5.2. Chế tạo anten siờu cao tần từ cỏc màng mỏng Au
5.2.3. Khảo sỏt phản hồi của anten
Cỏc anten trờn được khảo sỏt khả năng thu phỏt súng bằng thiết bị đo Anritsu 37369D tại khoa Điện Tử Viễn Thụng trường đại học Cụng Nghệ - ĐHQGHN. Ở đõy, cả 5 mẫu AT20-AT100 như cỏc phộp đo nờu trờn đều được khảo sỏt.
Dựa vào dải tần hoạt động của những anten này được kiểm tra từ trước bằng dao động kớ, chỳng tụi tiến hành đo hệ số phản hồi của 5 anten này trong khoảng tần số từ 5-12 GHz lần lượt trong điều kiện khụng chiếu sỏng và chiếu sỏng.
Hỡnh 5.13 biểu diễn tớn hiệu S1 (tổn hao) của cỏc anten này trong điều kiện được chiếu sỏng. Cỏc tớn hiệu cho thấy cả 5 anten đều cú đỉnh đặc trưng ở khoảng tần số 8-9 GHz, ngoài ra cũn cú một đỉnh phụ trong khoảng 5-7 GHz với cỏc anten cú độ dày màng mỏng lớn. Trong điều kiện thớ nghiệm, cỏc phộp đo được thực hiện khi trong phũng được bật điện với 8 búng đốn huỳnh quang cụng suất 40W cho diện tớch phũng là 30m2.
Theo hỡnh 5.13, cú thể nhận thấy anten AT80 cho khả năng phản hồi tốt nhất (tổn hao 26 dB), lớn hơn khỏ nhiều so với anten AT60 và AT40 (tổn hao < 20dB) và cũng lớn hơn so với anten AT100 (cú độ dày màng lớn nhất). Chỉ với mẫu AT20 là thể hiện đặc trưng phản hồi rất yếu, tớn hiệu phản hồi của đỉnh đặc trưng khỏ thấp, chỉ cỡ 5dB, giỏ trị này là nhỏ hơn cả giỏ trị của cỏc anten thụng thường, như vậy màng mỏng Au20 gần như khụng thể được ứng dụng trong chế tạo anten.
Nguyờn nhõn của hiện tượng này cú thể được giải thớch thụng qua giỏ trị độ dẫn điện của màng mỏng Au20. Như đó biết, khả năng dẫn điện của màng mỏng này là rất kộm, độ dẫn của nú kộm Au dạng khối cỡ 80 lần, nờn sự chuyển dịch của điện tử trờn bề mặt là rất khú khăn, cỏc điện tử tự do khụng thể hỡnh thành những dao động tập thể khi cú điện từ trường bờn ngoài được, điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng thu nhận tớn hiện của anten này.
5 6 7 8 9 10 11 12 -25 -20 -15 -10 -5 0 AT 1 0 0 AT 8 0 AT 6 0 AT40 M ag . ( dB) f(GHz) AT20
Hỡnh 5.13. Hệ số phản hồi S1 (tổn hao) của 5 mẫu anten khi được chiếu sỏng
Xột về tớnh chất điện, thỡ màng mỏng Au cú độ dày lớn hơn sẽ dẫn điện tốt hơn và ngược lại, điều này đó được kiểm chứng trong phần 5.2.1. Theo những lý giải đối với anten AT20 như trờn, thỡ về nguyờn tắc anten AT100 phải cú khả năng phản hồi tốt nhất. Tuy nhiờn, thực nghiệm đo được lại khụng tuõn theo đỳng quy luật đú. Kết quả chỉ cho thấy quy luật núi trờn chỉ hợp lý với ở những anten mà độ dày màng mỏng thấp (từ 20 - 80 nm), sự thay đổi cú thể được quan sỏt thấy một cỏch rừ rệt, khi độ dày màng mỏng tăng lờn, độ dẫn điện thay đổi khụng nhiều, thỡ vai trũ của độ dẫn điện khụng phải là quan trọng nhất. Như đó trỡnh bày trong mục 5.2.1, độ dẫn điện của cỏc màng mỏng này nhỏ hơn độ dẫn của vật liệu Au dạng khối cỡ 8-90 lần, tức là vẫn cú sự chia cỏch giữa cỏc hạt nano Au trờn bề mặt đế thủy tinh. Do đú, cấu trỳc của những anten này giống như cấu trỳc của anten mạch dải dạng MMA, là loại anten mà cấu trỳc bề mặt gồm cỏc phần tử giống nhau đặt
liền kề với nhau. Đối với những anten này, đặc trưng phản hồi khụng chỉ phụ thuộc vào hỡnh dạng, cấu trỳc bề mặt anten cũng như vật liệu làm điện cực mà cũn phụ thuộc vào số lượng, khoảng cỏch và kớch thước của cỏc phần tử trờn bề mặt đú. Những kết quả nghiờn cứu về sự phụ thuộc của cấu trỳc meta của bề mặt lờn tớn hiệu phản hồi của anten đó được tỏc giả trỡnh bày trong bài bỏo [36].
Một kết quả khỏc cũng rất đỏng chỳ ý trong trường hợp này đú là sự dịch đỉnh đặc trưng về phớa tần số cao khi độ dày màng mỏng Au tăng lờn. Theo cụng thức (1.13) thỡ tần số hoạt động của anten sẽ tỉ lệ nghịch với hằng số điện mụi của lớp đế và tỉ lệ nghịch với kớch thước ụ kim loại làm điện cực. Ở đõy, cả 5 anten đều cú cấu tạo, kớch thước giống nhau, lớp điện mụi là đế thủy tinh cũng giống nhau nhưng lại cú vị trớ đỉnh phản hồi khỏc nhau. Điều này chỉ cú thể được giải thớch thụng qua giỏ trị hằng số điện mụi hiệu dụng. Giỏ trị độ dẫn điện của cỏc màng mỏng Au này cho thấy, cỏc hạt nano Au sắp xếp trờn bề mặt tạo thành màng mỏng nhưng chưa tạo thành mạng tinh thể như vật liệu khối (độ dẫn nhỏ hơn 8-90 lần), như vậy luụn tồn tại một lớp cỏch điện giữa cỏc hạt nano Au. Lớp cỏch điện này sẽ gúp phần làm tăng hằng số điện mụi hiệu dụng của anten. Đối với cỏc màng mỏng hơn, độ dẫn điện rất thấp, chứng tỏ giữa cỏc hạt nano cú sự phõn tỏch khỏ rừ ràng, núi cỏch khỏc, hằng số điện mụi hiệu dụng của cỏc anten này là lớn hơn so với cỏc màng dày hơn. Như vậy giỏ trị hằng số điện mụi hiệu dụng này sẽ giảm khi tăng độ dày màng mỏng, dẫn đến tần số hoạt động của anten (tỉ lệ nghịch với hằng số điện mụi) sẽ tăng theo độ dày màng. Điều này là rất cú ý nghĩa trong việc lựa chọn độ dày màng mỏng để chọn dải tần hoạt động của anten phự hợp với mục đớch đề ra. Ngoài ra, như tỏc giả đó trỡnh bày trong bài bỏo [36], đỉnh phản hồi của cỏc anten này cũn phụ thuộc cấu trỳc meta của bề mặt điện cực, đú là số lượng, kớch thước và khoảng cỏch giữa cỏc phần tử trong điện cực. Rừ ràng là, để lựa chọn được dải tần hoạt động của anten như mong muốn thỡ cần nhiều nghiờn cứu cú tớnh hệ thống cả theo cấu trỳc và độ dày điện cực.
Như vậy, cú thể kết luận rằng, màng mỏng Au80 cú cấu trỳc bề mặt phự hợp nhất trong việc ứng dụng để chế tạo cỏc anten siờu cao tần. Ngoài cỏc yếu tố núi
trờn, hiện tượng cộng hưởng plamon trờn bề mặt màng mỏng cũng đúng một vai trũ quan trọng đối với phản hồi của cỏc anten này khi sử dụng trong điều kiện cú trường điện từ bờn ngoài. Khi cú ỏnh sỏng chiếu tới bề mặt anten, tựy thuộc bước súng ỏnh sỏng và kớch thước vật liệu nano mà hiệu ứng SPRs được xảy ra mạnh hay yếu, mật độ điện tử sẽ tăng hay giảm ở mỗi anten, do đú khả năng thu phỏt của cỏc anten cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi trường bờn ngoài. Một số kết quả nghiờn cứu đến hiệu ứng SPRs ảnh hưởng đến phản hồi của những anten này đó được tỏc giả trỡnh bày trong bài bỏo [134].
Hỡnh 5.14 biểu diễn đặc trưng phản hồi của 5 anten núi trờn trong điều kiện bật và tắt ỏnh sỏng. Cỏc đường màu đỏ biểu diễn đặc trưng phản hồi khi bật đốn và cỏc đường màu đen là khi tắt đốn. Hỡnh nhỏ biểu diễn hỡnh ảnh phúng to của vựng đỉnh phản hồi.
Kết quả cho thấy cỏc đường đặc trưng phản hồi của anten AT20 trong điều kiện chiếu sỏng và khụng chiếu sỏng là gần như trựng với nhau ngay cả khi phúng to. Như kết quả trờn hỡnh 5.14, anten AT20 này cho đỉnh phản hồi rất thấp, giỏ trị độ dẫn của màng mỏng Au trong anten này là chưa đủ lớn để đúng vai trũ một điện cực của anten nờn dự cú xảy ra hiện tượng cộng hưởng plasmon hay khụng thỡ cỏc điện tử vẫn di chuyển rất khú khăn trờn bề mặt màng mỏng Au20. Do đú, ảnh hưởng của việc chiếu sỏng (hiệu ứng SPRs) đối với phản hồi của anten này là chưa được quan sỏt.
Kết quả trờn cỏc hỡnh biểu diễn khả năng phản hồi của cỏc anten AT40 và AT60 cho thấy cú sự khỏc biệt giữa hai kết quả khảo sỏt khi bật đốn và khi tắt đốn. Với anten AT40 sự thay đổi là 3,6% (từ 17,86 đến 18,53 dB) cũn anten AT60 thay đổi khoảng 1,2% (từ 19,16 đến 19,39 dB). Đối với cỏc anten này thỡ đỉnh phản hồi khi được chiếu sỏng cú cường độ nhỏ hơn so với khi khụng được chiếu sỏng. Như đó núi ở trờn, cỏc màng mỏng Au được tạo nờn bởi sự sắp xếp cỏc hạt nano trờn bề mặt đế tạo thành cỏc lớp. Với 2 anten này, màng mỏng Au cú chiều dày cỡ 40 nm và 60 nm, cú khả năng dẫn điện kộm, tức là cỏc hạt nano Au cú liờn kết với nhau khỏ yếu, cấu trỳc của 2 anten tựa như một anten đa chấn tử, hiệu ứng SPRs trong
mỗi chấn tử đú cú thể ảnh hưởng đến nhau làm nhiễu tớn hiệu phản hồi của anten nờn cú sự suy giảm về cường độ tớn hiệu phản hổi khi được chiếu sỏng.
Hỡnh 5.14. Phản hồi của 5 mẫu anten khi cú và khụng cú ỏnh sỏng
Với cỏc anten AT80 và AT100 thỡ tổn hao tớn hiệu khi được anten được chiếu sỏng đó tăng 4,2% (24,31 đến 25,48 dB) và 2,6% (22,41 đến 22,99 dB) tương ứng. Mặc dự những sự thay đổi này là rất nhỏ nhưng cú thể nhận thấy đó cú ảnh hưởng của bề dày lớp màng Au và hiệu ứng SPRs đến tớn hiệu phản hồi của anten.
5 6 7 8 9 10 11 12 -5 -4 -3 -2 -1 0 Ma g. (dB ) f(GHz) bat den tat den AT20 7.90 7.95 8.00 8.05 8.10 8.15 -5.4 -5.3 -5.2 5 6 7 8 9 10 11 12 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Ma g. (dB ) f(GHz) bat den tat den AT40 -18.6 -18.4 -18.2 -18.0 -17.8 -17.6 8.16 8.18 8.20 5 6 7 8 9 10 11 12 -20 -15 -10 -5 0 Ma g. (dB ) f(GHz) bat den tat den AT60 -19.50 -19.25 -19.00 -18.75 -18.50 8.31 8.34 8.37 8.40 5 6 7 8 9 10 11 12 -25 -20 -15 -10 -5 0 Ma g. (dB ) f(GHz) bat den tat den AT80 8.52 8.55 8.58 8.61 -26 -25 -24 -23 -22 5 6 7 8 9 10 11 12 -25 -20 -15 -10 -5 0 Ma g. (dB ) f(GHz) bat den tat den AT100 8.88 8.90 8.92 8.94 8.96 8.98 -23.2 -22.8 -22.4 -22.0 -21.6
Với 2 anten này, lớp màng mỏng Au dày hơn, bề mặt Au đó gần như đồng nhất, thể hiện tớnh dẫn điện tốt hơn, cấu trỳc của anten này khụng giống như hệ nhiều anten nữa mà cú thể coi như một anten duy nhất với một mặt là Au và một mặt là Cu. Khi ỏnh sỏng chiếu tới bề mặt Au, mật độ điện tử trờn bề mặt tăng lờn, cỏc điện tử này cú thể di chuyển trờn toàn bộ bề mặt và tham gia vào tất cả cỏc mode dao động, gúp phần tăng cường tớn hiệu phản hồi của anten này.
Mối liờn hệ giữa hiệu ứng plasmon bề mặt và hoạt động của anten cú thể được giải thớch một cỏch định tớnh như sau. Khi một súng điện từ tần số GHz lan truyền trong khụng gian đến bề mặt một anten sẽ làm cho cỏc điện tử tự do trờn hai bản cực của anten dao động. Cường độ trường điện từ biến thiờn xuất hiện trờn bề mặt anten đú sẽ phụ thuộc vào mật độ điện tử tự do cú trờn bề mặt anten. Với cỏc kim loại thụng thường mật độ này xỏc định và cú giỏ trị ~ 1023 điện tử /cm3. Chớnh dao động của cỏc lưỡng cực điện đó tạo thành một tớn hiệu điện truyền về mỏy thu. Và ngược lại, khi đúng vai trũ anten phỏt thỡ những dao động của điện tử sẽ tạo nờn trường điện từ biến thiờn trờn bề mặt và lan truyền vào khụng gian. Như vậy, khả năng thu phỏt súng của một anten phụ thuộc khỏ nhiều vào độ lớn của lưỡng cực, tức là vào mật độ điện tử tự do trờn cỏc điện cực của anten. Dĩ nhiờn, nếu bằng cỏch nào đú, mật độ điện tử này cú thể tăng lờn thỡ cường độ trường điện từ xuất hiện sẽ tăng theo. Đấy cũng là một trong những lý do vỡ sao người ta phải lựa chọn kim loại thớch hợp để chế tạo cỏc anten cú độ nhạy cao.
Khi cỏc hạt nano được phủ trờn bề mặt điện cực của anten, theo tớnh toỏn lý thuyết của chỳng tụi, mỗi hạt nano cú kớch thước 30 nm cú thể làm tăng mật độ điện tử từ 4 đến 10 lần trờn diện tớch 30 nm2 mà nú tiếp xỳc với cực của anten. Sự gia tăng mật độ tổng thể dĩ nhiờn phụ thuộc vào mật độ hạt cú trờn bề mặt cực của anten, tuy nhiờn cũng cần lưu ý đến trường hợp cỏc hạt nano này liờn kết với nhau thành cỏc hạt lớn hơn khi đú sẽ ảnh hưởng đến hiệu ứng SPRs trờn cỏc hạt đú.
Từ những kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của độ dẫn cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng SPRs đến đặc trưng phản hồi của anten, chỳng ta cú thể nhận thấy khụng phải anten cú điện dung lớn tức là cú độ dẫn điện tốt thỡ sẽ cho hệ số phản
hồi lớn, mà ở đõy hệ số phản hồi cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc. Đặc biệt, khi nghiờn cứu để ứng dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt trong việc thiết kế, chế tạo cỏc anten thỡ chỳng ta cũn cần quan tõm đến yếu tố kớch thước hạt, độ dày màng mỏng, và dải tần hoạt động của anten cần phự hợp với mục đớch sử dụng.
Để cú thể ứng dụng trong thực tiễn thỡ cỏc anten siờu cao tần cần cho giỏ trị tớn hiệu phản hồi ớt nhất gấp đụi tớn hiệu nguyờn thủy, tức là hiệu suất phải hồi phải được nõng lờn ớt nhất 100%. Chắc chắn là cũn phải cú nhiều nghiờn cứu tiếp theo để cú thể đạt được kết quả mong đợi, nhưng việc ứng dụng cỏc anten siờu cao tần để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng là một chủ đề nghiờn cứu thỳ vị và rất tiềm năng. Cú thể thấy, chỳng ta dễ dàng tớch hợp được khoảng 10000 anten trờn một diện tớch 1m2
. Nếu mỗi anten chỉ cho cụng suất tớch cực là 1 àW thỡ cụng suất tổng cộng của 10000 anten cũng đó là 10 mW. Nếu cụng suất tớch cực của mỗi anten được nõng lờn 100 lần thỡ 1m2
thiết bị sẽ cho 1W. Một mỏi nhà diện tớch 100m2 cú thể trở thành nguồn điện cụng suất 100W, năng lượng mà nguồn điện này thu được khụng phải từ mặt trời, từ giú mà từ chớnh súng điện từ hiện hữu trong khụng gian hiện nay. Do vậy, định hướng tiếp theo của nghiờn cứu này là chế tạo cỏc anten siờu cao tần cú điện cực bề mặt là cỏc màng mỏng Au cú độ dày thớch hợp, từ đú thử nghiệm một số cấu trỳc bề mặt khỏc nhau. Hy vọng cỏc cấu trỳc mới cú thể đem lại hiệu suất hoạt động cao hơn cho cỏc anten siờu cao tần.
Thay lời kết, cỏc màng mỏng Au được chế tạo bằng phương phỏp húa ướt cú chất lượng đồng đều, với độ dày được khống chế tốt, điều khiển được với sai số thấp. Cỏc anten siờu cao tần được chế tạo sử dụng cỏc màng mỏng Au này làm điện cực cú dải tần hoạt động trong vựng GHz và cú đặc trưng trở khỏng thay đổi theo độ dày màng mỏng. Tổn hao của cỏc anten khụng chỉ phụ thuộc vào độ dày màng mỏng (độ dẫn điện) mà cũn phụ thuộc cấu trỳc bề mặt của anten. Hiệu ứng SPRs trờn màng Au cũng ảnh hưởng đến tớn hiệu phản hồi, với cỏc anten cú độ dày màng phủ nhỏ hơn thỡ tổn hao giảm khi được chiếu sỏng cũn với cỏc anten cú độ dày màng phủ lớn hơn thỡ tổn hao tớn hiệu tăng lờn khi bề mặt anten được chiếu sỏng.
KẾT LUẬN
Luận ỏn đó trỡnh bày những kết quả nghiờn cứu trờn cỏc hệ màng mỏng của kim loại Au và một số hệ kim loại - kim loại, kim loại - phi kim cú chứa Au.
1. Vật liệu nano Au:C (carbid vàng) và Au:H (hydrid vàng) là nhúm cỏc vật liệu mới, rất nhiều trong số đú là cỏc cấu hỡnh chưa từng được chế tạo. Cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra rằng :
- Cú tồn tại những cấu hỡnh nano cú độ bền nhiệt động cao (Au6C3, Au5H1,