L ỜI CAM ĐOAN
1.6. Vật liệu biến hoá hoạt động trên vùng quang học
Khi sử dụng các bộ cộng hưởng kim loại với các kích thước khác nhau làm lớp trên cùng, cấu trúc MM thể hiện các đỉnh hấp thụ rời rạc do sự kết hợp của nhiều cộng hưởng [59-64]. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy một tiến bộ lớn trong việc thực hiện các đỉnh hấp thụ hẹp khác nhau trong cấu trúc MM, như trình bày trong Hình 1.7 [65-69]. Bằng cách khai thác các thanh nano kim loại hình chữ nhật làm các ô cơ sở, Hao và cộng sự về mặt lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh một vật liệu biến hoá hấp thụ đơn đỉnh (Hình 1.6 (a)) [59]. Đối với trường hợp sóng tới phân cực TM, độ hấp thụ cực đại theo lý
thuyết đạt tới 97% và đỉnh hấp thụ đo được lên đến 88%, như thể hiện trong Hình 1.7 (b). Cường độ hấp thụ cao là do sự kích thích của cộng hưởng từ định xứ và cộng hưởng lưỡng cực điện tồn tại trên bề mặt tấm kim loại vàng. Hơn nữa, bằng cách thay đổi kích thước của cấu trúc nano, họ nhận thấy rằng hiệu suất hấp thụ có thể được điều khiển. Zhao và các đồng nghiệp đã đề xuất một mô hình sandwich để đạt được độ hấp thụ lý thuyết lên tới 98,6% ở bước sóng 2790 nm [70]. MPA này có ưu điểm là đẳng hướng hai chiều và có thể hoạt động ổn định ở một số các góc tới khác nhau.
Như thể hiện trong Hình 1.7 (c), sử dụng mô hình mạch điện LC, Kim và cộng sự đã chứng minh một MPA chọn lọc với cấu trúc vòng tròn -đĩa để thu được hấp thụ băng tần kép [71]. Hai đỉnh hẹp trong vùng hồng ngoại (IR) được quan sát do cộng hưởng plasmon polariton bề mặt (SPP) và cộng hưởng từ (Hình 1.7 (d)). Đỉnh cộng hưởng ở 1540 nm có thể triệt tiêu bất kỳ tín hiệu có bước sóng ngắn nào trong vùng hồng ngoại có vì độ bán rộng của phổ hấp thụ rất nhỏ, chỉ 40 nm. Qua đó, cấu trúc hấp thụ này có thể cho phép phát hiện bức xạ nhiệt và có thể được sử dụng trong công nghệ tàng hình IR. Bên cạnh đó, Zheng và cộng sự đã thiết kế một bộ hấp thụ tuyệt đối có thể điều chỉnh được dựa trên buồng cộng hưởng Fabry-Perot [72] (được làm bằng hai lớp đồng được ngăn cách bởi một tấm điện môi FR4 có độ dày 1,1 mm). Ưu điểm của bộ hấp thụ này là đỉnh đơn có thể được chuyển đổi thành dải kép bằng cách điều chỉnh khe hở không khí giữa hai mặt kim loại.
Hình 1.7. (a) Sơ đồ của cấu trúc vật liệu meta hấp thụ một đỉnh. Một lớp hạt vàng và một màng vàng, được ngăn cách bởi một lớp điện môi Al2O3. (b) Phổ hấp thụ đo được (trên) và mô phỏng (dưới) của cấu trúc hấp thụ ở góc tới 20 °. (c) Giản đồ của ánh sáng với góc phân cực θ tới cấu trúc vòng cộng hưởng - đĩa tròn. (d) Sự hấp thụ băng tần kép trong cấu trúc hấp thụ được đề xuất (vạch xanh lam) và quang phổ hấp thụ trong khí quyển (vạch đỏ). (e) Cấu trúc ô cơ sở của chất hấp thụ dựa trên bốn bộ cộng hưởng hình chữ thập. (f) Độ hấp thụ đo được của cấu trúc với bốn bộ cộng hưởng hình chữ thập. (g) Sơ đồ của cấu trúc hấp thụ băng tần rộng và sự hình thành màng kim loại bằng quá trình lắng đọng phún xạ. (h) Phổ hấp thụ (nét liền) và phổ phản xạ (nét đứt) của MPA. Inset: ảnh quang học của chất hấp thụ có kích thước là 2x2cm2.
Ngoài việc đạt được hấp thụ băng tần hẹp với cấu trúc MM, có nhiều phương pháp để chứng minh khả năng hấp thụ bằng tần rộng cho các thiết bị tiềm năng như pin mặt trời [73]. Ngoài ra, có thể thu được sự hấp thụ băng tần rộng bằng cách thay đổi các thiết kế cấu trúc bề mặt (meta-surface) trong một ô cơ sở [74]. Butun và cộng sự đã thiết kế bộ hấp thụ băng tần rộng với độ dày chỉ 190 nm đạt độ hấp thụ trung bình 80% trên toàn bộ vùng khả kiến (400-700 nm) [75]. Họ phát hiện ra rằng độ rộng của dải hấp thụ có thể thay đổi theo độ dày lớp kim loại và lớp điện môi, sau đó đạt được khả năng điều khiển biên độ và tần số phổ hấp thụ bằng cách thay đổi độ dày của mỗi lớp. Sau đó, Lei và cộng sự đã đề xuất một cấu trúc hấp thụ băng tần siêu rộng bao gồm một dãy các khối titan-silica được sắp xếp tuần hoàn và một màng nhôm ở đáy. Thiết bị này thu được dải hấp thụ 90% với độ rộng 712 nm, từ 354 nm đến 1066 nm và cho thấy một triển vọng đầy hứa hẹn cho ứng dụng pin mặt trời [76]. Ma và cộng sự về mặt lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh một MPA bao gồm các bộ cộng hưởng hình chữ thập (cross resonators), cấu tạo từ vật liệu SiO2 mỏng và vàng, như được minh họa trong Hình 1.7 (e) [77]. Độ hấp thụ đo được lớn hơn 50%, bao phủ toàn bộ vùng hồng ngoại giữa, từ 2980 nm đến 4840 nm, như thể hiện trong Hình 1.6 (f). Hơn nữa, độ hấp thụ có thể đạt 80% trong khoảng 3400-4500 nm.
Gần đây, Chen và cộng sự đã đề xuất một MPA không nhạy với phân cực của ánh sáng ở vùng NIR, thu được độ hấp thụ cao vượt ngưỡng 80% ở bước sóng 410 nm [78]. MPA phẳng bao gồm cấu trúc: dây bị cắt CW bằng vàng - lớp Al2O3 – lớp vàng liên tục. Trong sơ đồ này, dải hấp thụ có thể được mở rộng một cách đáng kể do sự lai hóa của các lưỡng cực điện tạo bởi CW. Đặt một màng với độ dày dưới 10 nm trong các cấu trúc hấp thụ truyền thống (Hình 1.7 (g)), chúng tôi thu được dải phổ là 396 nm và độ bán rộng là 92% [79]. Hình 1.7 (h) mô tả cấu trúc có khả năng hấp thụ ánh sáng từ bước sóng 370-880 nm với độ hấp thụ trung bình là 83%. Cơ chế hấp thụ có thể được giải thích dựa trên cộng hưởng plasmon và hiệu ứng tương tác plasmonic trường gần.
CHƯƠNG II – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận văn được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng. Sơ đồ nghiên cứu được trình bày trên hình 2.1. Ý tưởng về các mô hình vật lý trong luận văn xuất phát trên nền tảng kế thừa các thành tựu đã được của nhóm nghiên cứu và so sánh với những kết quả đã được công bố của các nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, phần mềm mô phỏng tính chất điện từ CST là công cụ hỗ trợ chính trong việc khảo sát cơ chế hoạt động và dự đoán tính chất điện từ của các mô hình MPA đề xuất. Đồng thời, chúng tôi lựa chọn chế tạo một số mô hình được đề xuất để có thể điều khiển biên độ và tần số hấp thụ sóng điện từ tại tần số thấp (GHz). Thông qua sự kết hợp chặt chẽ của các phương pháp này, bản chất của vật liệu được nghiên cứu một cách rõ ràng cũng như có thể phát hiện thêm các hiệu ứng thú vị trong quá trình tìm hiểu về MPAs hoạt động trong vùng tần số từ GHz đến THz.