CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU MPAs TÍCH HỢP GRAPHENE
4.5. Vật liệu MPA tích hợp graphene hấp thụ đẳng hướng theo cơ chế lai hóa cộng
4.5.1. Thiết kế MPA lai hóa tích hợp graphene
Từ ý tưởng cho rằng đỉnh hấp thụ của MPA với cấu trúc CWP nhị trùng lai hóa có thể được tăng cường và điều chỉnh đáng kể bằng cách điều khiển sự chồng chập các chế độlai hóa. Một MPA với cấu trúc CWP được thêm vào một CW kim loại để tạo thành bộ ba CW (CW Triple – CWT). CWT được dự kiến hoạt động tương tự như một cặp CWP nhị trùng (hai cặp CW giống hệt nhau), do đó cấu trúc có thể tạo ra hai cộng hưởng từ lai hóa. Một ơ cơ sở của MMs cấu trúc CWP lai hóa tích hợp graphene (Graphene-Integrated Hybridized Metamaterial Absorber – GHMA) được trình bày trong Hình 4.28.
Cấu trúc của GHMA có thể tách thành hai phần chính: phần trên là một CWT với ba CW kim loại Au hình vng giống nhau được ngăn cách bởi hai miếng đệm điện môi SiO2, phần dưới là một tấm nền graphene/SiO2/Si. Với bộ CWT hình vng có tính đối xứng, tính chất điện từ của MMs sẽ khơng nhạy với các góc phân cực tự nhiên. Vì một phân cực tùy ý có thể được phân tích thành phân cực ngang và phân cực dọc, do đó cấu trúc đối xứng hoạt động giống nhau cho cả hai phân cực. Để điều khiển sự phân tách tần số giữa hai cộng hưởng lai hóa, một màng graphene đơn lớp dẫn điện bên dưới CWT được thiết kế. Tấm Si đóng vai trị là tấm nền với điện trở suất cao, lớp SiO2 phủ trên tấm Si đóng vai trị là lớp cách điện. Chiều dài a của các cấu trúc Au hình vng được chọn là 100 µm, ơ cơ sở hình vng với kích thước p được cốđịnh là 175 µm. Độdày tối ưu của: lớp Au, miếng đệm SiO2, lớp SiO2 cách điện và tấm Silicon lần lượt là 0,1 µm, 2,6 µm, 1,25 µm và 40 µm. Màng graphene
với độ dày 0,34 nm tương đương một lớp nguyên tử. Trong vùng tần số khảo sát từ 0,4 THz đến 1,0 THz, SiO2 có độ điện thẩm 0,39 và độ tổn hao 0,002 [181]. Chất nền Si pha tạp có độ điện thẩm 11,9 và độ dẫn điện 0,15 S/m. Môi trường xung quanh được chọn là chân khơng, các sóng tới được truyền theo phương vng góc với mặt phẳng cấu trúc như trong Hình 4.28.
Hình 4.28. Cấu trúc một ơ cơ sở của vật liệu MPA lai hóa tích hợp graphene. Mỗi ơ
cơ sở bao gồm một bộ Au/SiO2/Au/SiO2/Au hình vng đặt trên một tấm nền graphene/SiO2/Si.
Trong q trình tối ưu hóa, độ dày các miếng đệm điện môi kẹp giữa các CW Au luôn bằng nhau với mục tiêu đạt được độ hấp thụ lớn hơn 90% khi mức năng lượng Fermi bằng 1 eV. Mức năng lượng Fermi của graphene được thay đổi thông qua điện áp Vg đặt vào màng graphene và tấm nền Si theo phương trình (4.4). Độ hấp thụđược xác định từcác tham sốtán xạmơ phỏng theo phương trình:
2 2
21 11
1 1
A T R S S