CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.2. Điều khiển tính chất điện từ của MPA một chiều tích hợp graphene
4.2.3. Điều khiển cường độ hấp thụ dải tần rộng của MPA một chiều tích hợp
Để đạt được sự hấp thụ dải tần rộng, cấu trúc MPA được thiết kế như Hình
4.13 gồm ba lớp vật liệu chính: graphene, điện mơi, kim loại. Trong đó, các phiến graphene đơn lớp dạng kim cương được nối với nhau thơng qua một lưới graphene hình chữ thập khác có độ rộng w = 15 µm. Lớp graphene này thay thế lớp kim loại trong cấu trúc MPA truyền thống, có độ dẫn có thểđiều chỉnh thôngqua điện áp đặt vào lưới graphene và lớp bán dẫn Si. Tấm kim loại Au dưới cùng được chọn có độ dẫn 4,561.107 S.m-1 và độ dày là t4 = 0,1 µm, đóng vai trị như một gương phản xạ hồn tồn sóng điện từ trong vùng tần số khảo sát. Các lớp điện môi ở giữa là SiO2 với độ dày tổng cộng được tối ưu là 28 µm, trong đó lớp kẹp giữa lớp Au và Si có độ dày t3 = 27,5 µm, lớp ngay phía dưới lưới graphene có độdày t1 = 0,5 µm. Lớp Si có độ dày t2 = 0,3 µm đóng vai trò như một điện cực của điện thế một chiều Vg.
Hình 4.13. Cấu trúc một ơ cơ sở của MPA lưới graphene hình kim cương nhìn theo
hướng tới của sóng điện từ và cấu trúc theo các lớp.
Cấu trúc ơ cơ sở của MPA (kích thước 80 µm) được thiết kế sao cho bề mặt của nó song song với các thành phần điện trường E và từ trường H. Graphene đơn lớp với độ dày được thiết lập là 0,34 nm, có độ dẫn σg được biểu diễn bằng công thức Kubo như đã trình bày ởtrên. Lớp graphene được thiết kếcó cấu trúc gồm các phiến
graphene dạng kim cương có bề rộng l = 56 µm. Sóng kích thích được chiếu tới theo hướng vng góc với bề mặt mẫu như Hình 4.13, các điều kiện biên được áp dụng
với một ô cơ sở theo hướng của véc tơ cường độ điện trường và hướng của véc tơ cường độ từ trường của sóng kích thích.
Hình 4.14. Phổ hấp thụ của vật liệu MPA khi thế hóa học μc của graphene thay đổi
từ 0,0 eV đến 0,55 eV, màu xanh lục ứng với độ hấp thụ bằng 0, màu đỏ ứng với độ hấp thụ bằng 1.
Kết quả mơ phỏng trên Hình 4.14 cho thấy độ hấp thụ và dải tần hấp thụ chịu ảnh hưởng rất lớn bởi thế hóa học của graphene. Ứng với giá trị μc = 0,0 eV, có thể quan sát thấy hai đỉnh hấp thụnhưng cường độ rất thấp (38% ở tần số thấp và 20% ở tần số cao). Tuy nhiên, khi μc = 0,55 eV, hai đỉnh hấp thụ đạt gần 100%, tần số của
hai đỉnh hấp thụ đều dịch về vùng tần số cao. Quan sát chi tiết sự thay đổi độ hấp thụ và sự dịch vềvùng tần số cao khi mức năng lượng Fermi của graphene tăng từ 0,0 eV đến 0,55 eV. Dễ thấy, khi μc tăng, độ hấp thụ tại tần số thấp được tăng cường chậm
hơn so với đỉnh hấp thụ ở tần số cao. Khi μc = 0,2 eV, cả hai đỉnh cộng hưởng đều đạt được độ hấp thụ xấp xỉ 70%. Đồng thời, khi tăng μc, sự dịch chuyển xuất hiện đối
với đỉnh hấp thụ tại tần số cộng hưởng cao nhưng đỉnh hấp thụ tại tần số thấp gần như không thay đổi. Độ hấp thụ ở tần số cộng hưởng cao được tăng cường đã kéo vùng hấp thụ được mở rộng ra. Đặc biệt khi μc > 0,45 eV, độ hấp thụ và dải tần hấp
thụ gần như không thay đổi. Khi mức năng lượng Fermi bằng 0,55 eV, phổ hấp thụ đạt trên 90% từ1,21 THz đến 1,78 THz. Th ế hó a họ c µ c (e V ) Tần số (THz)
Kết quả thu được về khả năng điều khiển tính chất hấp thụ dải tần rộng thơng qua mức năng lượng Fermi của graphene tương tự như các kết quả nghiên cứu trước đó với các cấu trúc khác của: B. Xiao và các cộng sự [149], F. Chen và các cộng sự [159], H. Zhu và các cộng sự [160]. Đồng thời các kết quả cho thấy khả năng điều cường độ hấp thụ dải tần rộng của MPA tích hợp graphene (với cường độ hấp thụ có thểthay đổi trong khoảng 20-90%) tốt hơn so với khảnăng điều khiển cường độ hấp thụ của MPA bằng nhiệt độ [80]. Sự ảnh hưởng của mức năng lượng Fermi lên dải tần hấp thụ và độ hấp thụ của vật liệu có thể được giải thích do μc tăng làm độ dẫn của graphene tăng theo. Khi độ dẫn của graphene tăng làm cho cộng hưởng điện và cộng hưởng từ đều mạnh hơn, từ đó dẫn đến độ hấp thụ của vật liệu tại các tần số cộng hưởng này được tăng cường.