CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Tổng quan về vật liệu MPAs tích hợp graphene
1.4.2. Điều khiển tính chất hấp thụ của MPAs tích hợp graphene
Vật liệu MPAs ban đầu được nghiên cứu cho thấy tính chất điện từ của vật liệu phụ thuộc vào các tham số cấu trúc hình học và tính chất của các vật liệu cấu thành. Mặc dù, có thể chế tạo được vật liệu MPAs hoạt động với tính chất điện từ mong muốn nhưng các tính chất này không thể thay đổi sau khi chế tạo. Mặt khác, yêu cầu thực tế, trong nhiều trường hợp mong muốn các tính chất điện từ của vật liệu MPAs có thể thay đổi được sau khi chế tạo. Vì vậy, các hướng nghiên cứu đã tập trung vào việc tích hợp các vật liệu khác nhau vào MPAs nhằm đạt được mục đích điều khiển các tính chất điện từ của MPAs thông qua các tác động ngoại vi như nhiệt, điện trường, từ trường, chiếu sáng, … [15-19].
Graphene với độ dẫn điện có thể điều khiển được bằng điện trường ngoài khiến nó trở thành vật liệu hấp dẫn khi lựa chọn tích hợp trong MPAs. Bằng các kỹ thuật khác nhau như đã trình bày ở trên, graphene được tích hợp vào vật liệu MPAs và thông qua điện thế một chiều đặt vào lớp graphene, mức năng lượng Fermi và độ dẫn của graphene được điều khiển thông qua điện thế này. Tùy thuộc vào mục đích cụ thể, tần số cộng hưởng hoặc cường độ hấp thụ của vật liệu MPAs tích hợp graphene có thể được điều khiển.
Hình 1.47. (a) Hình ảnh 3D của MPA; (b) Cấu trúc của bộ cộng hưởng graphene; (c) Phổ hấp thụ của cấu trúc MPA khi thay đổi mức năng lượng Fermi, trong khi
giữ nguyên các thông số khác [155].
(a) (b) (c) Bước sóng (µm) Đ ộ h ấp th ụ Ăn mòn
Một cấu trúc MPA hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ tích hợp graphene được đề xuất như Hình 1.47. Với một lớp graphene có cấu trúc đặt trên bề mặt của SiO2, nó đã thay thế hoàn toàn các bộ cộng hưởng kim loại trong vật liệu MPAs truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số cộng hưởng và đỉnh hấp thụ có thể được điều khiển linh hoạt thông qua mức năng lượng Fermi. Hình 1.47a trình bày hình ảnh 3D của MPA mà bộ cộng hưởng là một mảng graphene đơn lớp có cấu trúc tuần hoàn với chu kỳ p = 2450 nm được lắng đọng trên chất nền SiO2/Au/Si với độ dày của các lớp SiO2 và lớp Au tương ứng là d = 4200 nm và d1 = 450 nm. Hình 1.47b là cấu trúc của
bộ cộng hưởng graphene trong mặt phẳng xOy với các tham số cấu trúc độ dài ngoài và trong tương ứng là L1 = 2000 nm và L2 = 1750 nm, độ rộng ngoài và trong tương
ứng gồm W1 = 400 nm và W2 = 100 nm. Hình 1.47c là kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
của cấu trúc MPA khi thay đổi mức năng lượng Fermi trong khi giữ nguyên các thông số khác. Kết quả mô phỏng cho thấy khi mức năng lượng Fermi EF thay đổi từ 0,5
eV đến 0,9 eV, cực đại hấp thụ dịch chuyển về vùng có bước sóng ngắn, đồng thời độ hấp thụ tăng tần, khi EF = 0,9 eV độ hấp thụ đạt gần 100 % ở hai bước sóng cộng
hưởng. Kết quả trên được giải thích là do cộng hưởng từ mạnh của MPA với sóng điện từ, bước sóng cộng hưởng được xác định bởi mô hình mạch điện LC theo công thức 2c LC, trong đó c là vận tốc ánh sáng. Tụ điện C tạo bởi cấu trúc graphene và đế kim loại Au, trong khi đó hệ số tự cảm L tương ứng của cấu trúc graphene. Do đó, khi EF tăng làm độ dẫn của graphene tăng, làm giảm tần số khúc xạ
hiệu dụng của cộng hưởng plasmon bề mặt và hệ số tự cảm giảm, từ đó dẫn đến bước sóng cộng hưởng giảm [155].
Hình 1.48. Cấu trúc của MPA tích hợp graphene có khả năng chuyển đổi giữa hấp thụ và phản xạ với dải tần rộng [160].
Hình 1.49. Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc khi mức năng lượng Fermi EF thay
đổi [160].
Để đạt được tính chất hấp thụ dải tần rộng, các MPA thông thường có cấu trúc cộng hưởng phức tạp hoặc có lớp điện môi đủ dày. Trong trường hợp MPAs tích hợp graphene với lớp điện môi có độ dày lớn, khi đó để điều khiển mức năng lượng Fermi của graphene, cần tích hợp một lớp bán dẫn đóng vai trò là một điện cực để có thể đặt vào điện áp một chiều (một cực còn lại có thể đặt trực tiếp lên lớp graphene). Hình 1.48 trình bày cấu trúc MPA tích hợp graphene có mô hình như vậy. Trong cấu trúc MPA này, mức năng lượng Fermi của graphene có thể điều khiển thông qua điện thế một chiều Vg đặt trực tiếp vào lớp graphene và lớp bán dẫn Polysilicon. Hình 1.49 trình bày sự thay đổi phổ hấp thụ dải tần rộng của MPA khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi. Rõ ràng thông qua điện thế một chiều, mức năng lượng Fermi của graphene được điều khiển và độ hấp thụ của MPA tại vùng tần số cộng hưởng được điều khiển, chuyển đổi giữa hấp thụ và phản xạ.