CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.5. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế lai hóa cộng
4.5.4. Tính chất hấp thụ góc rộng
Những bằng chứng trên xác nhận rằng cơ chế đằng sau khả năng hấp thụ của GHMA là lớp graphene mà độ dẫn điện của nó được kiểm soát. Graphene càng dẫn điện thì điện trường càng không đối xứng và cộng hưởng từ càng rộng. Điều đó giải thích tại sao sự hấp thụ GHMA tăng lên theo mức năng lượng Fermi của graphene. Như vậy, các tính chất hấp thụ GHMA đã cơ bản được làm rõ. Đối với các ứng dụng thực tế, độ nhạy góc tới được xem xét bằng cách thay đổi góc tới từ 0o đến 70o ở cả chế độ TM và chế độ TE trong khi mức năng lượng Fermi của graphene được giữ ở 1,0 eV.
Hình 4.34. Kết quả mô phỏng độ hấp thụ của cấu trúc GHMA với các góc tới khác nhau ở chế độ TE và ở chế độ TM khi mức năng lượng Fermi bằng 1,0 eV.
Như được trình bày trong Hình 4.34, ở cả chế độ TM và chế độ TM, sự hấp thụ vẫn ổn định, khoảng 97% với góc tới nhỏ hơn 40o. Từ 50o trở lên, có sự giảm cường độ hấp thụ, độ hấp thụ là 83% ở 60o và giảm xuống còn 70% ở 70o. Khi xem xét cường độ hấp thụ hiệu quả cao hơn 80%, bộ hấp thụ được đề xuất có thể hoạt động tốt với góc tới lên đến 60o ở chế độ TE và hơn 80o ở chế độ TM. Những kết quả này được mong đợi vì chỉ sử dụng cộng hưởng từ. Chúng xác nhận sự không nhạy với góc tới mà cấu trúc này sở hữu, trong khi các cấu trúc hấp thụ cho phép truyền qua khác [193, 196] không đạt được hoặc chưa được nghiên cứu.
Khả năng truyền qua cũng được kiểm tra ngoài phạm vi hấp thụ mong muốn của cấu trúc và nhận thấy rằng về tổng thể, sự truyền qua đạt được ở một số vùng mở rộng nhất định (Hình 4.35), trung bình khoảng 20-25%. Đặc biệt, ở tần số cao hơn 6
Góc tớ i Tần số (THz) Góc tớ i Tần số (THz)
THz, độ truyền qua có thể đạt tới 50% hoặc thậm chí cao hơn, bởi vì theo phương trình độ dẫn của graphene thì graphene cho độ dẫn điện thấp hơn ở đó. Ngoài đặc tính góc tới rộng, thiết kế MPA có cấu trúc CWT hình vuông đối xứng trên màng graphene nên không nhạy với phân cực tự nhiên. Với tính chất này, nó có thể hoạt động giống như một bộ hấp thụ THz mà có thể điều chỉnh đa hướng độc đáo ở các tần số đã chọn.
Hình 4.35. Phổ truyền qua mô phỏng của cấu trúc GHMA với các giá trị mức năng lượng Fermi khác nhau trong các vùng tần số: (a) từ 0,4 THz đến 1,0 THz và (b) từ
1 THz đến 10 THz.
4.6. Kết luận
Bằng phương pháp tính toán mô phỏng, chúng tôi đã xây dựng mô hình và nghiên cứu tính chất điện từ của màng graphene. Một số cấu trúc MPA hấp thụ một chiều tích hợp graphene được đề xuất và khảo sát, với cấu trúc thông thường gồm tấm kim loại đóng vai trò một gương phản xạ hoàn toàn sóng điện từ. Các kết quả của chúng tôi được so sánh và thảo luận với các kết quả nghiên cứu khác trên thế giới, cho thấy sự phù hợp và độ tin cậy cao.
Dựa trên những kết quả thu được về mô hình graphene tích hợp MMs, chúng tôi xây dựng và khảo sát MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene, đồng thời nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện từ của MMs cấu trúc CW và CWP. Đặc biệt, dựa trên sự phụ thuộc độ dẫn điện của graphene đối với điện thế hóa học, cường độ hấp thụ được chứng minh có thể điều chỉnh một cách có hệ thống trong khoảng từ 92% đến 41%. Đồng thời, bên ngoài dải tần hấp thụ, cấu trúc vẫn cho phép sóng điện từ truyền qua với độ truyền qua cao. Bộ hấp thụ được đề xuất hoạt động giống như một cửa sổ hấp thụ có thể chuyển đổi hai chiều và được sử dụng cho các thiết bị thông minh THz đa dạng.
Đ ộ tru y ền qua Đ ộ tru y ền qua Tần số (THz) Tần số (THz) 1.0 eV 0.75 eV 0.5 eV 0.25 eV 0.0 eV Không graphene
Do cấu trúc CWP tích hợp graphene còn hạn chế bởi sự nhạy với góc tới của tính chất hấp thụ, một MPA cấu trúc CWP hình vuông lai hóa tích hợp graphene được đề xuất. Các khảo sát mô phỏng cho thấy sự hấp thụ của MPA cấu trúc CWP lai hóa tích hợp graphene là do sự chồng chập của hai cộng hưởng từ, do đó không nhạy với sự phân cực tự nhiên và góc tới. Bộ hấp thụ cho thấy khả năng duy trì độ hấp thụ cao (hơn 80%) với góc tới lên đến 60o ở cả chế độ TE và TM. Đặc biệt, ở dải tần hoạt động, cường độ hấp thụ có thể thay đổi từ 52% đến 97% bằng cách thay đổi điện áp một chiều đặt vào graphene và do đó cấu trúc có thể được chuyển đổi từ truyền qua sang hấp thụ cao. Cấu trúc được đề xuất có thể hoạt động như một cửa sổ hấp thụ góc rộng và chuyển đổi được, nó có thể sử dụng cho các công nghệ thông minh đa dạng ở vùng tần số THz.
Các kết quả nghiên cứu trong chương này đã được đăng trên Tạp chí, kỷ yếu Hội nghị và trình bày báo cáo trong Hội nghị, cụ thể: 03 bài trên tạp chí ISI, 01 bài trên tạp chí quốc gia, 01 bài trong kỷ yếu Hội nghị và 05 báo cáo trong các Hội nghị. Trong “Danh mục các công trình công bố của luận án” là các công trình: 1-3, 8, 10- 12, 14-16.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận án “Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật
liệu biến hóa trên cơ sở kết hợp với graphene” đã được thực hiện tại Viện Khoa học
vật liệu và Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những kết quả của luận án đã được công bố trên các tạp chí bao gồm: 04 bài trên tạp chí ISI, 05 bài trên tạp chí trong nước, 01 bài trong kỷ yếu hội thảo quốc gia chuyên ngành.
Luận án có một số đóng góp cho nghiên cứu về Khoa học vật liệu nói chung và lĩnh vực nghiên cứu MMs nói riêng gồm:
1. Đã đề xuất hai cơ chế vật lý, đó là i) cơ chế chồng chập cộng hưởng và ii) cơ chế lai hóa cộng hưởng từ để tạo ra đỉnh hấp thụ đẳng hướng, hai chiều. Từ đó xây dựng mô hình vật lý, đưa ra thiết kế và chứng minh khả năng hấp thụ đẳng hướng hai chiều cho MPAs hoạt động ở vùng tần số THz.
2. Đã nghiên cứu một cách hệ thống đặc trưng hấp thụ đẳng hướng hai chiều cho MPAs hoạt động ở vùng tần số THz theo hai cơ chế nói trên.
3. Đã đề xuất xây dựng mô hình vật lý, đưa ra thiết kế và chứng minh khả năng điều khiển tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều của MPAs tích hợp graphene hoạt động ở vùng tần số THz theo hai cơ chế nói trên.
4. Đã nghiên cứu một cách hệ thống sự thay đổi tính chất hấp thụ đẳng hướng hai chiều của MPAs tích hợp graphene hoạt động ở vùng tần số THz. Cụ thể, đối với vật liệu MPAs tích hợp graphene dựa trên cơ chế chồng chập cộng hướng, cường độ hấp thụ được chứng minh có thể điều chỉnh một cách hệ thống trong khoảng từ 41% đến 92% và phụ thuộc mạnh vào góc tới của sóng điện từ. Đối với vật liệu MPAs tích hợp graphene dựa trên cơ chế lai hóa cộng hưởng từ, kết quả cho thấy khả năng duy trì độ hấp thụ cao (hơn 80%) với góc tới lên đến 60o ở cả chế độ TE và TM trong khi cường độ hấp thụ có thể thay đổi từ 52% đến 97%.
Cấu trúc được đề xuất có thể hoạt động như một cửa sổ hấp thụ góc rộng và chuyển đổi được, nhằm mục đích sử dụng cho các công nghệ THz thông minh đa dạng. Các kết quả nghiên cứu của luận án là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu MMs nói chung và MPAs nói riêng hoạt động ở vùng tần số THz.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Hợp tác với nhóm nghiên cứu tại Đại học Leuven (Vương quốc Bỉ) để hoàn
thiện nghiên cứu chế tạo thực nghiệm MMs tích hợp graphene đã tối ưu trong luận án.
2. Nghiên cứu thử nghiệm MMs hoạt động ở vùng tần số THz sử dụng polymer
dẫn có tính mềm dẻo linh hoạt để có thể ứng dụng trong các lĩnh vực y sinh.
3. Tiếp tục nghiên cứu điều khiển tính chất điện từ của MMs bằng các tác dụng
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. 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).
2. 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).
3. Minh Q. Dinh, Tran Van Huynh, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Vu Dinh Lam, Son Tung Ngo, Minh Thuy Le, Nguyen Thanh Tung, “Graphene- integrated hybridized metamaterials for wide-angle tunable THz absorber”,
Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications 45, 100924-8
(2021).
4. 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).
5. Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Nguyen
Thanh Tung, “Characterization of a symmetric fishnet metamtaterial in the M- band”, Vietnam Journal of Science and Technology 58(2), 237-245 (2020).
6. Tran Van Huynh, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Bui Son Tung, Le Thi
Hong Hiep, Nguyen, Thanh Tung “Experimental Verification of a THz Multi-
band Metamaterial Absorber”, Communications in Physics 30(4), 311-318 (2020).
7. 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).
8. Trần Văn Huỳnh, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện của siêu vật liệu metamaterials THz”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự 10, 196-203 (2020).
9. Trần Văn Huỳnh, Nguyễn Thanh Tùng, Vũ Đình Lãm, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số cấu trúc tới cộng hưởng điện-từ của vật liệu THz
metamterial không phân cực”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự 57, 163- 170 (2018).
10. Trần Văn Huỳnh, Bùi Xuân Khuyến, Bùi Sơn Tùng, Vũ Đình Lãm, Nguyễn
Thanh Tùng, “Nghiên cứu điều khiểnkhả năng hấp thụ dải tần rộng của vật liệu biến hóa bằng graphene”, Hội nghị Vật lý chất rắn và 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 năng hấp thụ dải tần rộng của
vật liệu biến hóa bằng graphene”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 11 (SPMS 2019), 2-4/11, Quy Nhơn, Việt Nam (2019). 12. (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).
13. (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).
14. (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).
15. (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).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. V. G. Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ”, Sov. Phys. Usp. 10 (4), 509-514 (1968).
2. R. M. Walser, “Electromagnetic metamaterials”. in Proceedings of the SPIE, 4467, p. 1 (2001).
3. D. R. Smith, J. B. Pendry, M. C. K. Wiltshire, “Metamaterials and negative refractive index”, Science 305, 788 (2004).
4. N. Seddon, T. Bearpark, “Observation of the inverse Doppler effect”, Science
302, 1537 (2003).
5. J. B. Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens”, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).
6. D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith, “Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies”, Science 314, 977 (2006).
7. Z. Y. Duan, “Research progress in reversed Cherenkov radiation in doublenegative Metamaterials”, Prog. Electromagn. Res. PIER 90, 75 (2009). 8. Andrew A. Houck, Jeffrey B. Brock, Isacc L. Chuang, “Experimental Observations of a Left-Handed material that obeys Snell’s law”, Phys. Rev. Lett. 90 (13), 137401-4 (2003).
9. N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, W. J. Padilla, “A Perfect Metamaterial Absorber”, Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
10. L. Wang, D. Xia, Q. Fu, Y. Wang, X. Dinh, B. Yang, “Thermally tunable ultra- thin metamaterial absorber at P band”, J. Electromagn. Waves Appl. 3, 1406- 1415 (2019).
11. B. S. Tung, B. X. Khuyen, Y. J. Kim, V. D. Lam, K. W. Kim, Y. P. Lee, “Polarization-independent, wide-incident-angle and dual-band perfect absorption, based on near-field coupling in a symmetric metamaterial ”, Sci. Rep. 7, 11507 (2017).
12. H. -J. Song and T. Nagatsuma, “Present and Future of Terahertz communications”, IEEE Tran. Terahertz Science and Technology. 1(1), 256– 263 (2011).
13. P. Liu, Z. Liang, Z. Lin, Z. Xu, R. Xu, D. Yao, Y-S. Lin, “Actively tunable terahertz chain-link metamaterial with bidirectional polarization-dependent characteristic”, Sci. Rep. 9, 9917 (2019).
14. N. T. Tung, T. Tanaka, “Characterizations of an infrared polarization- insensitive metamaterial perfect absorber and its potential in sensing applications”, Photonics Nanostructures - Fundam. Appl. 28, 100-105 (2018). 15. H-F. Zhang, H-B. Liu, C-X. Hu, Z-L. Wang, “A Metamaterial absorber operating in the visible light band based on a cascade structure”, Plasmonics
16. https://industribune.net/uncategorised/73503/global-metamaterial-market- statistics-development-and-growth-2021-2026/1/3/2021.
17. 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, “Characterization of a thermo-tunable broadband fishnet metamaterial at THz frequencies”, Comp. Mat. Sci. 103, 189 (2015).
18. M. Dudek, R. Kowerdziej, A. Pianelli, J. Parka, “Graphene-based tunable hyperbolic microcavity”, Sci. Rep. 11(1), 74-11 (2021).
19. D. H. Luu, N. V. Dung, P. Hai, T. T. Giang, V. D. Lam, “Switchable and unable metamaterial absorber in THz frequencies”, J. Sci: Adv. Mater. Dev.
1, 65-68 (2016).
20. X. Wang, J. Duan, W. Chen, C. Zhou, T. Liu, S. Xiao, “Controlling light absorption of graphene at critical coupling through magnetic dipole quasi- bound states in the continuum resonance”, Phys. Rev. B 102, 155432-7
(2020).
21. 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”, Sens. Actuators A: Phys. 231, 74 (2015)
22. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, “Electric field effect in Atomically thin carbon films”, Science 306(5696), 666–669 (2004).
23. L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, F. Wang, “Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials”, Nat. Nanotechnol. 6, 630-5 (2011).
24. P. Tassin, T. Koschny, and C. Soukoulis, “Graphene for terahertz applications” Science 341, 620 (2013).
25. P. Zhou, H. Wei, Q. Sun, P. Wang, S. Ding, A. Jiang, and D. W. Zhang, “The tunable electrical properties of graphene nano-bridges” J. Mater. Chem. C 1,
2548 (2013).
26. Đỗ Thành Việt, “Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng viba của vật liệu meta (metamaterials)”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2015).
27. Nguyễn Thị Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên dải tần làm việc của vật liệu meta có chiết suất âm”, Luận án Tiến sĩ, Học viện Khoa học và Công nghệ (2016).
28. Phạm Thị Trang, “Nghiên cứu khả điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (metamaterial)”, Luận án Tiến sĩ, Học viện Khoa học và