CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.4. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế chồng chập
4.4.3. Cơ chế chuyển đổi hấp thụ
Như đã đề cập ở trên, việc tích hợp đơn lớp graphene dự kiến sẽ không ảnh hưởng đến tổng tương tác từ (μtotal) mà ảnh hưởng đến tổng tương tác điện (εtotal).
Trong khi μtotal chỉ được xác định bằng cộng hưởng từ của cấu trúc cặp kim cương, εtotal có thể được coi là tổng của tương tác điện của cấu trúc cặp kim cương và tương
tác điện của lớp graphene. Do sự hấp thụ cao trong MPA cặp kim cương nguyên bản bắt nguồn từ việc chồng chập tổn hao do cộng hưởng từ và cộng hưởng điện của chúng, nghiên cứu của chúng tôi hướng đến việc kiểm soát cường độ hấp thụ của MPA tích hợp graphene bằng cách kiểm sốt sự chồng chập cộng hưởng. Cụ thể, độ điện thẩm tổng cộng εtotal được thay đổi bằng cách điều chỉnh độ dẫn của graphene
thơng qua mối quan hệ giữa thế hóa học và các kích thích bên ngồi (ở đây là điện áp một chiều Vg). Thếhóa học μc là một hàm của Vg và đã được chỉ ra ở biểu thức (4.4).
Hình 4.25. Kết quả mơ phỏng tính tốn: (a) độ hấp thụ và (b) độ truyền qua của
MPA kim cương tích hợp graphene khi thếhóa học thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV. Để giải thích ý tưởng này, chúng tơi thực hiện một loạt mơ phỏng, tính tốn sự truyền qua và hấp thụ của MPA tích hợp graphene. Ảnh hưởng của điện áp một chiều đến tính chất hấp thụ đạt được bằng cách thay đổi thế hóa học từ0,0 eV đến 0,5 eV. Các kết quả được mơ tả trong Hình 4.25. Có thể thấy rằng khi μc tăng từ 0,0 eV đến 0,5 eV, tần số hấp thụ của MPA tích hợp graphene là không thay đổi (ở khoảng 1,38 THz). Đỉnh này có cường độ khoảng 91% tại μc = 0,0 eV, có thể hấp thụ sóng
điện từ hai chiều do tính chất đối xứng của cấu trúc hình kim cương. Tuy nhiên, cường độ hấp thụ của nó giảm một cách có hệ thống xuống cịn 41 % tại μc = 0,5 eV. Nói
Tần số (THz) Tần số (THz) Th ế hóa h ọ c c ủ a g raphe ne ( eV) Th ế hóa h ọ c c ủ a g raphe ne ( eV) (a) (b)
cách khác, tính chất hấp thụ cao của MPA tích hợp graphene có thể được bật hoặc tắt bằng cách kiểm soát điện áp một chiều đặt vào lớp graphene.
Độ truyền qua của MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học μc thay đổi được biểu diễn trong Hình 4.25b. Như đã được phân tích ở
trên, khơng giống như MPA thơng thường (có gương kim loại phía sau), cấu trúc cặp kim cương tích hợp graphene được đề xuất có thể truyền qua sóng điện từở tần số bên ngồi dải tần hấp thụ. Đặc biệt, ở tần số cộng hưởng, phổ truyền qua tiến triển ngược chiều với phổ hấp thụ, tăng từ gần 0% đến 50% khi μc thay đổi tương ứng từ 0,0 eV đến 0,5 eV. Xung quanh dải tần hấp thụ, phổ truyền qua cũng có giá trị trung bình từ 50% trở lên, ngoại trừ tần số thấp hơn 0,6 THz, ở đó độ điện thẩm hiệu dụng là âm do tính chất plasma của cấu trúc.
Hình 4.26. (a) Phần thực của độ từ thẩm và (b) Phần thực của độ điện thẩm của
MPA kim cương tích hợp graphene khi thếhóa học thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV (các đường nét liền chỉ ra đường biên giữa giá trị dương và âm của độ điện thẩm). Để hiểu rõ hơn về tính chất hấp thụ có thể chuyển đổi của MPA kim cương tích hợp graphene, các phần thực của độ điện thẩm hiệu dụng và của độ từ thẩm hiệu dụng được trích xuất và mơ tả tương ứng trong Hình 4.26a và Hình 4.26b. Như đã nói ởtrên, cộng hưởng từ tại μc = 0,0 eV gần giống với cộng hưởng từ của cấu trúc cặp kim cương nguyên bản. Thay đổi μc lên đến μc = 0,5 eV thì khơng ảnh hưởng đến
tần số cộng hưởng từ. Tuy nhiên, cường độ cộng hưởng của nó dần trở nên yếu hơn khi tăng μc từ0,0 eV lên 0,5 eV. Điều đó có nghĩa là giá trịμc càng cao, sựđóng góp của tổn hao do cộng hưởng từ vào tổng độ hấp thụ càng ít. Đây có thể là một trong những lý do chính dẫn đến sự giảm hấp thụ khi tăng μc như trong Hình 4.25a.
Th ế hóa h ọ c c ủ a g raphe ne ( eV) Th ế hóa h ọ c c ủ a g raphe ne ( eV) Tần số (THz) Tần số (THz) (a) (b)
Sự thay đổi độ điện thẩm thu được theo μc là đáng chú ý hơn. Thứ nhất, cộng
hưởng điện có nguồn gốc từ cấu trúc cặp kim cương bị suy giảm khi tăng μc và loại bỏhoàn toàn khi μc > 0,1 eV. Điều này phù hợp với thực tếlà khơng có sựđóng góp tổn hao do cộng hưởng điện cho tổng độ hấp thụ khi μc > 0,1 eV. Quan sát này có thể
giải thích sự giảm mạnh của độ hấp thụ ở μc = 0,1 eV. Thứ hai, tần số plasma được tạo ra bởi lớp graphene cho thấy sự dịch chuyển vềphía tần số cao khi μc tăng dần. Tần số plasma bắt đầu tăng từ 0,80 THz đến 1,10 THz khi μc tăng từ 0,0 eV đến 0,1
eV và dần dần bão hòa ở mức 1,20 THz khi μc tăng từ 0,1 eV đến 0,5 eV.
Mặc dù tính năng chuyển đổi của MPA tích hợp graphene có thểđược hiểu rõ thông qua độ điện thẩm và độ từ thẩm tính tốn được, tuy nhiên độ dẫn thay đổi trong lớp graphene theo μc đóng một vai trị quan trọng trong tính chất điện từ quan sát được của MPA. Theo phương trình mơ tả sự phụ thuộc độ dẫn của graphene vào thế hóa học μc thì tăng μc giúp tăng độ dẫn của graphene. Lúc đầu, tồn bộ tính chất điện
từ của MPA tích hợp graphene bị chi phối bởi cả cộng hưởng điện của cấu trúc kim cương và tính chất plasma của lớp graphene. Khi độ dẫn của graphene lớn hơn một giá trị nhất định, trạng thái plasma của lớp graphene sẽ đóng vai trị chủ đạo chi phối cộng hưởng điện của cấu trúc cặp kim cương và đại diện cho tồn bộ tính chất điện của cấu trúc. Giải thích này phù hợp với kết quả trong Hình 4.26b, trong đó cộng
hưởng điện biến mất nếu μc > 0,1 eV. Ngồi ra, có thể hiểu được sự tăng vọt của tần số plasma từ 0,85 THz đến 1,20 THz bằng cách coi lớp graphene là một môi trường lưới dây liên tục. Rõ ràng, việc tăng độ dẫn tương ứng với sự gia tăng mật độ hiệu dụng của các electron trong các dây liên tục, dẫn đến tần số plasma cao hơn [191]. Không chỉ cộng hưởng điện mà cả cộng hưởng từ cũng bị ảnh hưởng bởi sự tăng độ dẫn của lớp graphene. Có thể lập luận rằng tính plasma mạnh của lớp graphene có thể làm cho các điện tích cảm ứng trên cấu trúc kim cương phía dưới khó tích lũy hơn, dẫn đến sự suy yếu của cộng hưởng từ.
Các tính chất vật lý cơ bản của khả năng hấp thụ trong MPA cặp kim cương tích hợp graphene đã được nghiên cứu, giải thích một cách chi tiết, cụ thể. Mục đích của nghiên cứu này là khai thác khả năng hiện thực hóa một bộ hấp thụ hai chiều có thể chuyển đổi ổn định cho các ứng dụng thực tế. Do thiết kế đề xuất của MPA có thể chuyển đổi tích hợp graphene là đối xứng, nên sự hấp thụ của nó chắc chắn là hai chiều và khơng phân cực với góc tới tự nhiên. Sự phụ thuộc vào góc tới của cấu trúc
cặp kim cương đã được báo cáo trong tài liệu [184], ở đó các kết luận cho rằng do điều kiện chồng chập giữa cộng hưởng điện và cộng hưởng từ, MPA cặp kim cương khá nhạy với góc tới. Tính năng này có thể hữu ích cho các hệ thống cụ thểu cầu kích thích với các góc thơng thường được chọn.
Một yếu tố khác có khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của MPA tích hợp graphene được đề xuất là sự liên kết khơng hồn hảo giữa lớp graphene và cấu trúc cặp kim cương (do sự khơng hồn hảo của các kỹ thuật chế tạo). Để kiểm tra ảnh hưởng của khả năng này, phổ hấp thụ của các MPAs tích hợp graphene bị sắp xếp sai hỏng (loại II, III và IV) ởμc = 0,0 eV được tính tốn và so sánh với phổ hấp thụ của MPA tích hợp graphene tối ưu (loại I) như trong Hình 4.27. Để đơn giản, sự sai lệch trong cấu trúc loại II và cấu trúc loại III được xác định tương ứng bằng cách dịch chuyển cấu trúc cặp kim cương dọc theo hướng H và dọc theo hướng E với cùng độ lệch 3 μm. Sự sai lệch trong cấu trúc loại IV có được bằng cách xoay đồng tâm cấu trúc cặp kim cương theo chiều kim đồng hồ với góc 20°.
Hình 4.27. Phổ hấp thụmô phỏng của MPA được đề xuất (loại I) và của các MPAs sai lệch (loại II, III và IV) tương ứng với các ô cơ sở (nhìn từ trên xuống).
Ngồi độ nhạy với góc phân cực, có thể thấy rằng tần số hấp thụ và cường độ rất ổn định cho các sai lệch được coi là nhỏ. Đối với các trường hợp cấu trúc loại II và III, sự sai lệch dịch mạng rõ ràng không ảnh hưởng đến cộng hưởng điện và cộng hưởng từ của MPA, do tính chất này được xác định bởi các tham số hình học của cấu
Tần số (THz) Đ ộ h ấ p th ụ I II III IV
trúc kim cương và kích thước của ơ đơn vị thay vì vị trí tương đối của cấu trúc cặp kim cương trong ơ đơn vị. Vì lý do đó, điều kiện chồng chập giữa cộng hưởng điện và cộng hưởng từ dẫn đến tính chất hấp thụcũng khơng bịảnh hưởng.
Đối với trường hợp cấu trúc loại IV, sai lệch bởi quay không ảnh hưởng đến tần số hấp thụ mà là cường độ hấp thụ (giảm từ 91% đối với loại I xuống còn 84% đối với loại IV). Một cách giải thích định tính cho quan sát này có thể được đưa ra bằng cách sử dụng phân tích mạch điện LC tương đương. Trong chế độ cộng hưởng từ, độ tự cảm được xác định bởi từ thông đi qua thể tích cặp kim cương được quay giống hệt với thểtích ban đầu. Điện dung tương ứng được xác định bởi phân bố điện tích, gần như khơng thay đổi dưới các góc quay nhỏ (khoảng 20°), do đó cộng hưởng từ khơng bị ảnh hưởng. Trong khi đó, chiều dài hiệu dụng của lưỡng cực điện ở chế độ cộng hưởng điện trởnên ngắn hơn bằng cách quay, dẫn đến sự giảm nhẹ trong tần số cộng hưởng điện. Những kết quả này làm giảm cường độ hấp thụ đối với đỉnh hấp thụ chính và tăng tần số hấp thụ đối với cực đại hấp thụ thứ cấp (tương ứng với tổn hao do cộng hưởng điện, từ 1,7 THz đối với loại I đến 1,95 THz đối với loại IV).