CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs)
1.1.3. Tiềm năng phát triển và ứng dụng của vật liệu MPAs
Do tính chất hấp thụ của MPAs có thể linh hoạt điều chỉnh thông qua tối ưu các tham số cấu trúc, các MPAs có thể cho các tính chất hấp thụ băng tần hẹp hoặc băng tần rộng. Đồng thời, các MPAs có thể hoạt động từ vùng tần số thấp MHz đến vùng tần số cao bao gồm: THz, hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Đặc biệt, kích thước của các MPAs nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Chính vì những lý do đó, các MPAs cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến, hấp thụ năng lượng, ra đa, chống phản xạ, các thiết bị quang.
a) Cảm biến
Cảm biến là một thiết bị được sử dụng khá phổ biến hiện nay trong nhiều lĩnh vực như: phòng cháy chữa cháy, công nghiệp, nông nghiệp, truyền thông, y tế, sinh học, môi trường, … Có thể hiểu đơn giản, cảm biến là thiết bị điện tử có thể ghi nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học của môi trường khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó. Vật liệu MPAs đóng vai trò quan trọng trong cảm biến, khi sử dụng MPAs, các tín hiệu hấp thụ của các phân tử có thể được tăng cường thông qua cộng hưởng mạnh giữa sóng điện từ và vật liệu MPAs. Đã có nhiều mô hình MPAs cho thấy khả năng ứng dụng trong các loại cảm biến khác nhau [91-94].
Hình 1.23. (a) Mô hình cấu trúc MPA với các bộ cộng hưởng hình dấu cộng; (b) Ảnh SEM bề mặt của cấu trúc [93].
Cụ thể, S. Khang và nhóm nghiên cứu tại Đại học Northeastern của Mỹ đã chứng minh bằng thực nghiệm một cấu trúc MPA băng thông siêu hẹp như được trình bày trong Hình 1.23. MPA được đề xuất có khả năng ứng dụng trong các máy quang phổ thu nhỏ, chi phí thấp và có độ phân giải cao [93]. Trong đó, Hình 1.23.a mô tả
(b) Cấu trúc dấu cộng 100 nm Au Tấm nền 100 nm Au Đệm điện môi 200 nm SiO2
cấu trúc 3D của MPA gồm các ô cơ sở với bộ cộng hưởng là cấu trúc Au dấu cộng đặt trên một lớp điện môi SiO2 và dưới cùng là lớp Au liên tục. Bộ cộng hưởng Au, lớp SiO2, lớp Au có độ dày tương ứng là 100 nm, 200 nm và 100 nm. Ô cơ sở hình vuông có độ rộng 4 μm, kích thước bộ cộng hưởng dấu cộng gồm: a = 200 nm, b = 1.9 μm.
Hình 1.24. Phổ hấp thụ đo được (đường nét liền màu đen) và phổ hấp xác định thông qua mô hình mạch điện tương đương (đường nét đứt màu đỏ) [93].
Hình 1.25. Quang phổ hấp thụ hồng ngoại của bốn loại khí CO2, N2O, CO, NO dựa trên MPA và phổ phát xạ chuẩn hóa tương ứng của chúng [93].
Hình 1.24. trình bày phổ hấp thụ của MPA xác định thông qua mô hình mạch điện tương đương và thực nghiệm. Kết quả cho thấy băng thông hấp thụ siêu hẹp, chỉ 180 nm (FWHM bằng 3,1% tại bước sóng λ0 = 5,83 µm), đồng thời, độ hấp thụ gần hoàn hảo (η > 99,7%), trong khi độ phản xạ mạnh đạt được ở ngoài vùng hấp
Bước sóng (μm) Đ ộ h ấp th ụ Thực nghiệm Mô hình mạch điện Bước sóng (μm) Đ ộ h ấp th ụ Bước sóng (μm) Đ ộ h ấp th ụ Thực nghiệm Mô hình mạch điện
thụ. Các kết quả phân tích mô hình mạch điện tương đương phù hợp với các kết quả thực nghiệm. Để làm nổi bật khả năng của MPA băng thông siêu hẹp. Quang phổ hấp thụ hồng ngoại của bốn loại khí (CO2, N2O, CO, NO) dựa trên MPA được so sánh với phổ phát xạ chuẩn hóa tương ứng của chúng và được trình bày trong Hình 1.25. Quang phổ hấp thụ cho thấy với mỗi loại khí, quang phổ hấp thụ dựa trên MPA thu được đầy đủ tín hiệu hồng ngoại quan tâm, trong khi loại bỏ được các phát xạ hồng ngoại ở các vị trí khác. Kết quả này cho phép tăng cường độ phân giải và tính chọn lọc của quang phổ hấp thụ, từ đó dẫn đến khả năng ứng dụng của MPA trong các cảm biến khí vi lượng sử dụng phổ hồng ngoại trung.
b) Thu năng lượng
Một thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời (Solar Absorption – SA) hiệu quả là rất quan trọng đối với nguồn năng lượng sạch này và các thiết bị quang điện tử liên quan. Các SA hoạt động dựa trên các vật liệu hấp thụ ánh sáng mạnh và chuyển đổi năng lượng này thành năng lượng của các điện tử [95, 96]. Mục tiêu cuối cùng để tạo ra thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời là đạt được sự hấp thụ hoàn toàn của ánh sáng mặt trời trong phạm vi quang phổ đầy đủ của nó. Trong các thiết bị SA, việc tạo ra vật liệu hấp thụ sóng điện từ băng thông rộng bao phủ hầu hết quang phổ mặt trời đóng vai trò hết sức quan trọng. Có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các MPAs có thể đáp ứng được yêu cầu của vật liệu hấp thụ trong các SA [97-101].
Với khả năng điều khiển linh hoạt hình dạng và kích thước cấu trúc, có thể đạt được các MPAs với băng thông rộng từ vùng hồng ngoại cho đến vùng ánh nhìn thấy của quang phổ mặt trời. Các nghiên cứu gần đây của G. Liu và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh có thể tạo ra MPA băng thông rộng từ vùng bước sóng UV đến vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại [100]. MPA này được tạo ra từ các bộ cộng hưởng plasmonic đa lớp của các kim loại chịu nhiệt cao như Ti, V, W. Cấu trúc của MPA được trình bày trong Hình 1.26, bộ cộng hưởng của MPA bao gồm các đĩa kim loại với đường kính khác nhau được xếp chồng lên nhau, bộ cộng hưởng được đặt trên một tấm kim loại liên tục, giữa các lớp kim loại là lớp điện môi SiO2. Các đĩa kim loại của bộ cộng hưởng có cùng độ dày 60 nm, có đường kính lần lượt là d1 =
200 nm, d2 = 300 nm, d3 = 400 nm. Các lớp điện môi SiO2 đều có độ dày 30 nm. Tấm
kim loại liên tục đóng vai trò như một gương phản xạ sóng điện từ, có độ dày 200 nm. Ô cơ sở hình vuông có kích thước 500 nm.
Hình 1.27. Phổ tiêu chuẩn của bức xạ mặt trời AM 1,5 (đường nét liền màu đen) và mức hấp thụ năng lượng mặt trời của SA dưới sự chiếu sáng của AM 1,5 (đường
màu đỏ), hiệu suất hấp thụ của SA (đường nét đứt màu đen) [100].
Phổ hấp thụ năng lượng mặt trời của MPA dưới sự chiếu sáng của nguồn AM 1,5 (Air Mass 1,5) được so sánh trực tiếp với phổ tiêu chuẩn của bức xạ mặt trời như trong Hình 1.27. Kết quả cho thấy dưới bức xạ của mặt trời, MPA tạo ra quang phổ hấp thụ hoàn toàn phù hợp với phạm vi phân bố năng lượng chính của ánh sáng mặt trời. Đối với vùng chính của bức xạ mặt trời (được đánh dấu bằng nét đứt ở bước sóng 2500 nm), độ hấp thụ A gần như trên 80%, cho thấy độ hấp thụ cao ở dải bước sóng từ 280 nm đến 2500 nm. Hơn nữa, vẫn có sự hấp thụ mạnh trong dải bước sóng dài hơn (2500 nm – 4000 nm). Đồng thời Hình 1.27 cho thấy phổ hấp thụ của MPA
Bước sóng (μm) Cư ờng đ ộ b ức x ạ (W /m 2 /nm) Đ ộ hấ p th ụ
trong quang phổ mặt trời trùng với đường cong của phổ bức xạ mặt trời tiêu chuẩn AM 1,5. Do đó, SA dựa trên MPA có thể hấp thụ gần như hoàn toàn ánh sáng mặt trời trong toàn bộ quang phổ của nó.
Hình 1.28. Phổ hấp thụ và bị bỏ sót năng lượng mặt trời bởi MPA trong quang phổ đầy đủ của bức xạ mặt trời [100].
Năng lượng mặt trời được MPA hấp thụ và bị bỏ sót dưới sự chiếu sáng của nguồn AM 1,5 được biểu diễn trong Hình 1.28. Có thể thấy năng lượng chính trong bức xạ mặt trời đã bị hấp thụ ứng với bước sóng khoảng từ 280 nm đến 4000 nm, chỉ quan sát thấy một vùng nhỏ trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy (xung quanh 500 nm). So với phổ bức xạ mặt trời tiêu chuẩn, trong vùng chính có bước sóng từ 280 nm đến 4000 nm, hiệu suất hấp thụ lên đến 97,2%. Từ kết quả đó, có thể khẳng định mức độ hấp thụ trên toàn bộ vùng quang phổ chính của mặt trời gần như thống nhất. Tỷ số giữa phần năng lượng không được hấp thụ và phần năng lượng được hấp thụ là 0,028.
c) Một số ứng dụng khác của MPAs
Bên cạnh những ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và thu năng lượng mặt trời, MPA còn cho thấy khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như ra đa, chống phản
xạ [102,103], thiết bị phát hiện quang [104-106], nhiệt điện quang [107,108], thiết bị
hình ảnh [109,110], bộ phát xạ nhiệt tuyệt đối [111, 112].