành công nghiệp liên quan áp dụng cấu trúc MM lai hóa cho các ứng dụng tại tần số THz và quang học.
Hình 3.8. Nghiên cứu sâu hơn trong dải tần THz đối với (a) chế độ PA bằng cách sử dụng MM cơ bản thứ nhất được giảm kích thước và (b) chế dộ PC bằng cách sử
dụng cấu trúc MM cơ bản thứ hai được giảm kích thước.
3.2. Tối ưu MPA hấp thụ ánh sáng dải kép
Cấu trúc ô cơ sở của MPA đề xuất gồm: lớp điện môi SiO2 ở giữa, cấu trúc dạng các thanh kim loại ở mặt trước và tấm kim loại liên tục (Vàng) ở mặt sau có tác dụng ngăn cản thành phần truyền qua của sóng điện từ chiếu tới. Hình 3.9 trình bày thiết kế ba chiều của một ô cơ sở MPA được đề xuất. Lớp điện môi SiO2 có độ từ thẩm μ = 1 với độ dày td = 25 nm. Cấu trúc các thanh kim loại kết hợp và lớp kim loại Vàng liên tục phía sau có độ dẫn điện σ = 4.6 x 107 Sm-1 với độ dày tm = 6 nm. Ô cơ sở có kích thước (với 𝒂 = 300 nm). Chiều dài và rộng của các thanh kim loại Vàng tương ứng là l = 150 nm và w = 50 nm.
Để thiết kế và mô hình hóa tính chất của vật liệu, nghiên cứu của chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng thương mại CST Microwave Studio. Quá trình mô phỏng thu được các tham số tán xạ bao gồm hệ số truyền qua, phản xạ và pha của chúng cùng với đặt trưng về dòng và năng lượng. Vì sóng điện từ không thể truyền qua lớp kim loại Vàng ở phía sau nên độ hấp thụ của cấu trúc được tính theo công thức
với S11(ω) và S21(ω) tương ứng là hệ số phản xạ và truyền qua.
Hình 3.9. Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cấu tạo từ kim loại và điện môi.
Hình 3.10 trình bày phổ hấp thụ của cấu trúc hai thanh kim loại song song. Kết quả thu được của cấu trúc hai thanh kim loại xếp dọc là độ hấp thụ đạt 99.6% tại tần số 539.6 THz đối với mode TE và 99.8% tại tần số 726 THz đối với mode TM [Hình 3.10 (a)]. Với hai thanh kim loại nằm ngang, độ hấp
thụ thu được tại mode TE là 99.8% ở tần số 726 THz và 99.6% tại tần số 539.6 THz đối với mode TM. Kết quả cho thấy hấp thụ tại mode TE và TM đối với hai cách sắp xếp vị trí thanh kim loại là hoàn toàn trái ngược nhau. Điều này được giải thích là do khi thay đổi định hướng của cấu trúc, tương tác giữa ánh sáng và cấu trúc sẽ thay đổi dẫn đến sự dịch đỉnh hấp thụ.
Hình 3.10. Phổ hấp thụ của cấu trúc hai thanh kim loại sắp xếp theo phương: (a) dọc và (b) ngang.
Từ kết quả thu được, chúng tôi đề xuất cấu trúc kết hợp nhằm tạo hai đỉnh hấp thụ tuyệt đối với mục tiêu tạo ra đỉnh hấp thụ dải kép không bị ảnh hưởng bởi phân cực của ánh sáng, kết quả được trình bày trong Hình 3.9. Đúng như dự đoán, cấu trúc kết hợp gồm 4 thanh kim loại đã tạo ra hai đỉnh hấp thụ tuyệt đối tại cả mode TE và TM. Cụ thể, đỉnh hấp thụ thứ nhất xuất hiện tại tần số 541.2 THz với độ hấp thụ đạt 100% và đỉnh hấp thụ thứ hai tại tần số 715.2 THz cũng cho độ hấp thụ 100% (như trình bày trong Hình 3.11). Điều này cho thấy việc kết hợp các thanh kim loại không chỉ duy trì được vị trí đỉnh hấp thụ của từng cấu trúc mà còn tăng cường độ hấp thụ lên đến 100% tại cả hai tần số này.
Hình 3.11. Phổ hấp thụ của cấu trúc vật liệu biến hóa đề xuất với các tham số w = 0.05 µm, a = 0.3 μm, td = 0.025 µm, tm = 0.006 μm.
Chúng tôi tiếp tục nghiên cứu sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào các tham số cấu trúc nhằm điều khiển tần số và biên độ hấp thụ, hướng tới đạt được hấp thụ dải rộng. Hình 3.12 và 3.13 thể hiện sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào các tham số cấu trúc. Có thể thấy rằng, khi độ dày lớp điện môi td tăng từ 0.2 µm đến 0.35 µm thì độ hấp thụ bị suy giảm [Hình 3.12(a)]. Tuy nhiên, khi độ dày lớp điện môi là 0.25 µm, độ hấp thụ đạt đến 100%. Đồng thời, khi độ dày lớp kim loại tm thay đổi, độ hấp thụ tại đỉnh thứ hai được duy trì ở giá trị là 100% với sự dịch chuyển tần số hấp thụ từ 714.4 THz về 690.4 THz và đỉnh hấp thụ