CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU MPAs HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG HAI CHIỀU
3.5. MPAs hấp thụ hai chiều theo cơ chế lai hóa cộng hưởng từ
3.5.1. Thiết kế HMA cấu trúc cặp DP
Hình 3.22. Cấu trúc của HMA lai hóa cộng hưởng từ.
HMA cấu trúc cặp DP được thiết kế như Hình 3.22, trong đó DP bao gồm hai đĩa kim loại Au và một đĩa đệm điện môi SiO2 kẹp ở giữa, cặp DP được thiết kế chung nhau một đĩa kim loại Au ở giữa, toàn bộ cặp DP được in trên đếSi. Các đĩa Au và đĩa đệm điện mơi có cùng đường kính 100 μm, ơ cơ sở hình vng với kích thước 150 μm. HMA được thiết kếcó thể hấp thụsóng điện từvùng THz (cụ thểtrong vùng tần số 0,8-1,2 THz, là vùng tần số liên quan đến tính chất của graphene sẽ được đề cập ở chương sau); chất điện môi SiO2 được thiết kế với độ điện thẩm 3,9 và độ tổn hao 0,002; chất nền Si được thiết kế với độ điện thẩm 11,9 và độ tổn hao 0,005; kim
x
loại Au với độ dẫn 4,561.107 [S/m]. Độ dày của đế Si được thiết kế mô phỏng là 10 μm, độ dày của các đĩa Au là như nhau và bằng 0,1 μm, độ dày của hai đĩa đệm điện mơi như nhau và có thể thay đổi để tối ưu hiệu suất hấp thụ của HMA. Toàn bộ cấu trúc được mơ phỏng trong mơi trường chân khơng, sóng điện từ hướng đến theo trục Oz. Độ hấp thụ của HMA được xác định từ các tham số tán xạ mô phỏng theo phương trình: 2 2 21 11 1 1 A T R S S 3.5.2. Đặc tính hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP
Hình 3.23. Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA cấu trúc cặp DP, CWP cấu trúc DP và
HMA mà DP bị nối tắt.
Phổ hấp thụ mô phỏng của HMA cấu trúc cặp DP được trình bày trong Hình 3.23 (đường màu đen) cho thấy có hai đỉnh hấp thụ chính tại tần số 0,855 THz và 0,906 THz với cường độ lần lượt là 63% và 53%. Hình 3.23 cũng trình bày phổ hấp thụ của các MPA với cấu trúc DP và các HMA cấu trúc cặp DP bị nối tắt. Trong đó, đường màu xanh lam là phổ hấp thụ của HMA mà DP ở dưới bị nối tắt (HMA1); đường màu đỏ là phổ hấp thụ của HMA mà DP ở trên bị nối tắt (HMA2); đường màu tím là phổ hấp thụ của HMA mà cả hai DP đều bị nối tắt (HMA3). Quan sát phổ hấp thụ màu đen của HMA có thể thấy: ngồi hai đỉnh hấp thụ chính, cịn một đỉnh hấp
Đ ộ h ấ p th ụ Tần số (THz)
thụ tại tần số 1,09 THz với cường độ hấp thụ 28%. Trong các phổ hấp thụ của HMA1, HMA2 và HMA3 đều xuất hiện đỉnh hấp thụ với tần số gần với tần số 1,09 THz của đỉnh hấp thụ của HMA. Đặc biệt, trong phổ hấp thụ của HMA3, cường độ hấp thụ tại tần số 1,09 THz đạt 49%. Từ các kết quả trên có thể thấy rằng đỉnh hấp thụ của HMA tại tần số 1,09 THz là kết quả của cộng hưởng điện.
Với cấu trúc GHMA3, trong vùng tần số khảo sát, ngoài đỉnh hấp thụ tại tần số 1,09 THz, còn quan sát thấy hai đỉnh hấp thụ ở các tần số thấp hơn lần lượt là 0,7 THz và 0,88 THz với cường độ hấp thụ tương ứng là 6% và 20%. Do cấu trúc HMA3 đã được nối tắt cặp đĩa của bộ cộng hưởng (triệt tiêu các cộng hưởng từ) nên các đỉnh hấp thụ tại các tần số 0,7 THz và 0,88 THz của HMA3 là do các cộng hưởng điện gây ra. Ở vị trí tần số 0,7 THz, các phổ hấp thụ của HMA, HMA1 và HMA2 tương ứng đều xuất hiện gợn. Có thể khẳng định sự xuất hiện các gợn trong các phổ hấp thụ của HMA, HMA1, HMA2 tại tần số 0,7 THz là do cộng hưởng điện gây ra. Ở gần vị trí tần số 0,88 THz, các phổ hấp thụ của HMA1 và HMA2 đều xuất hiện các gợn, cụ thể: phổ hấp thụ của HMA1 xuất hiện gợn tại tần số 0,87 THz, phổ hấp thụ của HMA2 xuất hiện gợn tại tần số 0,89 THz. Có thể khẳng định các gợn của các phổ hấp thụ của HMA1 và của HMA2 tương ứng tại các tần số 0,87 THz, 0,89 THz là do cộng hưởng điện gây ra. Đồng thời cũng khẳng định được: đỉnh hấp thụ chính của HMA1 tại tần số 0,905 THz (với độ hấp thụ 47%), đỉnh hấp thụ chính của HMA2 tại tần số 0,857 THz (với độ hấp thụ54%) đều do cộng hưởng từ gây ra. Trở lại với phổ hấp thụ của HMA, có thể thấy hai đỉnh hấp thụ chính tại tần số 0,885 THz và tại tần số 0,906 THz tương ứng với hai cộng hưởng từ do DP phía dưới và do DP phía trên gây ra. Như vậy, khi hai DP được ghép cặp để tạo thành cấu trúc HMA, thì sự kết cặp giữa hai DP làm suy giảm cộng hưởng từ ban đầu thành hai cộng hưởng từ lai. Sự suy giảm từ một cộng hưởng từ ban đầu thành hai cộng hưởng từ lai đã được nghiên cứu trong tài liệu [32, 166].
Điều đáng chú ý khi so sánh phổ hấp thụ của HMA với phổ hấp thụ của HMA1 và phổ hấp thụ của HMA2 là tại các tần số cộng hưởng từ, đỉnh hấp thụ của HMA cao hơn so với đỉnh hấp thụ của HMA1 và đỉnh hấp thụ của HMA2. Cụ thể: với đỉnh hấp thụ ở tần số thấp, đỉnh hấp thụ của HMA tại 0,855 THz đạt 63%, trong khi đó đỉnh hấp thụ của HMA2 tại 0,857 THz chỉ đạt 54%; với đỉnh hấp thụ tại tần số cao, đỉnh hấp thụ của HMA tại 0,906 THz đạt 53%, trong khi đó đỉnh hấp thụ của HMA1
tại 0,905 THz chỉ đạt 47%. Rõ ràng khi ghép cặp hai DP với nhau, cộng hưởng từ của mỗi DP ban đầu đã tách thành hai cộng hưởng từ đối với cặp DP (HMA), đồng thời độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng khi lai hóa được tăng cường so với độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng của mỗi DP ban đầu. Để làm rõ hơn nữa tính chất cộng hưởng từ tại hai tần số này, các mô phỏng phân bố dòng điện bề mặt, phân bố điện trường và phân bố từtrường được khảo sát.
Hình 3.24. Phân bốdòng điện bề mặt trên các đĩa Au của HMA: (a) tại tần số 0,855 THz và (b) tại tần số 0,906 THz.
Hình 3.25. Mơ hình phân bố điện tích và dịng điện trên các đĩa Au của HMA.
Hình 3.24 trình bày kết quả mơ phỏng phân bố dịng điện trên các đĩa Au của HMA nhìn theo hướng từtrường của sóng tới tại các tần số 0,855 THz và 0,906 THz. Có thể thấy ở cả hai tần số cộng hưởng, dòng điện phân bố trên các đĩa Au của DP đều là dịng đối song. Điều đó chứng tỏ đỉnh hấp thụ tại hai tần số 0,855 THz và 0,906 THz là do cộng hưởng từ. Do dòng đện trên các đĩa Au của DP là đối song nên có thể mơ hình hóa phân bố điện tích và dịng điện trên các đĩa Au của HMA như trong Hình
(a)
3.25. Mơ hình phân bố điện tích và dịng điện này phù hợp với kết quả mô phỏng phân bố điện trường và phân bố từ trường được trình bày trong Hình 3.26 và Hình 3.27.
Hình 3.26. Phân bố điện trường trên mặt cắt yOz chứa đường kính của các đĩa kim
loại: (a) ở tần số 0,855 THz và (b) ở tần số 0,906 THz.
Hình 3.27. Phân bố từtrường trên mặt cắt yOz chứa đường kính của các đĩa kim loại: (a) ở tần số 0,855 THz và (b) ở tần số 0,906 THz.
Từ Hình 3.26 có thể thấy điện trường được phân bố tập trung ở vùng không gian giữa hai đầu của cặp đĩa dọc theo hướng tác dụng điện trường của sóng tới. Tuy nhiên, ở cùng một pha phân tích với cùng tỉ lệ phân bố điện trường, tại tần số thấp 0,855 THz, điện trường phân bố tập trung ở không gian giữa hai DS của DP dưới, trong khi đó tại tần số cao 0,906 THz, điện trường phân bố tập trung ở không gian giữa hai DS của cả DP trên và DP dưới. Hình 3.27 chỉ ra từ trường phân bố tập trung ởvùng không gian giữa hai đĩa Au của DP. Với cùng tỉ lệphân bố từtrường, phân bố từ trường trong vùng không gian giữa các DS của DP tại tần số 0,855 THz mạnh hơn
(a) (b)
(b) (a)
so với sự phân bố tại tần số 0,906 THz. Tại tần số 0,855 THz, từ trường phân bố mạnh hơn trong vùng không gian giữa hai DS của cặp DP dưới, ngược lại tại tần số 0,906 THz, từtrường phân bố mạnh hơn trong vùng không gian giữa hai DS của DP trên.
Hình 3.28 trình bày chi tiết phân bố điện trường tại hai tần số cộng hưởng
tương ứng giữa hai DS của DP dưới và giữa hai DS của DP trên. Cụ thể, Hình 3.28a mơ tả phân bốđiện trường giữa hai đĩa Au của DP dưới tại tần số 0,855 THz, Hình 3.28b mơ tả phân bố điện trường giữa hai đĩa Au của DP trên tại tần số 0,906 THz. Kết quả cho thấy, ở hai tần số cộng hưởng, điện trường phân bố tập trung ở hai đầu của DP.
Hình 3.28. Phân bố điện trường trong mặt phẳng xOy: (a) ở tần số 0,855 THz tại
không gian giữa hai DS của DP dưới và (b) ở tần số 0,906 THz tại không gian giữa hai DS của DP trên.
Hình 3.29. Phân bố từ trường trong mặt phẳng xOy: (a) tại tần số 0,855 THz ở vùng
không gian giữa hai DS của DP dưới; (b) tại tần số 0,906 THz ởvùng không gian giữa hai DS của DP trên.
(a) (b)
Từ Hình 3.24 cũng có thể thấy ở tần số 0,855 THz, dịng điện trên đĩa Au dưới cùng và ở mặt dưới của đĩa Au giữa phân bố mạnh hơn so với dòng điện ở đĩa Au trên cùng và ở mặt trên của đĩa Au giữa. Ngược lại tại tần số 0,906 THz dòng điện ở đĩa Au trên cùng và ở mặt trên của đĩa Au giữa phân bố mạnh hơn so với dòng điện trên đĩa Au dưới cùng và ở mặt dưới của đĩa Au giữa. Kết quả này phù hợp với phân bố từtrường trong Hình 3.27, rõ ràng với cùng thang tỉ lệcường độ từtrường, tại tần số 0,855 THz từ trường phân bố tập trung ở vùng không gian giữa hai đĩa Au của DP dưới; tại tần số 0,906 THz, từ trường phân bố tập trung ở vùng không gian giữa hai đĩa Au của DP trên. Phân bố từtrường trên mặt cắt ngang của đĩa đệm điện môi của DP dưới và DP trên theo phương vng góc với sóng điện từ tới tương ứng tại tần số 0,855 THz và 0,906 THz được trình bày trong Hình 3.29. Kết quả cũng cho thấy với cùng thang tỉ lệcường độ từtrường, tại tần số 0,855 THz từtrường phân bốở vùng không gian giữa hai đĩa Au của DP dưới mạnh hơn nhiều so với từ trường phân bố ở vùng không gian giữa hai đĩa Au của DP trên tại tần số 0,906 THz.
Như vậy, có thể khẳng định đỉnh hấp thụ tại tần số 0,855 THz do cộng hưởng từ của DP dưới gây ra, đỉnh hấp thụ tại tần số 0,906 THz do cộng hưởng từ của DP trên gây ra.
3.5.3. Tối ưu hóa tính chất hấp thụ của HMA cấu trúc cặp DP
Hình 3.30. Phổ hấp thụmơ phỏng của cấu trúc HMA khi kích thước ơ cơ sở của HMA thay đổi.
Tần số (THz) K íc h t hư ớc a (μm )
Như trên đã trình bày, do sự tương tác lai hóa giữa hai DP mà cộng hưởng từ đã tách thành hai cộng hưởng từ. Mỗi cộng hưởng từ này gây ra sự hấp thụ với độ hấp thụ lớn hơn so với độ hấp thụ gây ra bởi cộng hưởng từ của DP ban đầu. Bằng cách điều khiển các tham số cấu trúc và các tham số vật liệu, có thể chồng chập hai cộng hưởng từ này lại với nhau tại một vùng tần số cộng hưởng, từ đó hiệu suất hấp thụđược tăng cường. Hình 3.30 trình bày kết quảmô phỏng phổ hấp thụ của HMA trong vùng tần số từ 0,4 THz đến 1,2 THz khi giảm kích thước ơ cơ sở của HMA với các tham số khác khơng thay đổi (đường kính của DP 100 μm, độ dày các đĩa đệm điện môi SiO2 2,5 μm, độ dày của đế Si 35 μm). Khi a giảm, đỉnh hấp thụ tại tần số cao dịch lại gần đỉnh hấp thụ tại tần số thấp, đồng thời cường độ hấp thụ tăng. Khi a bằng 140 μm, hai đỉnh hấp thụ chập lại thành một đỉnh hấp thụ tại tần số 0,86 THz với độ hấp thụđạt 80%. Khi a tiếp tục giảm từ 140 μm xuống 110 μm, đỉnh hấp thụ có tần số khơng đổi, cường độ hấp thụ tăng dần, đỉnh hấp thụ đạt 90% khi a bằng 135 μm, đỉnh hấp thụ đạt 93% khi a bằng 110 μm.
Hình 3.31. Phổ hấp thụ mô phỏng của các cấu trúc HMA, HMA1, HMA2, HMA3
với kích thước ơ cơ sở bằng 110 μm.
Hình 3.31 trình bày các phổ hấp thụmơ phỏng của các cấu trúc HMA, HMA1,
HMA2, HMA3 khi kích thước ơ cơ sở bằng 110 μm. Hai phổ hấp thụ của hai cấu trúc HMA1 và HMA2 đều có một đỉnh hấp thụ với độ hấp thụ 74%, đỉnh hấp thụ của
Tần số (THz) Đ ộ h ấ p th ụ
HMA1 tại tần 0,863 THz, đỉnh hấp thụ của HMA2 tại tần số 0,855 THz. Trong khi đó, phổ hấp thụ của HMA có đỉnh hấp thụ tại tần số 0,857 THz với độ hấp thụ 93%. Có thể thấy khi hai DP được ghép chồng chập lên nhau đã tăng cường được độ hấp thụ của HMA. Phổ hấp thụ của HMA3 được trình bày trong Hình 3.31 cho thấy trong vùng tần số khảo sát chỉ xuất hiện một đỉnh hấp thụ tại tần số 1,07 THz, đỉnh hấp thụ này do cộng hưởng điện gây ra. Như vậy, có thể khẳng định hai đỉnh hấp thụ của HMA1 và HMA2 tương ứng ở hai tần số 0,863 THz và 0,855 THz là do các cộng hưởng từ gây ra; đỉnh hấp thụ của HMA tại tần số 0,857 THz là do sự chồng chập hai cộng hưởng từ mà DP trên và DP dưới của HMA gây ra. Sự chồng chập hai cộng hưởng từ do DP trên và do DP dưới gây ra trong HMA đã dẫn đến sự hấp thụ với hiệu suất cao tại đỉnh cộng hưởng của HMA.
Hình 3.32. Phổ hấp thụ mơ phỏng của HMA theo tần số khi góc tới θ thay đổi ở chế
độphân cực điện TE của sóng tới.
Các phân tích ở trên đã khẳng định bản chất đỉnh hấp thụ của HMA cấu trúc DP thu được là do cộng hưởng từ gây ra, vì vậy tính chất hấp thụ của HMA được kỳ vọng không nhạy với sựphân cực của góc tới. Các kết quảmơ phỏng phổ hấp thụ của HMA khi góc tới θ thay đổi ở chế độ phân cực điện TE và ở chế độ phân cực TM của sóng tới lần lượt được trình bày trong Hình 3.32 và Hình 3.33.
Kết quảmơ phỏng ởHình 3.32 cho thấy: ở chếđộphân cực điện TE của sóng tới, tần số đỉnh hấp thụ của HMA gần như khơng đổi khi góc tới tăng từ 0o đến 60o. Đồng thời, cường độ hấp thụ tại đỉnh hấp thụ vẫn đạt trên 80% khi góc tới tăng lên
Tần số (THz) TE Góc tớ i t he ta θ ( độ )
đến 40o và vẫn đạt được trên 70% khi góc tới tăng lên đến 60o; khi góc tới lớn hơn 60o thì cường độ hấp thụ tại đỉnh hấp thụ giảm rõ rệt. Trong khi đó, kết quả mơ phỏng
ởHình 3.33 cho thấy ở chếđộ phân cực từ của sóng tới, đỉnh hấp thụ của HMA gần
như không đổi cả tần số và cường độ hấp thụ khi góc tới tăng từ 0o đến 80o. Các kết quả này phù hợp với khẳng định ở trên rằng đỉnh hấp thụ của HMA do cộng hưởng từgây ravà vì vậy tính chất hấp thụ của nó khơng nhạy với góc tới.
Hình 3.33. Phổ hấp thụ mơ phỏng của HMA theo tần số khi góc tới θ thay đổi ở chế
độ phân cực từ TM của sóng tới.
3.6. Kết luận
Dựa trên các kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng, lý thuyết môi trường hiệu dụng và phân tích mạch LC tương đương, các đặc tính điện từ của MMs cấu trúc