Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của vật liệu biến hóa kết hợp graphene

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thanh Tùng và GS. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi các tác giả khác. NGHIÊN CỨU SINH TRẦN VĂN HUỲNH luan an LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.

Vũ Đình Lãm và PGS. Nguyễn Thanh Tùng, các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến, TS.

Bùi Sơn Tùng (Viện Khoa học vật liệu) và các anh chị em trong Nhóm nghiên cứu Meta-Group đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy/cô và anh/chị/em trong Phòng Vật lý Vật liệu từ và siêu dẫn, Phòng Công nghệ Plasma, Phòng thí nghiệm Trọng điểm về vật liệu và linh kiện điện tử, Phòng thí nghiệm Linh kiện và thiết bị quang-điện tử ứng dụng cho nông-y-sinh và năng lượng, Viện Khoa học vật liệu, đã tạo điều kiện cho tôi về cơ sở vật chất để học tập, nghiên cứu và động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy, Khoa Khoa học cơ bản và Ngoại ngữ - nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ quan trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án này. NGHIÊN CỨU SINH TRẦN VĂN HUỲNH luan an DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AFM Atomic Force Microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử ALD Atomic Layer Deposition Lắng đọng lớp nguyên tử 2D Two-Dimensional Hai chiều 3D Three-Dimensional Ba chiều CR Copper Ring Vòng Cu CSR Continuous Squares Resonator Bộ cộng hưởng hình vuông liền kề CW Cut Wire Thanh kim loại CWP Cut-Wire Pair Cặp thanh kim loại CWT Cut-Wire Triple Bộ ba thanh kim loại DS Disk Shape Hình đĩa DP Disk Pair Cặp đĩa EM Electromagnetic Điện từ FIT Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa cực đại GHMA Graphene-Integrated Bộ hấp thụ dựa trên vật liệu biến Hybridized Metamaterial hóa lai hóa tích hợp graphene Absorber HMA Hybridized Metamaterial Bộ hấp thụ dựa trên vật liệu biến Absorber hóa lai hóa ICP Inductively Coupled Plasma Plasma cảm ứng từ LHM Left-handed Material Vật liệu chiết suât âm MEMS Microelectromechanical Hệ thống vi cơ điện tử Systems MMs Metamaterials Vật liệu biến hóa MPA Metamaterials Perfect Absorber Bộ hấp thụ tuyệt đối dựa trên vật liệu biến hóa PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RHM Right-handed Material Vật liệu chiết suất dương luan an PR Polymer Ring Vòng polymer SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SR Spiral Resonator Bộ cộng hưởng xoắn ốc SRR Split-Ring Resonator Bộ cộng hưởng vòng hở SSR Square-Shaped Resonator Bộ cộng hưởng hình vuông UV Ultra Violet Tử ngoại WPT Wireless Power Transfer Truyền năng lượng không dây luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Đường đi của tia sáng khi qua thấu kính được làm từ LHM đặt trong chân không [1]. 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) vòng 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].

Một số kết quả nghiên cứu vật liệu MPAs hoạt động ở vùng tần số THz: (a) mô 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]. Các thiết kế thông 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 tử điện trở, tụ điện; (d) sử dụng các vật liệu nano plasmonic [63]. 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]. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA mà cấu trúc gồm bốn bộ cộng hưởng hình dấu cộng có kích thước khác nhau [66].

Phổ hấp thụ thực nghiệm của các MPAs hấp thụ dải tần rộng cùng với ảnh SEM bề mặt của chúng [66]. Phổ hấp thụ mô 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]. 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]. Phổ hấp thụ của MPA khi nhiệt độ của nước thay đổi: (a) kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm [80].

Độ điện thẩm của nước khi nhiệt độ thay đổi, đường nét liền là phần thực, đường nét đứt là phần ảo [80].18 luan an Hình 1. Cấu trúc của MPA với lớp điện môi bằng vật liệu STO [81]. Độ hấp thụ mô phỏng của MPA khi nhiệt độ thay đổi [81]. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA băng tần kép mà có thể điều khiển được dựa trên tinh thể lỏng; (b) Mô 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]. Ảnh chụp mẫu MPA chế tạo được và một phần bề mặt của mẫu được phóng đại [82]. Phổ hấp thụ đo được từ thực nghiệm của MPA sử dụng LC [82]. Cấu trúc của MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi với năm loại cấu trúc khác nhau [85].

a) Phổ hấp thụ mô phỏng của các MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi với năm loại cấu trúc tương ứng chỉ ra ở trong Hình 1.21; b) Phổ phản xạ mô phỏng và thực nghiệm của MPAs sử dụng hoàn toàn điện môi loại V [85]. Phổ hấp thụ đo được (đường nét liền màu đen) và phổ hấp xác định thông qua mô hình mạch điện tương đương (đường nét đứt màu đỏ) [93]. Quang phổ hấp thụ hồng ngoại của bốn loại khí CO2, N2O, CO, NO dựa trên MPA và phổ phát xạ chuẩn hóa tương ứng của chúng [93]. Cấu trúc MPA ứng dụng trong thiết bị thu năng lượng mặt trời [100].

Phổ tiêu chuẩn của bức xạ mặt trời AM 1,5 (đường nét liền màu đen) và mức hấp thụ năng lượng mặt trời của SA dưới sự chiếu sáng của AM 1,5 (đường màu đỏ), hiệu suất hấp thụ của SA (đường nét đứt màu đen) [100]. Phổ hấp thụ và bị bỏ sót năng lượng mặt trời bởi MPA trong quang phổ đầy đủ của bức xạ mặt trời [100]. Các cấu trúc CW với các dạng khác nhau của CW cho cộng hưởng điện và phổ truyền qua của chúng. Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra môi trường có µ < 0 [49].

Dạng tổng quát của độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR [49]. Mô phỏng quá trình lan truyền sóng điện từ khi gặp một vật liệu trong hai trường hợp: (a) có thành phần truyền qua và (b) không có thành phần truyền qua .36 luan an Hình 1. Một số lĩnh vực ứng dụng của graphene [125]. Phổ phản xạ của MPA tích hợp graphene được xác định từ mô hình lý thuyết khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi [133].

Phổ phản xạ đo được của MPA tích hợp graphene khi điện thế tương đối ∆Vg thay đổi với các trường hợp độ dày lớp điện môi khác nhau gồm: (a) 85 μm, (b) 60 μm, (c) 40 μm [133]. Cấu trúc MPA tích hợp graphene và ô cơ sở [142]. Phổ hấp thụ mô phỏng của MPA trong các trường hợp: không tích hợp graphene và tích hợp graphene với EF thay đổi [142]. Phổ hấp thụ của MPA tích hợp graphene khi mức năng lượng Fermi của graphene thay đổi [122].

Sơ đồ cấu trúc MPA với bộ cộng hưởng là màng graphene đơn lớp có cấu trúc: (a) Cấu trúc bộ cộng hưởng graphene; (b) Cấu trúc ba chiều của MPA tích hợp graphene [159]. Cấu trúc của MPA tích hợp graphene có khả năng chuyển đổi giữa hấp thụ và phản xạ với dải tần rộng [160]. Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc khi mức năng lượng Fermi EF thay đổi [160]. Cấu trúc của các loại MPAs tích hợp graphene gồm: (a) loại A, (b) loại B, (c) loại C và (d) loại D.

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.55 luan an Hình 2. MMs cấu trúc CWP và mô hình mạch điện LC tương đương: (a) Cấu trúc MMs trong không gian ba chiều; (b) Các cuộn dây và tụ điện tương đương với các thành phần trong một ô cơ sở của cấu trúc CWP; (c) Mô hình mạch điện LC tại tần số cộng hưởng từ và (d) Mô hình mạch điện LC tại tần số cộng hưởng điện [178]. Các thông số hình học và phân cực điện trường từ trường trong trường hợp cấu trúc MMs dạng cặp đĩa. Sơ đồ khối quá trình chuẩn bị các tham số đầu vào cho mô phỏng.

Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2017 [180]. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST: (a) Các tham số truyền qua, phản xạ, hấp thụ; (b) Phân bố dòng điện bề mặt; (c) Phân bố điện trường; (d) Phân bố từ trường. Sự phát triển cấu trúc trong nghiên cứu MPAs hấp thụ hai chiều. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MMs và (b) Phổ truyền qua tương ứng.

Kết quả mô phỏng: (a) phân bố dòng điện bề mặt; (b) phân bố cường độ điện trường và (c) phân bố cường độ từ trường tại tần số cộng hưởng 1,83 THz. Phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của cấu trúc DS. Kết quả mô phỏng, tính toán phổ truyền qua của cấu trúc DS khi thay đổi: (a) kích thước ô cơ sở a; (b) đường kính đĩa Au d; (c) độ dày lớp điện môi td và (d) độ điện thẩm  của lớp điện môi. (a) Thiết kế ô cơ sở của cấu trúc DP được phát triển từ cấu trúc DS; (b) Sự tách đỉnh cộng hưởng từ cấu trúc DS đến cấu trúc DP.