CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.3. MMs đẳng hướng tích hợp graphene cấu trúc CW hình kim cương
Từ các kết quả về tính chất điện từ của cấu trúc CW dạng thanh tích hợp với một màng graphene, cấu trúc dạng thanh được biến đổi thành cấu trúc hình vng, hình kim cương để tiếp tục làm rõ sự ảnh hưởng của graphene lên các cấu trúc CW khác nhau. Vật liệu MMs cấu trúc CW dạng kim cương có một số tính chất đặc biệt thú vị [31], do đó trong chương này của luận án, vật liệu MMs có cấu trúc CW và cấu trúc CWP hình kim cương tích hợp graphene được khảo sát chi tiết.
Hình 4.15. Cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene theo hai dạng: cấu trúc CW1 và cấu trúc CW2.
Cấu trúc một ơ cơ sở có dạng hình vng như được trình bày trong Hình 4.15. Lớp SiO2 được phủ lên đế Silicon với mục đích khi tích hợp với graphene có thể thực nghiệm q trình điều khiển tính chất điện từ của vật liệu MMs thông qua điện thế
CW1 CW2
(a) (b)
một chiều. Độ dày các lớp của cấu trúc vật liệu được chọn bao gồm: lớp Silicon với độ dày td = 5 μm, lớp SiO2 có độ dày ts = 0,5 μm, cấu trúc Au dạng kim cương có độ dày tm = 0,1 μm. Kích thước của ơ cơ sở a và của cấu trúc Au l được tối ưu sao cho vật liệu MMs có khả năng cộng hưởng với sóng điện từ trong khoảng xung quanh tần số plasma của màng graphene như đã trình bày ở trên, mà cụ thể từ 0,5 THz đến 2,0 THz. Cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp một dải graphene (graphene 1) được trình bày trong Hình 4.15a,c (cấu trúc CW1). Cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp lưới graphene (graphene 2) được trình bày trong Hình 4.15b,d (cấu trúc CW2). Graphene đơn lớp với độ dày 0,34 nm, độ rộng w = 15 μm.
Hình 4.16. Phổ truyền qua của các cấu trúc MMs: cấu trúc CW dạng kim cương, cấu trúc dải graphene, cấu trúc lưới graphene, cấu trúc MMs tích hợp graphene
CW1 và cấu trúc MMs tích hợp graphene CW2.
Kết quả mô phỏng độ truyền qua của các cấu trúc MMs được trình bày trong
Hình 4.16. Có thể thấy cơ bản phổ truyền qua của cấu trúc dải graphene (graphene1)
và của cấu trúc lưới graphene (graphene2) theo phân cực E song song với dải graphene là giống nhau. Do đó, phổ truyền qua của cấu trúc CW1 và của cấu trúc CW2 giống nhau. Tuy nhiên, so với cấu trúc CW hình kim cương, tần số cộng hưởng của cấu trúc khi tích hợp graphene có sự tăng nhẹ. Nguyên nhân là do khi tích hợp graphene (với thế hóa học 0,0 eV), dù độ dẫn của graphene lúc này là yếu nhưng vẫn có tác dụng dẫn truyền sóng kích thích bề mặt giữa các bộ cộng hưởng kim loại. Khi tích hợp các dải graphene thì mật độ hạt tải tăng, dẫn đến tần số plasma tăng lên. Ngoài sự dịch chuyển tần số cộng hưởng về vùng tần số cao, cường độ cộng hưởng của cấu trúc tích hợp graphene giảm so với cấu trúc CW dạng kim cương. Tuy nhiên,
Tần số (THz) Đ ộ tru y ề n qua
từ dáng điệu của phổ truyền qua có thể thấy cộng hưởng chủ yếu vẫn do các cấu trúc Au hình kim cương gây ra.
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của graphene đến tính chất của vật liệu MMs cấu trúc hình kim cương, các tham số: độ truyền qua, độ hấp thụ và độ điện thẩm hiệu dụng của cấu trúc được mơ phỏng, tính tốn khi thế hóa học của graphene thay đổi từ 0,0 eV đến 0,4 eV. Thế hóa học của graphene được thay đổi khi điện thế một chiều
Vg đặt vào hai điện cực gồm lớp graphene và lớp Silicon. Thế hóa học của graphene
phụ thuộc vào điện thế Vg theo phương trình (4.4). Với độ dày lớp SiO2 như thiết kế là 500 nm thì điện áp đặt vào lớp graphene và đế Si khoảng Vg = 260 V sẽ cho tương ứng với thế hóa học của graphene thu được μc = 0,4 eV.
Hình 4.17. Phổ truyền qua của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene
khi thếhóa học của graphene thay đổi.
Hình 4.17 trình bày kết quả mơ phỏng, tính tốn độ truyền qua của vật liệu MMs cấu trúc hình kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi. Hình 4.17a là độ truyền qua của cấu trúc CW1 và Hình 4.17b là độ truyền qua của cấu trúc CW2. Các hình ảnh bề mặt một ơ cơ sở của các cấu trúc theo hướng tới của sóng điện từ được hiển thị ở góc trên bên phải của Hình 4.17a,b. Đối với cả hai cấu trúc, độ truyền qua trong khoảng từ 0,7 THz đến 1,4 THz đều tăng dần khi thế hóa học của graphene tăng dần. Khi thế hóa học của graphene bằng 0,0 eV thì cả hai cấu trúc đều cộng hưởng với sóng điện từ tại tần số 1,4 THz, khi thế hóa học tăng đến 0,1 eV thì tần số cộng hưởng tăng lên đến 1,45 THz và 1,47 THz tương ứng với cấu trúc CW1 và cấu trúc CW2, trong khi đó cường độ cộng hưởng đều giảm. Khi thế hóa học của graphene đạt 0,2 eV, trong vùng tần số khảo sát, cộng hưởng với sóng điện từ khơng cịn nữa. Khi thế hóa học của graphene tăng từ 0,2 eV đến 0,4 eV thì
Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ tru y ề n q ua (a) (b)
sự thay đổi về phổ truyền qua gần như bão hòa, đỉnh hấp thụ đã biến mất. Vì vậy, mặc dù thế hóa học của graphene có thể thay đổi trong phạm vi rộng hơn nhưng trong nội dung nghiên cứu này, thế hóa học của graphene chỉ được thay đổi từ 0,0 eV đến 0,4 eV.
Kết quả trên được giải thích do MMs có cấu trúc CW hình kim cương (với bộ cộng hưởng là các cấu trúc Au hình kim cương) đã được xác định có cộng hưởng với sóng điện từ là cộng hưởng điện mà được gây ra bởi lưỡng cực điện là các cấu trúc Au ở hai ơ cơ sở kế tiếp. Khi được tích hợp với graphene, dải graphene đóng vai trị dây dẫn nối liền các cấu trúc Au ở cácơ cơ sở lại. Do đó, khi thế hóa học của graphene tăng thì độ dẫn của graphene tăng, dẫn đến cường độ cộng hưởng gây bởi lưỡng cực điện giảm. Khi độ dẫn của graphene đủ lớn (tương ứng với thế hóa học của graphene đạt 0,2 eV), cấu trúc MMs khi đó như một lưới kim loại liên tục.
Hình 4.18. Phổ hấp thụ của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp graphene khi thế hóa học của graphene thay đổi.
Hình 4.18 trình bày kết quả mơ phỏng, tính tốn độ hấp thụ của cấu trúc CW
tích hợp graphene khi thế hóa học thay đổi. Độ hấp thụ của cấu trúc được xác định theo biểu thức:
2 2
21 11
1 1
A T R S S
Kết quả cho thấy độ hấp thụ của cấu trúc CW tích hợp graphene phụ thuộc vào thế hóa học của graphene. Khi thế hóa học của graphene bằng 0,0 eV, cả hai cấu trúc (CW1 và CW2) đều hấp thụ mạnh tại tần số cộng hưởng 1,4 THz với độ hấp thụ đạt 43%. Khi thế hóa học của graphene tăng lên đến 0,1 eV thì cấu trúc CW1 có đỉnh hấp thụ tại tần số 1,45 THz và độ hấp thụ giảm 2% xuống còn 41%. Trong khi đó, cấu
Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ h ấ p th ụ (a) (b)
trúc CW2 có đỉnh hấp thụ tại tần số 1,47 THz và độ hấp thụ giảm 4%, xuống còn 39%. Như vậy, so với cấu trúc CW1, đỉnh hấp thụ của cấu trúc CW2 dịch về vùng tần số cao nhanh hơn, đồng thời cường độ hấp thụ giảm nhanh hơn. Nguyên nhân của hiện tượng này là do ảnh hưởng của dải graphene định hướng theo phương từ trường của sóng tới. Do sự xuất hiện của dải graphene này, dẫn đến mật độ hạt tải hiệu dụng của cấu trúc tăng, làm cho tần số cộng hưởng dịch chuyển lên vùng tần số cao. Tuy nhiên, khi thế hóa học của graphene tăng đến 0,2 eV thì độ hấp thụ của cả hai cấu trúc đều giảm mạnh xuống cịn khoảng 25%. Sau đó, dù thế hóa học của graphene tiếp tục tăng đến 0,4 eV thì phổ hấp thụ gần như khơng thay đổi.
Hình 4.19. Độ điện thẩm hiệu dụng của hai cấu trúc CW dạng kim cương tích hợp
graphene khi thếhóa học của graphene thay đổi.
Để hiểu rõ hơn nữa về ảnh hưởng của thế hóa học của graphene lên tính chất của cấu trúc CW dạng kim cương, độ điện thẩm hiệu dụng của cấu trúc vật liệu được tính tốnvà trình bày trong Hình 4.19. Với thế hóa học của graphene bằng 0,0 eV, graphene ảnh hưởng khơng nhiều đến cấu trúc, khi đó độ điện thẩm của cả cấu trúc CW1 và cấu trúc CW2 đều gần như là độ điện thẩm của cấu trúc CW dạng kim cương đạt giá trị âm tại tần số 1,4 THz. Khi thế hóa học của graphene tăng lên 0,1 eV, graphene đã ảnh hưởng rõ rệt lên toàn bộ cấu trúc: độ điện thẩm hiệu dụng của cấu trúc CW1 khi đó là tổng hợp độ điện thẩm của cấu trúc CW dạng kim cương và độ điện thẩm của dải graphene (graphene 1); độ điện thẩm hiệu dụng của cấu trúc CW2 khi đó là tổng hợp độ điện thẩm của cấu trúc CW dạng kim cương và độ điện thẩm của lưới graphene (graphene 2). Trên Hình 4.19, quan sát đường màu đỏ có thể thấy: độ điện thẩm của cấu trúc vẫn có phần cộng hưởng gây ra bởi cấu trúc CW dạng kim
Tần số (THz) Tần số (THz) (a) (b) Đ ộ đi ệ n th ẩ m hi ệ u d ụ ng
cương nhưng tần số cộng hưởng dịch về vùng tần số cao tương ứng với đỉnh hấp thụ quan sát được ở Hình 4.18, tuy nhiên cường độ cộng hưởng giảm. Đồng thời, xuất hiện vùng cóđộ điện thẩm âm tương ứng vớitần số nhỏ hơn 0,78 THz (cấu trúc CW1) và nhỏ hơn 0,76 THz (cấu trúc CW2), đây là vùng có độ điện thẩm âm tương ứng do dải graphene và lưới graphene gây ra. Khi thế hóa học của graphene tăng đến 0,2 eV thì cộng hưởng điện của các cấu trúc CWbị triệt tiêu, độ điện thẩm của cấu trúc trong vùng tần số quan sát chủ yếu được quyết định bởi độ điện thẩm của graphene. Do đó tiếp tục tăng thế hóa học của graphene thì độ điện thẩm của cấu trúc chỉ thay đổi ở phần độ điện thẩm âm do graphene gây ra.
4.4. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế chồng chập cộng hưởng
4.4.1. MPA cấu trúc CWP hình kim cương
Từ cấu trúc CW hình kim cương, cấu trúc CWP hình kim cương được phát triển bằng cách tiếp tục phủ lên bề mặt của cấu trúc CW (đã được in sẵn các hình kim cương) một lớp SiO2 và một lớp Au. Như vậy, cấu trúc CWP hình kim cương với bộ cộng hưởng gồm ba lớp Au/SiO2/Au hình kim cương được in trên đế Silicon (đã được phủ một lớp SiO2) như được trình bày trong Hình 4.20a,b.
Hình 4.20a mơ tả ô ở sở của MPA khi nhìn xuống bề mặt cấu trúc dọc theo hướng tới của sóng điện từ, trong đó a là kích thước ơ cơ sở và l là kích thước hình kim cương. Độdày Si và SiO2 của lớp đếđược thiết kếtương ứng là td = 3 μm và tds
= 0,5 μm; bộ cộng hưởng hình kim cương với lớp Au có độ dày tm = 0,1 μm và lớp điện môi SiO2 kẹp giữa có độ dày ts. Trong vùng tần số GHz, cấu trúc CWP đã được chứng minh có khả năng gây ra cộng hưởng điện và cộng hưởng từ khi tương tác với sóng điện từ, đặc biệt cấu trúc CWP hình kim cương có khả năng tạo ra sự chồng chập cộng hưởng điện và cộng hưởng từ tại cùng một tần số, do đó có thể hấp thụ hồn hảo sóng điện từ tại tần số cộng hưởng. Kết quả mơ phỏng, tính tốn độ truyền qua và độ hấp thụ của MPA cấu trúc CWP hình kim cương được trình bày trong Hình
4.20c,d. Trong đó, các tham số hình học được thiết kế gồm: độ dày của miếng đệm
SiO2 hình kim cương ts = 1,6 μm, kích thước của hình kim cương l = 55 μm, kích thước ơ cơ sở a có giá trị thay đổi từ 80 μm đến 130 μm. Có thể thấy với kích thước ơ cơ sở lớn, xuất hiện hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với hai đỉnh hấp thụ.
Hình 4.20. Ơ cơ sở của vật liệu MPA cấu trúc CWP hình kim cương: (a) theo hướng
của sóng tới và (b) phân thành các lớp cấu trúc; kết quảmơ phỏng tính tốnkhi kích thước ơ cơ sở a thay đổi (a có đơn vị μm): (c) phổ truyền qua và (d) phổ hấp thụ.
Phổ hấp thụ trong Hình 4.20d cho thấy ứng với hai giá trị của a là 130 μm và 120 μm thì có hai đỉnh hấp thụ, trong đó đỉnh hấp thụ có tần 1,36 THz khơng thay đổi tần số (tương ứng với cộng hưởng từ). Mặt khác, khi a giảm từ 130 μm về 120 μm thì đỉnh hấp thụtương ứng với cộng hưởng điện có tần sốtăng từ 1,12 THz đến 1,21 THz. Khi a giảm đến giá trị 110 μm, phổ hấp thụ chỉ còn một đỉnh cộng hưởng với tần số 1,35 THz. Khi giá trị của a giảm từ 100 μm đến 80 μm, phổ hấp thụ duy trì một đỉnh hấp thụcường độ khoảng 90% ở tần số 1,34 THz. Với a bằng 80 μm, cường độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng đạt được 92%. Có thể thấy MPA cấu trúc CWP hình kim cương sau khi tối ưu kích thước ơ cơ sở thì độ hấp thụ đạt được 92%, nhỏ hơn so với độ hấp thụ của MPA cấu trúc CWP hình đĩa trịn (98%). Tuy nhiên, từ phổ truyền qua ở Hình 4.20c có thể thấy bên ngồi dải tần hấp thụ, MPA cấu trúc CWP hình kim cương cho phép sóng điện từ truyền qua với độ truyền qua cao hơn độ truyền qua của MPA cấu trúc CWP hình đĩa (Hình 3.10). Mặt khác, CW hình kim cương do có đầu
Tần số (THz) Đ ộ h ấ p t h ụ Đ ộ tru y ề n qua (a) (b) (c) (d)
nhọn theo hướng phân cực điện trường được dự đốn tập trung điện tích nhiều hơn, dẫn đến khả năng điều khiển cộng hưởng điện tốt hơn.
Phổ hấp thụ của MPA cấu trúcCWP hình kim cương khi nối các cấu trúc kim cương ở các ô cơ sở liền kề dọc theo phương phân cực điện trường (CWP_E) được trình bày trong Hình 4.21. Tại tần số cộng hưởng của MPA cấu trúc CWP ban đầu, trong phổ hấp thụ của MPA cấu trúc CWP bị nối tắt vẫn duy trì một đỉnh hấp thụ nhưng biên độ giảm mạnh còn 30% (độ hấp thụ của CWP ban đầu là 92%). Sự tồn tại đỉnh hấp thụ của MPA cấu trúc CWP_E là do cộng hưởng từ gây ra, tương tự như đỉnh hấp thụ của MPA cấu trúc DP đã trình bày ở trên. Có thể thấy khảnăng điều khiển cường độ hấp thụ thông qua điều khiển cộng hưởng điện của MPA cấu trúc CWP hình kim cương có lợi thế hơn so với khả năng điều khiển cường độ hấp thụ thông qua điều khiển cộng hưởng điện của MPA cấu trúc DP.
Hình 4.21. Phổ hấp thụmô phỏng của các MPAs cấu trúc CWP và CWP_E.
4.4.2. Thiết kếvà 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 ô 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