CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MPAs)
1.1.2. Các hướng nghiên cứu vật liệu MPAs
a) Tối ưu hóa cấu trúc
Hình 1.4. Cấu trúc cộng hưởng trong vật liệu MPAs: (a) thiết kế ban đầu của Landy;
(b) dạng vòng cộng hưởng đơn;(c) vòng cộng hưởng hở; (d) vịng cộng hưởng kín; (e) cấu trúc thanh kim loại; (f) cấu trúc chữ I; (g) cấu trúc dấu cộng; (h) cấu trúc dấu
cộng rỗng [56].
Trải qua hơn một thập kỷ kể từphát hiện có tính bước ngoặt của Landy, lĩnh vực vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MPAs đã phát triển đa dạng và kết quả thu được hết sức phong phú. Một trong những hướng nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực MPAs là nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc cộng hưởng vừa đơn giản, dễ chế tạo, vừa có những đặc tính hấp thụ phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Từ cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh SRR, đã có nhiều cấu trúc khác nhau được nghiên cứu và phát triển
với những ưu thế và đặc điểm khác nhau như cấu trúc cộng hưởng dạng thanh, chữ I, chữ H, dấu cộng, đĩa tròn [54-59].
b) Thay đổi vùng tần số hoạt động
Song song với quá trình tối ưu tìm kiếm các cấu trúc cộng hưởng thích hợp cho từng ứng dụng, các nhà nghiên cứu cũng quan tâm đến thay đổi vùng tần số hoạt động của vật liệu MPAs từ GHz tới vùng tần số thấp hơn như MHz [10, 41] và vùng tần số cao hơn như THz [60-62], hồng ngoại, quang học [15, 17]. Hình 1.5 trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu MPAs ở vùng THz của nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học vật liệu hợp tác với các nhà khoa học tại RIKEN, Nhật Bản. Trong đó, cấu trúc của MPA gồm ba lớp: trên cùng là các đĩa kim loại Au đóng vai trị là bộ cộng hưởng với đường kính 1,5 μm, ở giữa là lớp điện mơi SiO2 và dưới cùng là một lớp Au liên tục. Toàn bộ cấu trúc MPA được chế tạo bằng phương pháp quang khắc tia UV và bốc bay chùm điện tử trên đế Si. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm về độ hấp thụ của các MPAs nói trên cho thấy độ hấp thụ đạt được trên 90% với tần số từ 60,0 THz đến 73,9 THz tương ứng với đường kính đĩa Au từ 1,3 μm đến 1,6 μm.
Hình 1.5. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu MPAs hoạt động ở vùng tần số THz:
(a) mơ hình cấu trúc của một MPA; (b) ảnh SEM bề mặt của một MPA; (c) phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs; (d) phổ hấp thụ thực nghiệm của các MPAs [14].
Tần số (THz) Tần số (THz) Đ ộ h ấ p t h ụ Đ ộ h ấ p t h ụ (c) (d) Tần số (THz)
c) Mở rộng dải tần hấp thụ
Tính chất ưu việt của MPAs là có thể điều chỉnh các tham số cấu trúc để đạt được đặc tính hấp thụ tại tần số mong muốn. Do đó, khơng q khó khăn để tạo một cấu trúc MPA với băng tần đơn hoặc đa băng tần. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các MPAs địi hỏi tính chất hấp thụ băng tần rộng, ví dụ trong các ứng dụng thu năng lượng mặt trời, phát hiện quang. Vì vậy, hướng nghiên cứu MPAs hấp thụbăng thông rộng vẫn thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Các phương pháp tạo ra sự hấp thụ băng thông rộng và các ứng dụng tiềm năng của chúng bao gồm bốn phương pháp chính như trình bày trong Hình 1.6. Cụ thể gồm: sắp xếp các bộ cộng hưởng khác nhau trên một mặt phẳng [63-66], sắp xếp các bộ cộng hưởng theo phương dọc [67-68], tích hợp các phần tử (điện trở, cuộn cảm, tụ điện và diode) [69- 72] và sử dụng các vật liệu nano plasmonic [73-74].
Hình 1.6. Các thiết kế thơng thường cho MPA hấp thụ băng tần rộng: (a) sắp xếp các bộ cộng hưởng trên một mặt phẳng; (b) sắp xếp các bộ cộng hưởng theo phương
dọc; (c) tích hợp các phần tửđiện trở, tụđiện; (d) sử dụng các vật liệu nano plasmonic [63].
Từ MPA với bộ cộng hưởng hình dấu cộng (gồm ba lớp kim loại/điện mơi/kim loại) đã được tối ưu để đạt được hấp thụ đơn đỉnh trong vùng hồng ngoại, nhóm nghiên cứu W. Ma đã phát triển để tạo ra MPA dải tần rộng bằng cách sắp xếp các bộ cộng hưởng với các kích thước khác nhau trong cùng một ơ cơ sở [66]. Hình 1.7 trình bày phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs. Đường chấm màu đỏ và đường chấm màu xanh lần lượt là phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs mà cấu trúc ô cơ sở chỉ
(a) (b)
(c) (d)
Điện mơi Kim loai Đế
có một bộ cộng hưởng dấu cộng với kích thước tương ứng là 720 nm và 800 nm. Đường màu đen là phổ hấp thụ mô phỏng của MPA mà ô cơ sở gồm hai bộ cộng hưởng dấu cộng với kích thước 720 nm và 800 nm.
Hình 1.7. Phổ hấp thụ của MPA mà cấu trúc ô cơ sở gồm hai bộ cộng hưởng hình
dấu cộng có kích thước khác nhau [66].
Kết quả mô phỏng cho thấy khi sắp xếp hai bộ cộng hưởng trong cùng một mặt phẳng của một ô cở sở, phổ hấp thụ của MPA xuất hiện hai đỉnh hấp thụ. Các đỉnh hấp thụ này tương ứng với các đỉnh hấp thụ của từng bộ cộng hưởng riêng lẻ. Do hai đỉnh hấp thụ ở hai vị trí bước sóng đủ gần nhau nên hợp nhất tạo thành một vùng hấp thụ với dải tần rộng. Từ kết quả đó, MPA với cấu trúc ô cở sở gồm bốn bộ cộng hưởng dấu cộng sắp xếp trên một mặt phẳng được đề xuất và trình bày trong Hình 1.8.
Hình 1.8. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA mà cấu trúc gồm bốn bộ cộng hưởng
hình dấu cộng có kích thước khác nhau [66]. Bước sóng (μm) Đ ộ h ấ p th ụ Au SiO2 Kết hợp Đ ộ h ấ p th ụ Bước sóng (μm) Au SiO2 Kết hợp 880 nm 800 nm 720 nm 640 nm
Các phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs với ô cơ sở chỉ có một bộ cộng hưởng riêng lẻ và ô cơ sở gồm bốn bộ cộng hưởng cũng được trình bày trong Hình 1.8. Các bộ cộng hưởng dấu cộng riêng lẻ với kích thước lần lượt là 880 nm, 800 nm, 720 nm và 640 nm. Phổ hấp thụ của MPA có cấu trúc ơ cơ sở đa hợp (multiplexed) xuất hiện năm đỉnh hấp thụ. Trong đó, bốn đỉnh hấp thụ với độ hấp thụ trên 90% tương ứng với các đỉnh hấp thụ của các MPAs với bộ cộng hưởng riêng lẻ. Các đỉnh hấp thụ gần nhau tạo thành một vùng hấp thụ với dải tần rộng. Nếu xét độ hấp thụ lớn hơn 50% thì MPA cấu trúc đa hợp có thể tạo vùng hấp thụ dải tần rộng có bước sóng từ3,07 μm đến 4,86 μm.
Hình 1.9. Phổ hấp thụ thực nghiệm của các MPAs hấp thụ dải tần rộng cùng với ảnh SEM bề mặt của chúng [66].
Các kết quả phổ hấp thụđo được từ thực nghiệm và ảnh SEM bề mặt của các MPAs dải tần rộng được trình bày trong Hình 1.9. Phổ hấp thụ đo được của MPA mà ô cơ sở gồm hai bộ cộng hưởng có hai cực đại ở 3,58 μm là 91% và 3,78 μm là 89,5% như trong Hình 1.9a. Hai đỉnh hấp thụ gần nhau và tạo thành một đỉnh hấp thụ dải tần rộng. Dải tần có độ hấp thụ cao hơn 50% tương ứng với bước sóng từ 3,23 μm đến 4,09 μm. Phổ hấp thụ đo được của MPA mà ô cơ sở gồm bốn bộ cộng hưởng xuất hiện hai cực đại hấp thụchính lần lượt là 93,06% và 95,35% tương ứng ởbước sóng 3,62 μm và 4,28 μm; hai cực đại khác ít rõ ràng hơn ở bước sóng 3,33 μm và 4,62 μm. Hai cực đại ít rõ ràng hơn gần với hai cực đại chính đến mức chúng gần như hợp nhất, nhưng chức năng mở rộng dải tần hấp thụ của chúng vẫn không bị ảnh hưởng. Dải từ 2,98 μm đến 4,84 μm với độ hấp thụ hơn 50% gần như bao phủ tồn bộ dải hồng ngoại trung bình. Bước sóng (μm) Bước sóng (μm) Đ ộ h ấ p th ụ Đ ộ h ấ p th ụ (a) (b)
d) MPAs hấp thụgóc rộng
Vì các MPAs được xây dựng trên các mảng lớn tuần hồn nên các tính chất hấp thụ của chúng phụ thuộc vào các góc phân cực của sóngđiện từ (Electromagnetic – EM) tới [75]. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng thực tế địi hỏi tính chất hấp thụ được duy trì ở hiệu suất cao trong khi thay đổi góc tới của sóng điện từ. Do đó, các MPAs có đặc tính ổn định khi thay đổi góc tới và góc phân cực là một hướng nghiên cứu đóng vai trị quan trọng. Để tạo ra các MPAs khơng nhạy với góc tới, thơng thường cấu trúc bộ cộng hưởng của MPAs có tính đối xứng cao. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu đạt được nhằm thiết kế chế tạo MPAs không nhạy với góc tới và góc phân cực của sóng điện từ bao gồm cả hấp thụ đơn đỉnh và hấp thụ dải tần rộng [76-79].
Hình 1.10. (a) Ảnh bề mặt của MPA nhìn theo hướng tới của sóng điện từ; (b) Phổ hấp thụ của MPA khi góc phân cực của sóng điện từ thay đổi [78].
Hình 1.10a mơ tả cấu trúc ơ cơ sở của MPA hoạt động ởvùng GHz và phổ hấp
thụ tương ứng của nó khi góc phân cực của sóng điện từ thay đổi. Lớp trên cùng của ô cơ sở bao gồm tám cung tròn kim loại, lớp dưới cùng được bao phủ hoàn toàn bằng một tấm Cu và ở giữa là lớp điện môi là FR4. Các cung tròn được đặc trưng bởi bốn tham số: P, W, R1 và R2. P và W lần lượt là chiều dài một cạnh của ô cơ sở và chiều rộng khe hở giữa mỗi cung trịn. R1 là bán kính của hình trịn ở tâm, R2 là bán kính của cung trịn ngồi (R2 ≈ L + R1), với L là độ dài của cung tròn lồi. Do cấu trúc ô cơ sở đối xứng theo chiều ngang và chiều dọc, độ hấp thụ của nó được mong đợi là giống nhau đối với tất cảcác góc phân cực φ. Hình 1.10b cho thấy phổ hấp thụ của MPA khơng thay đổi theo góc phân cực φ của sóng điện từ.
Đ ộ h ấ p th ụ (%) Tần số (GHz) (a) (b)
Hình 1.11. Phổ hấp thụ mơ phỏng của MPA khi góc tới của sóng điện từ thay đổi trong hai trường hợp: (a) phân cực TE và (b) phân cực TM [78].
Hình 1.11 trình bày phổ hấp thụ của MPA khi góc tới thay đổi theo hướng
phân cực TE và TM. Kết quả cho thấy ở cả hai chế độ phân cực TE và TM, với các góc tới θ từ 0o đến 70o, đỉnh hấp thụ với tần số khoảng 9,26 GHz và thay đổi không đáng kể. Đồng thời, độ hấp thụ vẫn được duy trì cao hơn 90% khi góc tới θlên đến 70o. Các kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả đo được từ thực nghiệm như trình bày trong Hình 1.12. Trong cả hai trường hợp phân cực TE và TM, khi góc tới thay đổi, tần số cộng hưởng (tương ứng với cực tiểu trong phổ phản xạ) gần như không thay đổi và vẫn duy trì độ phản xạ thấp khi góc tới đạt đến 70o.
Hình 1.12. Phổ phản xạ đo được của MPA khi góc tới của sóng điện từ thay đổi trong hai trường hợp: (a) phân cực TE và (b) phân cực TM [78].
e) Điều khiển tính chất của MPAs bằng tác động ngoại vi
Gần đây, hướng nghiên cứu đóng vai trị quan trọng giúp MPAs tiếp cận với các ứng dụng trong thực tế là nghiên cứu MPAs có tính mềm dẻo linh hoạt [21,42] và nghiên cứu tích hợp các vật liệu, thiết bị linh hoạt có tính chất thay đổi được dưới
Tần số (GHz) Tần số (GHz) Đ ộ h ấ p th ụ (%) Đ ộ h ấ p th ụ (%) (a) (TE) (b) TM Tần số (GHz) Tần số (GHz) Đ ộ ph ả n x ạ (dB) Đ ộ ph ả n x ạ (dB) (a) (TE) (b) (TM)
các tác động bên ngoài. Từ đó, có thể tạo ra MPAs mà tính chất của chúng có thể được điều khiển thơng qua các tác động ngoại vi [18-21, 80-84].
Hình 1.13. (a) Cấu trúc 3D của MPA; (b) Cấu trúc bề mặt MPA theo hướng tới của sóng điện từ [80].
Hình 1.13 trình bày cấu trúc của MPA mà lớp điện mơi là hỗn hợp của nước
và vật liệu có độ điện thẩm thấp (low-permittivity material – LPM). Bằng cách thiết kế độ dày các lớp nước và LPM phù hợp, có thể thu được MPA hấp thụ với dải tần rộng ở nhiệt độ cho trước. Đặc biệt hiệu suất hấp thụ có thể được điều chỉnh theo nhiệt độ của môi trường. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo đạc phổ hấp thụ của MPA khi nhiệt độ thay đổi được trình bày trong Hình 1.14. Phổ hấp thụ của MPA phụ thuộc vào nhiệt độ được xác định là do độ điện thẩm của nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Độ điện thẩm của nước phụ thuộc vào nhiệt độ được trình bày trong Hình 1.15.
Hình 1.14. Phổ hấp thụ của MPA khi nhiệt độ của nước thay đổi: (a) kết quả mô
phỏng và (b) kết quả thực nghiệm [80]. Tần số (GHz) Tần số (GHz) Đ ộ h ấ p th ụ Đ ộ h ấ p th ụ
Hình 1.15. Độ điện thẩm của nước khi nhiệt độ thay đổi, đường nét liền là phần thực, đường nét đứt là phần ảo [80].
Trên cơ sở độ điện thẩm của Strotium Titanate (STO) phụ thuộc vào nhiệt độ, một cấu trúc MPA được nhóm nghiên cứu của X. Huang đề xuất và chứng minh rằng tần số hấp thụ của MPA có thể điều khiển thơng qua nhiệt độ [81]. Cấu trúc của MPA với lớp điện môi bằng vật liệu STO được trình bày trong Hình 1.16. Cấu trúc MPA như thông thường gồm ba lớp kim loại/điện môi/kim loại, trong đó bộ cộng hưởng là các đĩa kim loại bằng Au với bán kính R = 25 μm, ơ cơ sở hình vng với kích thước
Px = Py = 98 μm, độdày lớp Au và lớp STO lần lượt là 200 nm và 2 μm.
Hình 1.16. Cấu trúc của MPA với lớp điện môi bằng vật liệu STO [81].
Kết quảmô phỏng phổ hấp thụ của MPA khi nhiệt độthay đổi từ 200 K đến 400 K được trình bày trong Hình 1.17. Có thể thấy rõ ràng đỉnh hấp thụ có sự dịch chuyển về tần số thấp khi nhiệt độ giảm từ 400 K xuống 200 K. Trong đó, đỉnh hấp thụ tại tần số 2,48 THz (tương ứng với 400 K) được biểu thị bằng đường lục lam, đỉnh hấp thụ tại tần số 1,71 THz (tương ứng với 200 K) được thể hiện bằng đường màu đen. Phạm vi điều chỉnh tần số hấp thụ đạt 0,77 THz và cường độ đỉnh hấp thụ ln duy trì đạt mức hơn 99%. Tần số (GHz) Đ ộ đi ệ n th ẩ m Au STO
Hình 1.17. Độ hấp thụ mô phỏng của MPA khi nhiệt độ thay đổi [81].
Vật liệu tinh thể lỏng (Liquid Crystal – LC) bao gồm các phân tử dị hướng mà
hướng của chúng có thể thay đổi bởi điện trường bên ngồi. Do đó, LC là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các MPAs mà có thể điều chỉnh được thơng qua điện áp một chiều. Nó đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các MPAs có thể điều chỉnh được trong những năm gần đây.Hình 1.18amơ tả cấu trúc ơ cơ sở của MPA băng tần képmàcó
thể điều chỉnh được dựa trên LC [82].
Hình 1.18. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA băng tần kép mà có thể điều khiển được dựa trên tinh thể lỏng; (b) Mơ hình điều khiển hướng của các tinh thể lỏng LC thông
qua điện thế một chiều. Trong đó, các tham số cấu trúc gồm: a = 410 μm, R = 190 μm, r = 155 μm, b = 20 μm, d = 20 μm, s = 12 μm, Hq1 = 500 μm, Hq2 = 1000 μm và
HLC = 45 μm [82].
Ô cơ sở của MPA gồm hai tấm thạch anh song song được ngăn cách bởi một
khoang chứa tinh thể lỏng. Một lớp Cu có cấu trúc (đóng vai trị là bộ cộng hưởng)
và một lớp Cu liên tục được in trên bề mặt bên trong của mỗi tấm thạch anh. Các tấm
thạch anh dùng làm đế in các lớp kim loại, đồng thời bao bọc lớp LC. Định hướng
Tần số (THz) Đ ộ h ấ p th ụ (a) (b) Thạch anh Thạch anh
của các phân tử tinh thể lỏng và độ điện thẩm của lớp LC dọc theo vectơ điện trường của sóng tới có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh điện áp phân cực giữa bộ cộng hưởng Cu và lớp Cu liên tục như được trình bày trong Hình 1.18b.
Hình 1.19.Ảnh chụp mẫu MPA chế tạo được và một phần bề mặt của mẫu được phóng đại [82].
Hình 1.19 trình bày ảnh mẫu MPA chế tạo được và một phần bề mặt của mẫu được phóng đại. Mẫu MPA được chế tạo với các tham số cấu trúc như trong Hình 1.18. Hình 1.20 trình bày kết quả thực nghiệm về khả năng điều chỉnh tần số hấp thụ của MPA với các điện áp phân cực khác nhau. Phổ hấp thụ thực nghiệm cho thấy: khi