CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Tổng quan về vật liệu MPAs tích hợp graphene
1.4.1. Một số kỹ thuật tích hợp graphene trong MPAs
Graphene được bóc tách từ năm 2004 và thời gian sau đó có nhiều nghiên cứu về tính chất điện từ của graphene [132]. Tuy nhiên, đến năm 2011, lần đầu tiên L. Ju và các cộng sự thành công khi thực nghiệm khám phá sự kích thích plasmon trong các mảng micro-graphene [23]. Các nghiên cứu của L. Ju chỉ ra rằng: cộng hưởng plasmon trong graphene có thể được kiểm soát trong các mảng graphene được thiết kế có cấu trúc – đại diện cho vật liệu MMs tích hợp graphene đơn giản nhất. Từ các nghiên cứu của Ju đã mở ra hướng nghiên cứu tích hợp graphene trong vật liệu MMs nói chung và vật liệu MPAs nói riêng nhằm kiểm soát bức xạ THz và xa hơn là bức xạ hồng ngoại. Đã có nhiều nghiên cứu thành công khi tích hợp graphene với vật liệu MPAs, bao gồm: một màng graphene đơn lớp liên tục được tích hợp cùng với các bộ cộng hưởng kim loại của MPAs [133-140]; màng graphene đơn lớp có cấu trúc được tích hợp với các bộ cộng hưởng kim loại của MPAs [141-144]; màng graphene đơn lớp có cấu trúc tích hợp thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPAs [122,145- 162]; tích hợp đa lớp graphene xen giữa các lớp điện môi thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPAs [163-167].
Hình 1.36 trình bày cấu trúc của MPA tích hợp graphene và sơ đồ hệ thống thử nghiệm [133]. Cấu trúc MPA bao gồm: các bộ cộng hưởng là các cấu trúc kim loại Al hình chữ nhật (màu vàng) được sắp xếp tuần hoàn trên một lớp đệm điện môi SU8 (màu xanh), dưới cùng là một lớp Al liên tục. Lớp Al liên tục đóng vai trò như một gương phản xạ hoàn toàn sóng điện từ THz chiếu tới. Toàn bộ cấu trúc MPA được bốc bay trên tấm nền SiO2/Si. Graphene đơn lớp phát triển bằng phương pháp CVD, sau đó được chuyển lên trên cùng của bề mặt MPA và cuối cùng được bao phủ bởi một lớp chất lỏng ion dạng gel. Điện áp Vg được đặt giữa graphene và lớp chất
lỏng ion để kiểm soát mức độ pha tạp của graphene và điện trở của nó. Các bộ cộng hưởng và lớp Al liên tục đều có độ dày 50 nm. Cấu trúc MPA được xác định hấp thụ
sóng THz là do cộng hưởng từ. Đỉnh của phổ điện trở tương ứng với điểm Dirac trung tính về điện thế VD, như trong Hình1.36c. Điểm Dirac của graphene dịch chuyển đến
VD ≈ 1 V khi graphene được chuyển vào bề mặt của MPA. Sự dịch chuyển có thể được gây ra bởi các tạp chất tích điện có xung quanh graphene. Quang phổ miền thời gian THz được thực hiện để xác định phổ phản xạ của MPA tích hợp graphene chế tạo được. Sơ đồ bố trí hệ thiết bị của phép đo được mô tả trong Hình 1.36d.
Hình 1.36. (a) Sơ đồ cấu trúc MPA tích hợp graphene; (b) Ảnh bề mặt của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ; (c) Điện trở của graphene phụ thuộc vào điện
áp cổng; (d) Sơ đồ của hệ thống đo quang phổ miền thời gian THz [133]. Phổ phản xạ mô phỏng của MPA tích hợp graphene khi thay đổi điện áp Vg được trình bày trong Hình 1.37. Khi điện áp Vg thay đổi thì điện thế tương đối ∆Vg thay đổi theo: ∆Vg = Vg – VD. Từ Hình 1.37a, có thể thấy khi ∆Vg tăng từ 0,0 V đến 0,76 V, tại tần số cộng hưởng 0,31 THz, độ phản xạ giảm dần. Kết quả ở Hình 1.37b cho thấy khi ∆Vg tăng từ 0,76 V đến 2,00 V, tại tần số cộng hưởng 0,31 THz, độ phản xạ tăng dần. Như vậy, với ∆Vg = 0,76 V, xảy ra trạng thái tới hạn của sự thay đổi độ phản xạ của MPA. Do MPA có lớp kim loại liên tục đóng vai trò là một gương phản xạ hoàn toàn sóng THz chiếu tới nên với ∆Vg = 0,76 V, độ hấp thụ của MPA tích hợp graphene đạt giá trị lớn nhất tại tần số cộng hưởng. Ngược lại, với ∆Vg = 2,0 V, tại tần số cộng hưởng, độ phản xạ gần đạt giá trị lớn nhất (gần như bằng 1), dẫn đến độ hấp thụ tại đó gần như bằng 0. Đi ện tr ở (Ω) Trên bề mặt MPA Trên SiO2/Si
Vg(V)
Mẫu
Laser sợi quang tần số cao Phát
Hình 1.37. Phổ phản xạ của MPA tích hợp graphene được xác định từ mô hình lý thuyết khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi [133].
Hình 1.38. Phổ phản xạ đo được của MPA tích hợp graphene khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi với các trường hợp độ dày lớp điện môi khác nhau gồm: (a) 85 μm, (b)
60 μm, (c) 40 μm [133].
Các kết quả thực nghiệm đo đạc phổ phản xạ của các MPA tích hợp graphene được trình bày trong Hình 1.38. Các MPA tích hợp graphene có cùng kích thước của bộ cộng hưởng và ô cơ sở, nhưng độ dày của lớp điện môi khác nhau gồm: 85 μm, 60 μm và 40 μm. Có thể thấy phổ phản xạ đo được của MPA tích hợp graphene ứng với độ dày của lớp điện môi 85 μm trong Hình 1.38a tương đối phù hợp với phổ phản xạ mô phỏng trong Hình 1.37. Kết quả thực nghiệm trong trường hợp này cũng cho thấy MPA cộng hưởng với sóng điện từ tại tần số 0,31 THz. Tuy nhiên, trong thực nghiệm, độ phản xạ tại tần số cộng hưởng đạt giá trị nhỏ nhất khi điện thế tương đối ∆Vg đạt 0,65 V. Các phổ phản xạ thực nghiệm của MPA tích hợp graphene trình bày trong Hình 1.38b,c cho thấy tần số cộng hưởng tăng dần khi độ dày của lớp điện môi giảm. Đồng thời, điện thế tương đối ∆Vg (ở đó độ phản xạ tại tần số cộng hưởng đạt giá trị nhỏ nhất) cũng giảm. Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ ph ản x ạ ∆ Vg (V ) Tần số (THz) Tần số (THz) Tần số (THz)
Bên cạnh hướng nghiên cứu MPA tích hợp màng graphene đơn lớp liên tục, MPA tích hợp lớp graphene có cấu trúc cùng với các bộ cộng hưởng kim loại của nó cũng được quan tâm nghiên cứu do trong một số trường hợp, việc tạo ra graphene có cấu trúc là đơn giản hơn tạo ra một màng graphene liên tục với diện tích lớn.
Hình 1.39. Cấu trúc MPA tích hợp graphene và ô cơ sở [142].
Hình 1.39 trình bày một cấu trúc MPA tích hợp graphene được Y. Zhang và nhóm nghiên cứu đề xuất [142]. Cấu trúc của MPA tích hợp graphene bao gồm nhiều lớp. Lớp trên cùng là các bộ cộng hưởng kim loại Au hình dấu cộng. Tiếp đến là hai lớp lưới graphene được ngăn cách bởi lớp điện môi mỏng SiO2, kế tiếp là lớp điện môi polyme. Lớp dưới cùng là lớp kim loại Au liên tục đóng vai trò như gương phản xạ hoàn toàn sóng THz chiếu tới. Bộ cộng hưởng kim loại có chiều rộng w và chiều dài l tương ứng là 15 μm và 90 μm. Ô cơ sở hình vuông có kích thước 120 μm. Lưới graphene có độ rộng 5 μm. Độ dày của lớp SiO2, lớp polyme và các lớp kim loại lần lượt là 0,3 μm, 12,8 μm và 0,5 μm. Điện áp một chiều đặt vào hai lớp graphene nhằm điều khiển thế hóa học của graphene, từ đó kiểm soát độ dẫn điện của nó.
Hình 1.40. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA trong các trường hợp: không tích hợp graphene và tích hợp graphene với EF thay đổi [142].
Tần số (THz) Đ ộ h ấp th ụ
Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA không tích hợp graphene được chỉ ra trong Hình 1.40 (đường nét đứt màu đen). Phổ hấp thụ cho thấy MPA với bộ cộng hưởng hình dấu cộng có đỉnh hấp thụ tại tần số 0,91 THz với độ hấp thụ trên 97%. Đỉnh của phổ hấp thụ được giải thích là do cộng hưởng từ gây ra. Phổ hấp thụ của MPA tích hợp với graphene và mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV được trình bày trong Hình 1.40 ứng với các đường nét liền. Kết quả chỉ ra rằng khi mức năng lượng Fermi của graphene tăng dần thì đỉnh hấp thụ của MPA dịch về vùng tần số cao. Kết quả được giải thích là do EF tăng dẫn đến độ dẫn của graphene
tăng, từ đó dẫn đến chiều dài hiệu dụng của bộ cộng hưởng tăng lên và tần số cộng hưởng tăng.
Độ dẫn của graphene phụ thuộc vào mức năng lượng Fermi EF của nó. Khi EF
tăng dần, tính kim loại của graphene tăng dần. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: có thể thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPA thông thường bằng màng graphene đơn lớp có cấu trúc [122,145-162]. Hình 1.41 trình bày cấu trúc MPA mà bộ cộng hưởng là màng graphene đơn lớp có cấu trúc. Cấu trúc MPA gồm ba lớp: trên cùng là lớp graphene có cấu trúc, tiếp đến là lớp điện môi SiO2 và dưới cùng là lớp kim loại Au đóng vai trò như một gương phản xạ hoàn toàn sóng chiếu tới. Các tham số cấu trúc được chỉ ra trong Hình 1.41 gồm: a = 50 μm, b = 40 μm, d = 10 μm,
s = 5 μm, w = 4 μm, tm = 0.4 μm, td = 3 μm.
Hình 1.41. (a) Cấu trúc 3D của MPA tích hợp graphene; (b) Bề mặt ô cơ sở của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ [122].
Graphene
SiO2
Hình 1.42. Phổ hấp thụ của MPA tích hợp graphene khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi [122].
Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi được trình bày trong Hình 1.42. Kết quả cho thấy khi mức năng lượng Fermi của graphene tăng thì đỉnh hấp thụ dịch về vùng tần số cao, đồng thời cường độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng cũng tăng.
Hình 1.43. Sơ đồ cấu trúc MPA với bộ cộng hưởng là màng graphene đơn lớp có cấu trúc: (a) Cấu trúc bộ cộng hưởng graphene; (b) Cấu trúc ba chiều của MPA tích
hợp graphene [159].
Bằng cách thay các bộ cộng hưởng kim loại trong cấu trúc MPA thông thường bằng màng graphene đơn lớp có cấu trúc, cấu trúc màng graphene được tối ưu hóa cùng với các tham số cấu trúc của MPA, có thể đạt được các MPA tích hợp graphene hấp thụ dải tần rộng. Hình 1.43 trình bày cấu trúc MPA mà bộ cộng hưởng là màng graphene đơn lớp có cấu trúc đã được tối ưu hóa để đạt được tính chất hấp thụ dải tần
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Tần số (THz) Đ ộ h ấp th ụ PDMS Au
rộng. Cấu trúc MPA gồm ba lớp: trên cùng là lớp graphene có cấu trúc, tiếp đến là lớp điện môi PDMS (Polydimethylsiloxane), dưới cùng là lớp kim loại Au đóng vai trò như một gương phản xạ hoàn toàn sóng điện từ chiếu tới.
Hình 1.44. (a) Mô hình giao thoa giữa các sóng phản xạ của MPA tích hợp graphene; (b) Độ hấp thụ mô phỏng và tính toán của MPA khi mức năng lượng
Fermi của graphene đạt 0,8 eV [159].
Hình 1.44a mô tả cơ chế hấp thụ của MPA tích hợp graphene có cấu trúc. Cơ chế hấp thụ của MPA tích hợp graphene được giải thích dựa vào mô hình giao thoa triệt tiêu. Khi mức năng lượng Fermi của graphene đủ lớn thì độ dẫn của graphene đủ lớn, màng graphene có cấu trúc đóng vai trò như cách tử truyền qua. Sự hấp thụ sóng điện từ xảy ra khi trên bề mặt của màng graphene có cấu trúc xảy ra sự giao thoa triệt tiêu giữa các sóng phản xạ do màng graphene và sóng phản xạ do lớp kim loại.
Hình 1.45. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) Phổ hấp thụ tính toán của MPA tích hợp màng graphene đơn lớp có cấu trúc khi mức năng lượng Fermi của graphene
thay đổi [159]. Tần số (THz) Đ ộ h ấp th ụ Mô phỏng Tính toán Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ h ấp th ụ Mô phỏng Tính toán
Kết quả tính toán dựa vào mô hình giao thoa và mô phỏng được trình bày trong Hình 1.44b, cho thấy sự phù hợp giữa tính toán và mô phỏng. Đồng thời, khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi, độ hấp thụ của MPA trong vùng tần số cộng hưởng cũng thay đổi và được trình bày trong Hình 1.45. Cụ thể, khi mức năng lượng Fermi bằng 0,0 eV thì độ hấp thụ của MPA chỉ đại 42% tại đỉnh hấp thụ. Khi mức năng lượng Fermi của graphene tăng dần thì độ hấp thụ tăng dần và đạt trên 95% khi mức năng lượng Fermi đạt 0,8 eV. Kết quả được giải thích là do khi mức năng lượng Fermi của graphene tăng, dẫn đến độ dẫn và tính kim loại của graphene tăng.
Để đạt được sự hấp thụ dải tần rộng và điều khiển được, MPA tích hợp đa lớp graphene/điện môi đã được nghiên cứu sử dụng. Bằng cách sử dụng các tấm graphene xếp chồng xen giữa các tấm điện môi MgF2 rồi đặt trên một tấm kim loại Au liên tục như Hình 1.46a, Su và các cộng sự đã thiết lập một cấu trúc MPA hấp thụ đa đỉnh sóng điện từ trong vùng tần số từ 20 THz đến 30 THz, có thể điều khiển được [163]. Kết quả mô phỏng trình bày ở Hình 1.46b cho thấy tính chất hấp thụ của MPA tích hợp graphene theo mô hình này có thể được điều khiển khi thay đổi mức năng lượng Fermi EF từ 0,75 eV đến 0,95 eV. Các tham số hình học cấu trúc được tối ưu hóa
gồm: bộ cộng hưởng là mười lớp graphene tích hợp với MgF2 có kích thước L = 360 nm và một tấm Au có độ dày 150 nm, có kích thước ô cơ sở P = 500 nm. Độ dày của một lớp MgF2 tích hợp với graphene là td = 75 nm, trong đó graphene là đơn lớp với
độ dày tg = 0,5 nm.
Hình 1.46. (a) Cấu tạo của vật liệu MPA tích hợp graphene xen giữa các lớp điện môi MgF2; (b) Độ hấp thụ mô phỏng của vật liệu ứng với giá trị mức năng lượng
Fermi thay đổi từ 0,75 eV đến 0,95 eV [163].
Kết quả mô phỏng cho thấy khi mức năng lượng Fermi tăng lên thì tần số của các đỉnh cộng hưởng cũng tăng lên. Kết quả này được giải thích rằng: khi EF tăng dẫn
Đ ộ h ấp th ụ Tần số (THz) (b) (a) Au
đến tăng độ dẫn của graphene σg và tăng cường khả năng thẩm thấu hiệu dụng của đa lớp graphene/MgF2. Từ những kết quả này, mô hình vật liệu biến hóa tích hợp graphene được đề xuất có thể ứng dụng trong một thiết bị chuyển đổi ảnh nhiệt vì nó đã hấp thụ sóng điện từ và chuyển đổi năng lượng sóng điện từ thành nhiệt.