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
4.4.2. Thiết kế và tối ưu cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene
Mục tiêu đề ra là thiết kế được cấu trúc MPA đóng vai trị như một cửa sổ hấp thụ mà có thể chuyển đổi giữa hấp thụ và truyền qua hoạt động trong vùng tần số THz. Cửa sổ hấp thụ đạt được thể hiện tính chất hai chiều, cho phép hấp thụ sóng điện từ từ cả hai phía của mặt phẳng mẫu. Giải pháp được đưa ra là sử dụng vật liệu MPA cấu trúc CWP hình kim cươngtích hợp graphene. Từ những kết quảđạt được khi nghiên cứu tính chất của MMs cấu trúc CW hình kim cương tích hợp graphene và của MPA cấu trúc CWP hình kim cương, cấu trúc MPA được đề xuất bao gồm một mảng tuần hồn các cấu trúc ơ cơ sở, như trong Hình 4.22.
Tần số (THz) Đ ộ hâ p th ụ
Hình 4.22. MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene. Mỗi ơ cơ sở của
cấu trúc bao gồm các thành phần Au/SiO2/Au hình kim cương được sắp xếp tuần hoàn trên một đế gồm graphene/SiO2/Si.
Cấu trúc bao gồm hai lớp chức năng: lớp chức năng phía trênlà MPA hai chiều được hình thành bởi hai cấu trúc Au hình kim cương đối xứng (đóng vai trị là bộ cộng hưởng) cách nhau bởi một miếng đệm điện mơi SiO2; lớp chức năng phía dưới gồm lưới graphene hình chữ thập được gắn trên một đế Silicon (thương mại hóa) mà đã được phủ một lớp cách điện mỏng SiO2 (có điện trở suất cao). Mỗi lớp được tách riêng và minh họa bằng sơ đồ ở phần bên phải của Hình 4.22. Các thơng số hình học của cấu trúc MPA thu được sau khi tối ưu hóa hiệu suất hấp thụởcác tần sốđã chọn. Chiều dài cạnh kim cương l của bộ cộng hưởng được chọn là 54,5 µm, kích thước ơ cơ sở a được xác định là 85 µm. Mặt phẳng mẫu được đặt vng góc với hướng của véc tơ sóng điện từ chiếu tới k; lưới graphene định hướng theo phương của véc tơ cường độ điện trường E và phương của véc tơ cường độ từ trường H. Độ dày của các cấu trúc Au (giống nhau) và miếng đệm điện mơi SiO2 tương ứng là 0,1 µm và 1,8 μm. Lớp cách điện SiO2 được giả định có độ dày 500 nm. Hằng số điện mơi của SiO2 được cho là 3,9 với độ tổn hao 0,002 [181]. Chất nền Silicon được chọn dày 5 μm.
Độ dày graphene là 0,34 nm, tương ứng với một lớp ngun tử. Tồn bộ cấu trúc sau đó được nhúng trong một môi trường tham chiếu, được chọn là chân khơng.
Trong thiết kế này, thế hóa học được thay đổi một cách phù hợp trong phạm vi từ 0,0 eV đến 0,5 eV để kiểm soát độ dẫn của graphene. Phạm vi này tương ứng với điện áp phân cực áp dụng tối đa 450 V, nhỏ hơn điện áp giới hạn của điện môi SiO2. Các tham sốtán xạtương ứng được tính tốn mơ phỏng bằng kỹ thuật tích phân hữu hạn CST. Độ hấp thụ A được xác định:
2 2
21 11
1 1
A T R S S
Tính chất điện từ của cấu trúc CWP hình kim cương đã được khảo sát và trình bày ở phần trên. Khi kích thước ơ cơ sở trong khoảng từ 80 μm đến 100 μm thì đã có sự chồng lấn vùng cộng hưởng điện và vùng cộng hưởng từ nên ứng với các giá trị này của ô cơ sở đều thu được sự hấp thụ với hiệu suất cao. Do đó, trong trường hợp này, kích thước ơ cơ sở được chọn là 85 μm.
Hình 4.23. Phổ hấp thụ của các MPAs cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene khi thay đổi kích thước l của hình kim cương (l có đơn vị μm), với kích thước ơ cơ sở a = 85 μm, độ dày lớp điện môi SiO2 ts = 1,8 μm và thế hóa học của
graphene có giá trị 0,0 eV.
Hình 4.23 trình bày phổ hấp thụ của cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp
với graphene khi kích thước hình kim cương l thay đổi. Có thể thấy khi l tăng, đỉnh hấp thụ dịch về phía tần số thấp, trong khi cường độ hấp thụ gần như không đổi. Kết quả này được giải thích do MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene với thếhóa học bằng 0,0 eV tương tựnhư MPA cấu trúc CWP hình kim cương. Khi
l tăng, dẫn đến kích thước của các cấu trúc Au hình kim cương tăng trong khi kích
Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ h ấ p th ụ Đ ộ h ấ p th ụ (a) (b)
thước ơ cơ sở khơng đổi, do đó làm mật độ hạt tải hiệu dụng tăng và dẫn đến tần số cộng hưởng điện giảm. Đồng thời, khi l tăng dẫn đến diện tích của các cấu trúc Au và của miếng SiO2 kẹp giữa hình kim cương đều tăng, làm cho điện dung của tụđiện tạo bởi tương tác của hai cấu trúc Au hình kim cương tăng, do đó tần số cộng hưởng từ giảm. Như vậy, khi l tăng thì đồng thời tần số cộng hưởng điện và cộng hưởng từ đều giảm nên vùng cộng hưởng điện và vùng cộng hưởng từ vẫn trùng lên nhau, dẫn đến phổ hấp thụ của cấu trúc vẫn chỉ xuất hiện một đỉnh hấp thụ với hiệu suất cao. Mặc dù khi l thay đổi, hiệu suất hấp thụ của MPA cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene gần như không đổi. Tuy nhiên, quan sát chi tiết các đỉnh hấp thụ của cấu trúc khi l thay đổi, có thể thấy với l = 54,5 μm hiệu suất hấp thụ đạt được là cao nhất, khoảng 92 %.
Hình 4.24. Kết quả mơ phỏng và tính tốn: độ truyền qua T, độ phản xạ R, độ hấp
thụ A, phần thực của độ điện thẩm εr và phần thực của độ từ thẩm μr của MPA cấu
trúc cặp kim cương trong hai trường hợp (a) khơng tích hợp graphene và (b) có tích hợp graphene. Tần số (THz) Tần số (THz) T R A εr μr
Để tìm hiểu ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện từ của cấu trúc CWP hình kim cương, đầu tiên tính chất hấp thụ của MPA cặp kim cương khi khơng có graphene và khi tích hợp lớp graphene với thếhóa học bằng 0,0 eV được nghiên cứu, so sánh chi tiết thông qua các tham số gồm: độ truyền qua, độ phản xạ, độ hấp thụ, phần thực của độ điện thẩm và phần thực của độ từ thẩm. Các kết quả được trình bày trong Hình 4.24. Từ kết quảmơ phỏng, tính tốncó thể thấy MPA cặp kim cương thể hiện khả năng hấp thụ với cường độ cao (khoảng 93%) ở tần số 1,36 THz mà không làm giảm độ truyền qua ở ngồi tần số đó. Độ điện thẩm εr và độ từ thẩm μr được tính tốn cho thấy cấu trúc cặp kim cương hoạt động tương tự như vật liệu biến hóa cấu trúc CWP thơng thường, tạo ra cộng hưởng từ và cộng hưởng điện ở tần số tương ứng 1,37 THz và 1,55 THz. Trong trường hợp cộng hưởng điện, hai bộ cộng hưởng CWP ởhai ô cơ sở kế tiếp hoạt động giống như hai lưỡng cực điện, độđiện thẩm hiệu dụng của nó có thể tương đương với độ điện thẩm của môi trường dây dẫn khơng liên tục [184]. Trong khi đó, cộng hưởng từ được hình thành bởi sự ghép đối xứng giữa hai cấu trúc kim loại hình kim cương trong một CWP [33].
Vì MPA cấu trúc cặp kim cương đã được tối ưu hóa, hai tần số cộng hưởng của chúng gần nhau đểcác tổn hao gây ra có thể chồng chập lên nhau, do đó mà độ hấp thụ cao quan sát được. Tính chất độc đáo này gần như khơng thay đổi khi thêm lớp graphene hình chữ thập như trong Hình 4.24b. Có thể thấy rằng vẫn cịn một cửa sổ hấp thụ cao (khoảng 91%) được ghi lại ở tần số 1,38 THz với sự truyền qua đáng kể ở vùng tần số xung quanh. Cộng hưởng từ và cộng hưởng điện được tạo ra bởi cấu trúc CWP hình kim cương dịch chuyển nhẹ sang vùng tần số cao, được xác định lần lượt ở 1,39 THz và 1,59 THz. Tính chất từ của cấu trúc tích hợp graphene gần giống với tính chất từ của cấu trúc ban đầu do lớp graphene được tích hợp khơng có từ tính. Tuy nhiên, ngồi cộng hưởng điện của cấu trúc cặp kim cương nguyên bản, sự đóng góp của lớp graphene tích hợp vào tính chất điện là rõ ràng. Độ điện thẩm của cấu trúc tích hợp graphene có thể được coi là tổng của tương tác điện gây ra bởi cấu trúc cặp kim cương nguyên bản và tương tác điện gây ra bởi lớp graphene. Lớp graphene được tính gần đúng như một lưới các dây liên tục, dẫn đến độ điện thẩm âm ở vùng tần số thấp hơn tần số plasma của nó. Từ tính tốn εr trong Hình 4.24b, tần số plasma điển hình của lớp graphene được ước tính khoảng 0,8 THz. Điều này có thể giải thích lý do tại sao nền hấp thụ tăng ở tần số thấp hơn 0,8 THz khi có tích hợp lớp graphene.