CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.2. Điều khiển tính chất điện từ của MPA một chiều tích hợp graphene
4.2.2. Điều khiển cường độ hấp thụ của MPA một chiều tích hợp graphene
Trên cơ sở khảo sát tính chất hấp thụ của cấu trúc MPA đĩa Au tích hợp với lưới graphene, một cấu trúc MPA lưới đĩa graphene được đề xuất bằng cách thay thế bộ cộng hưởng đĩa Au bằng đĩa graphene. Kết quả thu được một MPA mà bộ cộng hưởng là một lưới đĩa graphene liên tục như được trình bày trong Hình 4.10. Cấu trúc MPA được đề xuất là cấu trúc có tính tuần hồn với các ơ cơ sở hình vng kích thước a. Cấu trúc vật liệu gồm năm lớp: trên cùng là lớp dây lưới graphene có dạng hình đĩa thay thế cho bộ cộng hưởng kim loại trong cấu trúc MPA thông thường, graphene được chọn với độ dày 0,34 nm tương đương với một lớp nguyên tử carbon. Lưới graphene gồm các đĩa graphene với đường kính d liên kết với nhau bởi các dải graphene có độ rộng w1 theo phương từ trường của sóng tới, độ rộng w2 theo phương điện trường của sóng tới. Ngay phía dưới lớp lưới graphene là lớp điện môi SiO2 với
độ dày t1, tiếp đến là lớp Si với độ dày t2 và lớp điện mơi SiO2 thứ hai có độ dày t3, cuối cùng là lớp kim loại Au với độ dày tm.
Hình 4.10. Vật liệu MPA tích hợp graphene có tính tuần hồn và cấu trúc một ô cơ
sở của nó.
Trong Hình 4.10, lớp lưới màu đen tương ứng với lưới graphene, hai lớp màu xanh lam tương ứng với hai lớp SiO2, xen giữa hai lớp SiO2 là lớp Si màu xám, dưới cùng là lớp màu vàng tương ứng với lớp Au trong cấu trúc vật liệu. Điện thế một chiều sẽ được đặt vào graphene và Si. Các tham số hình học của cấu trúc vật liệu MPA được tối ưu cho hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số xung quanh 6,0 THz gồm: kích thước ơ cơ sở a được chọn là 3,0 µm;các độdày t1, t2, t3 và tm tương ứng là 0,7 µm, 0,15 µm, 2,4 µm và 0,1 µm. Trong nghiên cứu này, đường kính của các đĩa graphene được khảo sát từ 1,8 µm đến 2,6 µm, các độ rộng của các dải graphene
w1 và w2 tương ứng được khảo sát từ 0,1 µm đến 0,6 µm. Tồn bộ cấu trúc được đặt trong môi trường chân khơng và các sóng tới vng góc với mặt phẳng mẫu như Hình 4.10.
Mơ hình mạch điện LC của MPA cấu trúc lưới đĩa graphene tương tựnhư mơ hình mạch điện LC của MPA cấu trúc đĩa Au tích hợp graphene ở trên. Lưới đĩa graphene đóng vai trị như những cuộn cảm, cịn tụ điện được hình thành bởi hai vật dẫn là đĩa graphene và đế kim loại Au được mơ tảởHình 4.11. Điện dung của tụđiện được xác định: 2 1 2 3 4( ) eff d C t t t (4.8)
Trong phương trình (4.8), εeff là độ điện thẩm hiệu dụng (trung bình) của ba
lớp SiO2/Si/SiO2, α là hệ số hình học được dùng để hiệu chỉnh diện tích hiệu dụng do các điện tích cảm ứng khơng phân bố trên toàn bộ đĩa mà phân bố tập trung ở các cạnh của đĩa.
Hình 4.11. Mơ hình mạch điện LC tương đương của một ô cơ sở của cấu trúc MPA
lưới đĩa graphene.
Độ tự cảm L của lưới đĩa graphene gồm hai thành phần Ld, Lf lần lượt là hệ số tự cảm do đĩa graphene và dây lưới graphene tạo ra. Trong đó, Ld lại được tách thành hai thành phần nối tiếp nhau là độ tự cảm L1 và độ tự cảm động lượng L1k, tượng tự
Lf cũng được tách thành độ tự cảm L2 và độ tự cảm động lượng L2k [17] như trong
Hình 4.11. Các giá trị L1 và L2 được xác định phụ thuộc vào tham số hình học và độ
từ thẩm của chất điện môi, cụ thể: 1 2 3 1 2 3 1 2 2 , 4 2 t t t t t t a d L L w (4.9)
Các giá trị độ tự cảm động lượng của đĩa graphene và dây lưới graphene lần lượt được xác định: * * 1 2 2 2 2 , 2 k k g g a d m m L L t Ne w t Ne (4.10)
trong đó: m*, N, e lần lượt là khối lượng hiệu dụng, mật độ hiệu dụng và điện tích của hạt tải. Từđó, hệ số tự cảm L được xác định: 1 1 2 2 1 1 2 2 k k k k L L L L L L L L L và tần số cộng hưởng f xác định được bằng biểu thức: 1 2 f LC .
Công thức (4.4) đã chỉ ra rằng khi thay đổi điện thế một chiều đặt vào graphene thì thế hóa học của graphene thay đổi, dẫn đến độ dẫn của graphene thay đổi tương ứng. Từmơ hình mạch điện LC được trình bày ở Hình 4.11 và các biểu thức C và L
thu được ở (4.8), (4.9), (4.10) có thể thấy: khi độ dẫn của graphene tăng thì nồng độ hạt tải tăng và do đó hệ số tự cảm động lượng của lưới đĩa graphene giảm, dẫn đến tần số cộng hưởng tăng. Kết quảnày hoàn toàn phù hợp với kết quảmơ phỏng được trình bày trong Hình 4.12. Phổ hấp thụ mô phỏng cho thấy khi thế hóa học của graphene tăng từ 0,0 eV đến 0,5 eV thì tần số hấp thụ tăng, đồng thời độ hấp thụ tăng. Có thể thấy thếhóa học của graphene có giá trị 0,0 eV và 0,1 eV thì độ hấp thụ của vật liệu MPA gần như bằng không. Điều này được lý giải do với thế hóa học thấp, nồng độ hạt tải của graphene nhỏ và độ dẫn điện thấp, dẫn đến khơng có khả năng cộng hưởng sóng điện từ. Khi thếhóa học của graphene tăng dần đến 0,5 eV thì độ hấp thụ khi đó tăng dần và tương ứng đạt 99%.
Hình 4.12. Kết quả mơ phỏng sự ảnh hưởng của thế hóa học của graphene lên phổ
hấp thụ của MPA lưới đĩa graphene.
Như vậy, nếu bỏqua các giá trị trung gian, chỉ xét hai giá trị thếhóa học của graphene là 0,0 eV và 0,5 eV thì tại tần số 6,25 THz, sóng điện từ sẽ được hấp thụ gần như hồn tồn (99%) nếu thế hóa học của graphene là 0,5 eV, ngược lại sóng điện từ sẽ được phản xạ hồn tồn nếu thế hóa học của graphene là 0,0 eV. Mặt khác, dựa vào phương trình (4.4), thế hóa học có thể được điều khiển thơng qua điện thế
Đ ộ h ấ p th ụ Tần số (THz)
một chiều. Để thế hóa học của graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,5 eV thì điện thế một chiều tương ứng từ 0 V đến 594 V. Khả năng điều khiển cường độ hấp thụ của MPA mà bộ cộng hưởng là các lưới đĩa graphene tương tự như kết quảnghiên cứu của He và các cộng sự khi thay thế các bộ cộng hưởng kim loại trong MPA bằng các cấu trúc graphene hình vng và hình dấu cộng [148].
4.2.3. Điều khiển cường độ hấp thụ dải tần rộng của MPA một chiều tích hợp graphene