BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN KHÂM THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG MIỀN ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀ VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN KHÂM THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG MIỀN ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀ VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 84.40.01.10 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA NGHỆ AN - 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 1.1 Giới thiệu siêu vật liệu [1] 12 1.1.1 Khái niệm 12 1.1.2 Phân loại 13 1.1.3 Ứng dụng siêu vật liệu 14 1.2 Tính chất vật liệu RH vật liệu LH 18 1.3 Tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ siêu vật liệu 20 1.3.1 Phương trình hấp thụ 21 1.3.2 Phối hợp trở kháng 22 1.3.3 Giao thoa triệt tiêu 23 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG DẢI TẦN SỐ CỦA ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀ VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN SỬ DỤNG SIÊU VẬT LIỆU 25 2.1 Giới thiệu phương pháp thiết kế hấp thụ băng rộng 25 2.1.1 Phương pháp nhóm phần tử có kích thước khác 25 2.1.2 Phương pháp sử dụng cấu trúc đa lớp 27 2.2 Phương pháp thiết kế tối ưu tham số cấu trúc 30 2.2.1 Phương pháp thiết kế 30 2.2.2 Tối ưu tham số cấu trúc 31 2.3 Kết đạt thảo luận 34 2.3.1 Phổ hấp thụ 34 2.3.2 Cơ chế hấp thụ 35 2.3.3 Ảnh hưởng góc tới 39 2.3.4 Ảnh hưởng góc phân cực 40 2.3.5 So sánh đánh giá hiệu hấp thụ đề xuất với hấp thụ băng rộng khác 41 2.4 Kết luận chương 42 KẾT LUẬN CHUNG 43 Tài liệu tham khảo 44 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Các số liệu, kết nêu luận án trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khoa học khác HỌC VIÊN Nguyễn Khâm Thành LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng sau đại học, Ban chủ nhiệm Viện KTCN Trường Đại học Vinh; Ban giám hiệu trường THPT Nguyễn Cảnh Chân tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn anh chị đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tinh thần, chia sẻ gánh vác công việc trường suốt thời gian thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Chúng tơi cảm ơn Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia Việt Nam (NAFOSTED), mã số 103.02-2017.367, tài trợ phần kinh phí để thực đề tài Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình mình, quan, cá nhân, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để thực đề tài nghiên cứu Nghệ An, ngày 10 tháng năm 2018 HỌC VIÊN Nguyễn Khâm Thành DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Siêu vật liệu 13 Hình 1.2 Mối quan hệ ɛ μ 14 Hình 1.3 Đường ánh sáng (a) thấu kính thơng thường có chiết suất dương siêu vật liệu thấu kính có chiết suất âm 15 Hình 1.4 Quá trình phục hồi thành phần truyền qua (a) thành phần tắt dần siêu thấu kính 16 Hình 1.5 Minh họa nguyên tắc làm việc siêu thấu kính cách phục hồi phần lượng truyền qua lượng tắt dần 17 Hình 1.6 Các thành phần sóng thu sóng điện từ tương tác với vật thể: (1) sóng tới; (2) sóng phản xạ; (3) thành phần truyền qua (4) thành phần bị hấp thụ 17 Hình 1.7 Biến đổi điện trường áo tàng hình 18 Hình 1.8 Các dạng hình học biểu diễn sóng điện từ vật liệu chiết suất âm vật liệu chiết suất dương 20 Hình 1.9 Bộ hấp thụ tuyệt đối siêu vật liệu [2] Đường màu đỏ phổ hấp thụ, đường màu xanh phổ phản xạ, đường màu xanh nước biển phổ truyền qua 21 Hình 1.10 Mơ hình đường truyền ánh sáng đến MPA 24 Hình 2.1 (a) Cấu trúc ô mạng hấp thụ, (b) Cường độ hấp thụ, Truyền qua phản xạ hấp thụ (c) Sự ảnh hưởng kích thước bán kính phần tử cộng hưởng đến cường độ hấp thụ tần số hấp thụ 26 Hình 2 (a) Ơ mạng kết hợp phần tử cộng hưởng có kích thước khác (b) Phổ hấp thụ băng rộng thu với ô sở gồm phần tử có kích thước khác 27 Hình 2.3 Bộ hấp thụ băng rộng sử dụng cấu trúc đa lớp: (a) Hình chiếu bằng, (b) Cấu trúc mạng (c) Hình chiếu cạnh mạng 28 Hình 2.4 Tính chất quang hấp thụ băng rộng đa lớp 29 Hình 2.5 Sự ảnh hưởng số lớp lên độ rộng hấp thụ 29 Hình 2.6 (a) Cấu trúc hấp thụ đề xuất (b) mặt cắt đứng ô sở hấp thụ đề xuất 32 Hình 2.7 Sự phụ thuộc BW vào tham số kích thước sở: (a) số ô sở với t=15 nm, h=30 nm; (b) bề dày lớp kim loại với D=230 nm, h=30 nm; (c) bề dày lớp điện môi với D=230 nm, t=10 nm 33 Hình 2.8 Absorption, reflection and transmission spectra of proposed terahertz ultrabroadband MA 35 Hình 2.9 Sự phân bố điện trường từ trường mặt cắt dọc ô sở (lần lượt từ hàng đến hàng dưới) hấp thụ bước sóng hấp thụ khác phân cực TE (a), (d) 480 nm; (b), (e) 937 nm (c), (f) 1480 nm 37 Hình 2.10 Sự phân bố dịng điện bề mặt mặt cắt dọc ô sở cấu trúc hấp thụ đề xuất bước sóng (a) 480 nm, (b) 937 nm (c) 1480 nm (d) tạo thành điện trường phân bố dịng điện bề mặt có chiều ngược góc tới vng góc với bề mặt hấp thụ phân cực TE 38 Hình 2.11 Sự phụ thuộc góc tới lên hiệu suất thấp thụ hấp thụ đề xuất với phân cực TE (a c) phân cực TM (b d) Đồ thị (a) (b) phổ màu cho thấy phụ thuộc góc tới đến cường độ hấp thụ hấp thụ 39 Hình 2.12.Sự phụ thuộc góc phân cực lên phổ hấp thụ hấp thụ đề xuất phân cực TE (a c) phân cực TM (b d) góc tới khơng 40 Bảng 2.1 So sánh hiệu hấp thụ hấp thụ băng rộng đề xuất với hấp thụ băng rộng khác 40 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MM Metamaterial Siêu vật liệu FIT Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô máy tính LHM Left - Handed Metamaterial Vật liệu chiết suất âm MA Metamaterial Absorber Hấp thụ siêu vật liệu MPA Metamaterial Perfect Absorber Hấp thụ siêu vật liệu lý tưởng TE Transverse Electric Điện ngang TM Transverse Magnetic Từ ngang MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Những tiến gần lĩnh vực chế tạo vật liệu micro nano cho phép người tạo vật liệu nhân tạo vượt giới hạn thông thường vật liệu truyền thống Trong lĩnh vực quang tử điều trở thành thực với đời siêu vật liệu (metamaterials) Siêu vật liệu vật liệu nhân tạo, hình thành từ cấu trúc bản, đóng vai trò “nguyên tử” vật liệu Những “nguyên tử” xếp với cách tuần hồn, gồm hai thành phần phần điện phần từ Các cấu trúc thiết kế để tạo tương tác theo mong muốn với trường Dựa ý tưởng ban đầu, siêu vật liệu kết hợp hoàn hảo hai thành phần điện từ tạo nên vật liệu có độ từ thẩm độ điện thẩm âm (µ < 0, e < 0) dải tần số Từ dẫn đến tính chất điện từ quang học lạ Bên cạnh đặc điểm quan trọng siêu vật liệu cấu trúc thiết kế chế tạo để hoạt động dải tần số khác GHz, THz, hồng ngoại gần chí tới vùng ánh sáng nhìn thấy Với khả hoạt động linh hoạt vùng tần số khác nhau, đặc biệt vùng THz, giúp cho siêu vật liệu thay vật liệu tự nhiên ứng dụng mà vật liệu tự nhiên chưa đáp ứng Có thể kể nhiều ứng dụng kì diệu siêu vật liệu nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết chứng minh thực nghiệm lĩnh vực khác thấu kính, lọc tần số, anten, hấp thụ, cảm biến sinh học, tàng hình, thiết bị khoa học, y tế, pin lượng đặc biệt lĩnh vực quân (thay đổi hướng sóng điện từ, tàng hình, tác chiến đêm ) Vì tính chất độc đáo khả ứng dụng to lớn siêu vật liệu, gần đây, tạp chí Materials Today xếp siêu vật liệu vào mười lĩnh vực có tác động mạnh mẽ làm thay đổi khoa học giới 50 năm trở lại Thực tế, số lượng nhà khoa học nghiên cứu siêu vật liệu số lượng cơng trình nghiên cứu khoa học công bố liên quan đến siêu vật liệu tăng đột 2.2 Phương pháp thiết kế tối ưu tham số cấu trúc 2.2.1 Phương pháp thiết kế Để thiết kế lọc băng rộng, sử dụng phương pháp mô để thiết kế nghiên cứu tính chất hấp thụ Bộ hấp thụ tạo từ ô mạng giống xắp xếp theo cấu trúc tuần hồn chiều Do tính chất vật liệu mơ hình hóa xác dựa mơ ô sở với tham số đặc trưng vật liệu, kết hợp với điều kiện biên Phương pháp mô sử dụng phương thức vi phân cấu trúc không đồng thành vi cấu trúc đồng với điều biên định Tổng hợp kết vi cấu trúc thu tính chất tồn cấu trúc hấp thụ Trong luận văn sử dụng chương trình mơ thương mại: CST Microwave studio Việc tự xây dựng chương trình mơ có ưu điểm chủ động dễ dàng kiểm soát thơng số đưa vào q trình tính tốn Với phần mềm mô thương mại ưu điểm đơn giản sử dụng, có độ xác cao để dự đốn đặc tính cấu trúc trước tiến hành chế tạo Hiện phần mềm thương mại “CST Microwave studio” chương trình phổ biến, có độ xác cao nhiều tập thể nghiên cứu mơ sóng điện từ giới sử dụng Ngồi ra, độ xác kỹ thuật mô phỏng, nắm bắt vững đặc tính, tính chất vật liệu kết thu hỗ trợ tích cực cho tiến trình nghiên cứu thực nghiệm, đặc biệt giải thích tượng, chế vật liệu Phần mềm mô CST nghiên cứu tốt tương tác trường điện từ với vật liệu dựa kỹ thuật tích phân hữu hạn – FIT Kỹ thuật tích phân hữu hạn – FIT biến đổi phương trình Maxwell phương trình tán sắc vật liệu từ không gian liên tục đến không gian rời rạc [1] Trong phần mềm mô CST cung cấp hai phương pháp giải chủ yếu Transient Solver (TS) Frequency Domain Solver (FDS) Phương pháp (TS) cho phép mô đặc tính cấu trúc cách giải phương trình Maxwell vùng tần số rộng với lần tính tốn Vì vậy, thời gian giải ngắn tốn dung lượng máy tính Tuy nhiên, phương 30 pháp hiệu với vật liệu có cấu trúc lớn Trong sử dụng phương pháp (FDS) thích hợp với tốn cấu trúc nhỏ có tính tuần hồn Trong luận án, kết mô chủ yếu sử dụng phương pháp (FDS) thuận tiện phù hợp với tốn nghiên cứu Một bước quan trọng sử dụng phần mềm CST thiết lập tham số đầu vào gồm: vật liệu (có thể lấy từ ngân hàng vật liệu có sẵn đưa thơng số vật liệu khơng có sẵn chương trình mơ phỏng), hình dạng, kích thước tham số cấu trúc ô sở, điều kiện biên, môi trường xung quanh vật liệu Trong nghiên cứu này, điều kiện biên xác lập sau phương x, y, z điện trường, từ trường phương truyền sóng k; Điều kiện biên tuần hoàn thiết lập mặt phẳng (x, y) điều kiện biên theo hướng z mở Hệ số hấp thụ hấp thụ xác định từ hệ số truyền qua hấp thụ: A(ω) = 1- R(ω) - T(ω), hệ số phản xạ R(ω) = |S11|2 hệ số truyền qua T(ω) = |S21|2 Lưu ý hệ số hấp thụ, phản xạ truyền qua A(ω), R(ω) and T(ω) phụ thuộc vào tần số Trong thiết kế, loại bỏ hệ số truyền qua (T(ω) = 0) sóng điện tử bọc lớp kim loại Do đó, hệ số hấp thụ hấp thụ tính A(ω) = 1- R(ω) Khi hệ số phản xạ không, ta có tính chất hấp thụ lý tưởng (A(ω)=1) 2.2.2 Tối ưu tham số cấu trúc Việc lựa chọn tối ưu thơng số hình học (kích thước, hình dạng hướng) cho thiết kế siêu vật liệu dự định thực bước quan trọng sau định loại phần mềm thích hợp để sử dụng nghiên cứu siêu vật liệu hấp thụ Điều tương tác vật liệu hấp thụ với sóng điện từ phản ứng chúng phụ thuộc mạnh vào giá trị ε(ω) μ(ω) tham số phụ thuộc vào kích thước, hướng hình dạng cấu trúc MTM bước sóng quan tâm Do đó, cách chọn vật liệu điện mơi có hệ số suy hao tốt cẩn thận ghép nối cộng hưởng đỉnh với chất nền, khả hấp thụ tăng 31 cường chí đạt hấp thụ hoàn hảo Tại thời điểm mà trở kháng cấu trúc siêu vật liệu khớp với trở kháng không gian tự (𝑍 (Ω) = 𝑍𝑜 (ω)) Bên cạnh đó, việc lựa chọn vật liệu điện mơi kích thước hình học phụ thuộc vào dải tần số sóng điện từ Điều vật liệu điện mơi có mặt tích cực tiêu cực bước sóng quan tâm phụ thuộc vào ứng dụng dự định thực thiết kế Hình 2.6 (a) Cấu trúc hấp thụ đề xuất (b) mặt cắt đứng ô sở hấp thụ đề xuất Trong luận văn này, hấp thụ băng rộng thiết kế sử dụng cấu trúc đa lớp kim loại-điện môi Cấu trúc sở có dạng hình nón cụt tạo từ lớp có kích thước khác (Hình 2.6) Khác với cơng bố trước kích thước hình nón cụt trịn xoay nên khó điều khiển sai khác kích thước lớp Do số lượng lớp cấu trúc đa lớp tương đối lớn chi phí chế tạo tương đối lớn 32 Hình 2.7 Sự phụ thuộc BW vào tham số kích thước sở: (a) số ô sở với t=15 nm, h=30 nm; (b) bề dày lớp kim loại với D=230 nm, h=30 nm; (c) bề dày lớp điện môi với D=230 nm, t=10 nm Vật liệu kim loại điện môi lựa chọn sử dụng thiết kế vàng với độ dẫn điện 4.561×107 Sm-1, lớp điện mơi sử dụng Si có 33 hệ số điện môi 11.9 Tổng số lớp điện môi/kim loại (N) 10 lớp Số lượng lớp phụ thuộc vào độ rộng băng thông hấp thụ cần thiết kế (BW: relative absorption bandwidth) Khi số lượng lớp tăng lên chi phí chế tạo tăng thêm tương ứng Do đó, việc tối ưu thơng số cấu trúc hấp thụ quan trọng Kích thước lớp đất chúng tơi lựa chọn tg = 50 nm Các tham số ô sở tối ưu để đạt hiệu hấp thụ lớn Kích thước mơ được lựa chọn ban đầu đường kính đáy b = 110 nm đường kính đỉnh a = 42.5 nm Để đánh giá khả hấp thụ hấp thụ băng rộng người ta thường đánh giá thông qua hệ số BW, với BW   fU  f L  /  fU  f L  , f U f L tần số biên tần số biên dải tần số hấp thụ có cường độ lớn 90% Các bước tối ưu tham số kích thước sở hấp thụ đề xuất cho hình 2.7 Độ rộng RAB tính tốn với số ô sở D khác bề dày lớp kim loại điện môi giữ nguyên t =15 nm h =30 nm (Figure 2.7(a)) Các giá trị t h mô tối ưu cho chuyền dày lớp thảo mãn điều kiện chế tạo thực tế Kích thước sở tối ưu D=230 nm để đạt giá trị BW cực đại Sau tối ưu số ô sở (D), chiều dày lớp kim loại điện môi mô tối ưu lại với t = 10 nm h = 35 nm, thể Hình 2.7b c Khi đó, bề dày toàn cấu trúc hấp thụ 10×t+10×h+tg, 500nm 2.3 Kết đạt thảo luận 2.3.1 Phổ hấp thụ Hình 2.8 kết mô phổ hấp thụ, phản xạ truyền qua hấp thụ băng rộng mà đề xuất Cường độ hấp thụ đạt lớn 90% toàn dải tần từ 480 nm – 1480 nm, điều cho thấy hấp thụ đề xuất có đặc tính hấp thụ băng siêu rộng Điều đáng ý, với dải tần siêu rộng này, hấp thụ làm việc dải tần ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại gần Dải tần hấp thụ tổng hợp từ 10 đỉnh phổ khác tương ứng 34 với 10 lớp kim loại-điện môi mà thiết kế Giá trị băng thông BW thu đạt tới 102% thể Hình 2.8 Hình Phổ hấp thụ, phản xạ truyền qua hấp thụ siêu vật liệu băng rộng đề xuất 2.3.2 Cơ chế hấp thụ Để hiểu rõ chế hấp thụ hấp thụ đề xuất, khảo sát phân bố điện trường, từ trường dòng điện hấp thụ bước sóng 480, 937 and 1480 nm thể Hình 2.9 Hình 2.10 Tại bước sóng điện trường từ trường phân bố vị trí khác lớp hấp thụ Tại bước sóng 480 nm, điện trường từ trường phân bố lớp hấp thụ Khi tăng bước sóng từ 480 nm đến 1480 nm, vị trí cộng hưởng sóng điện từ thay đổi từ lớp xuống lớp Hình 2.9 Điều cho thấy, với kích thước nhỏ tần số cộng hưởng lớn bước sóng cộng hưởng nhỏ ngược lại Hơn nữa, phân bố dòng điện bề mặt hai phía lớp điện mơi tạo dịng 35 điện vịng có chiều ngược (Hình 2.10), chế hấp thụ tạo chế cộng hưởng từ [1,2] Sự phân bố dòng điện ngược lớp lớp Hình 2.10, hình thành dipole từ song song với điện trường H Điện trường sinh dipole từ có có giá trị cực đại tâm dịng điện vịng quan sát phân bố từ trường cực đại tâm đĩa Hình 2.9 (d-f), điện trường tập trung chủ yếu biên đĩa Hình 2.9 (a-c) Cộng hưởng từ xác định chế hấp thụ cấu trúc hấp thụ đơn lớp [3] Chính vậy, điều khiển kích thước lớp điều khiển tần số hấp thụ tần số xác định, chí với tần số hấp thụ rời rạc hay liên tục với Khi khoảng cách đỉnh phổ đủ gần thu hấp thụ có băng thơng rộng dải tần thiết kế Hơn nữa, tương tác điện tử lớp quan sát thấy Hình 2.9 Chính tương tác đóng góp đáng kể vào cường độ hấp thụ lớn 90% băng thông rộng quan sát [4] 36 Hình 2.9 Sự phân bố điện trường từ trường mặt cắt dọc ô sở (lần lượt từ hàng đến hàng dưới) hấp thụ bước sóng hấp thụ khác phân cực TE (a), (d) 480 nm; (b), (e) 937 nm (c), (f) 1480 nm 37 Hình 2.10 Sự phân bố dịng điện bề mặt mặt cắt dọc ô sở cấu trúc hấp thụ đề xuất bước sóng (a) 480 nm, (b) 937 nm (c) 1480 nm (d) tạo thành điện trường phân bố dịng điện bề mặt có chiều ngược góc tới vng góc với bề mặt hấp thụ phân cực TE 38 2.3.3 Ảnh hưởng góc tới Trong thực tế hấp thụ không làm việc góc tới sóng điện từ vng góc với bề mặt hấp thụ Chính vậy, để ứng dụng hấp thụ thực tế, hấp thụ thiết kế phải trì cường độ hấp thụ lớn góc tới sóng điện từ đủ lớn Để khảo sát ảnh hưởng góc tới sóng điện từ, chúng tơi khảo sát phổ hấp thụ với góc tới khác phân cực TE TM Bộ hấp thụ băng rộng thể hệ số hấp thụ lớn 90% với góc tới lên tới 60° phân cực TE TM thể Hình 2.11 Hình 2.11 Sự phụ thuộc góc tới lên hiệu suất thấp thụ hấp thụ đề xuất với phân cực TE (a c) phân cực TM (b d) Đồ thị (a) (b) phổ màu cho thấy phụ thuộc góc tới đến cường độ hấp thụ hấp thụ Tuy nhiên, số dao động lớn xuất vùng bước sóng ngắn góc tới lớn 60° Điều giải thích sau: Khi góc tới lớn, thành phần trường điện từ ngồi có phương ngược chiều với điện trường nội sinh dòng điện vịng (như Hình 2.10d) giảm Vì vậy, điện trường nội khơng có khả 39 triệt tiêu hết thành phần điện trường ngoài, cường độ hấp thụ bị giảm xuống Mặc dù vậy, cường độ hấp thụ hấp thụ đề xuất có khả hấp thụ lên đến 80% góc tới lên đến 70° Hình 2.12.Sự phụ thuộc góc phân cực lên phổ hấp thụ hấp thụ đề xuất phân cực TE (a c) phân cực TM (b d) góc tới khơng 2.3.4 Ảnh hưởng góc phân cực Bên cạnh ảnh hưởng góc tới, chúng tơi khảo sát ảnh hưởng góc phân cực lên phổ hấp thụ hấp thụ đề xuất góc phân cực 0°, 30°, 60°, 80° 90° phân cực TE TM thể Hình 2.12 Phổ hấp thụ thu gần không đổi với góc phân cực khác phân cực TE TM Nói cách khác, hấp thụ đề xuất có phổ hấp thụ khơng phụ thuộc vào góc phân cực Điều có tính đối xứng cấu trúc hấp thụ đề xuất 40 Bảng 2.1 So sánh hiệu hấp thụ hấp thụ băng rộng đề xuất với hấp thụ băng rộng khác Ref Waveband Bandwidth Number (µm) (%) of layers Average Independent incident angle bandwidth (degree) (%/layer) [5] 0.2 - 2.5 170 22 7.7 [6] - 5.5 59 20 2.9 [7] 0.4 - 2.1 136 27.2 [8] 0.4 - 1.5 116 19.3 [9] 0.3 - 0.8 91 32 2.8 0.48 - 1.48 102 10 10.2 Proposed structure Polarization insensitivity TE TM Below 50 Below 50 (above 90%) (above 90%) Below 60 Below 60 (above 90%) (above 90%) 40 40 (above 90%) (above 90%) N/A N/A 60 60 (above 90%) (above 90%) 60 60 (above 90%) (above 90%) Yes N/A Yes N/A Yes Yes 2.3.5 So sánh đánh giá hiệu hấp thụ đề xuất với hấp thụ băng rộng khác Để đánh giá hiệu hấp thụ băng rộng đề xuất, tiến hành so sánh đánh giá hiệu với hấp thụ băng rộng sử dụng cấu trúc đa lớp cơng bố Các tính chất hấp thụ khoảng bước sóng làm việc, băng thơng BW cho lớp, giá trị góc tới góc phân cực không phụ thuộc vào phổ hấp thụ cho Bảng 2.1.Từ kết thu Bảng 2.1 cho thấy cấu trúc hấp thụ mà đề xuất hấp thụ có cấu trúc nhỏ gọn xét băng thơng BW cho lớp, góc tới rộng khơng phụ thuộc vào góc phân cực So với hấp thụ có cấu trúc tương tự cơng bố cơng trình [5], cấu trúc chúng tơi có băng thơng BW nhỏ hơn, nhiên băng thơng trung bình BW lớp lại lớn 1.33 lần Điều cho thấy cấu trúc chúng tơi đề xuất có tính thực tế 41 2.4 Kết luận chương Trong chương chúng tơi trình bày phần thiết kế mô hấp thụ siêu băng rộng hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại gần dựa cấu trúc đa lớp kim loại - điện môi Hiệu hấp thụ mô phần mềm thương mại CST Kết mô cho thấy hấp thụ đề xuất có cường độ hấp thụ lớn 90% toàn dải tần từ 480nm-1480 nm Cường độ hấp thụ trì với góc tới lên đến 60° phân cực TE TM Cấu trúc thiết kế có hình nón cụt có tính đối xứng cao hấp thụ đề xuất khơng phụ thuộc vào góc phân cực sóng điện từ So với hấp thụ băng rộng sử dụng cấu trúc đa lớp cấu trúc đề xuất hấp thụ nhỏ gọn có hiệu hấp thụ cao, có khả đem vào ứng dụng thực tế thu thập lượng mặt trời… 42 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế mô hấp thụ siêu vật liệu sử dụng cấu trúc đa lớp kim loại - điện mơi hình nón cụt, tham số cấu trúc phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ hấp thụ siêu vật liệu Luận văn thực dựa việc thiết kế mô sử dụng phần mềm thương mại CST Luận văn thu số kết kết luận sau: Đã giới thiệu tổng quan siêu vật liệu tính chất nó, đặc biệt tính chất hấp thụ lý tưởng Đã nghiên cứu thiết kế mô thành công hấp thụ siêu băng rộng dải tần ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại gần phần mềm CST Các tham số cấu trúc tối ưu thông qua phần mềm mô Kết mô đạt cho thấy cường độ hấp thụ hấp thụ siêu vật liệu mà chúng tơi đề xuất có hiệu suất lớn 90% toàn dải tần từ 480 nm 1480 nm Đã nghiên cứu ảnh hưởng phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ hấp thụ siêu băng rộng đề xuất Kết mô cho thấy hấp thụ siêu băng rộng đề xuất không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ tính chất đối xứng cấu trúc Bên cạnh đó, hấp thụ băng rộng siêu vật liệu đề xuất không phụ thuộc vào góc tới góc tới nhỏ 60o Đã giải thích thành cơng chế hấp thụ hấp thụ siêu băng rộng đề xuất cộng hưởng từ thông qua việc khảo sát phân bố điện trường, từ trường dòng điện mặt lớp hấp thụ Đã đánh giá hiệu hấp thụ hấp thụ siêu băng rộng đề xuất với hấp thụ băng rộng khác có cấu trúc đa lớp kim loại - điện môi công bố Kết cho thấy cấu trúc đề xuất nhỏ gọn có hiệu cao, ứng dụng thực tế 43 Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thị Trang, “Nghiên cứu khả điều khiển tần số biên độ cộng hưởng vật liệu biến hóa”, Luận án tiến sỹ khoa học vật liệu, 2017 [2] N I Landy, S Sajuyigbe, J J Mock, D R Smith, and W J Padilla, “Perfect Metamaterial Absorber”, Phys Rev Lett 100, 207402 (2008) [3] D T Viet, N T Hien, P V Tuong, N Q Minh, P T Trang, L N Le, Y P Lee, V D Lam, "Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and broadband absorption” Opt Comm 322, 209 (2014) [4] N T Q Hoa, P H Lam, P D Tung, “Wide-angle and polarizationindependent broadband microwave metamaterial absorber”, Microw Opt Technol Lett 59, 1157 (2017) [5] S Hu, H Yang, X Huang and D Liu, “Metamaterial-based frustum of cones array nanostructure for efficient absorber in the solar spectral band” Appl Phys A 117(3):1375 (2014) [6] Y Cui, K H Fung, J Xu, H Ma, Y Jin, S He and N X Fang, “Ultrabroadband light absorption by a sawtooth anisotropic metamaterial slab” Nano Lett 12(3):1443-1447 (2012) [7] F Ding, Y Jin, B Li, H Cheng, L Mo and S He , “Ultrabroadband strong light absorption based on thin multilayered metamaterials” Laser Photonics Rev 8(6):946-953 (2014) [8] D Wu, Ch Liu, Y Liu, L Yu, Z Yu, L Chen, R Ma and H Ye, “Numerical study of an ultra-broadband near-perfect solar absorber in the visible and nearinfrared region” Opt Lett 42(3):450-453 (2017) [9] S Cao, W Yu, T Wang, Z Xu, C Wang, Y Fu, and Y Liu “Two-dimensional subwavelength meta-nanopillar array for efficient visible light absorption” Appl Phys Lett 102(16): 161109 (2013) 44 ... dạng cấu trúc, kích thước vật liệu chế tạo + Thiết kế hấp thụ sóng điện từ dải tần số ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại gần sử dụng cấu trúc siêu vật liệu Bên cạnh đó, hấp thụ sóng điện từ sử dụng. .. nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: - Bộ hấp thụ sóng điện từ dải tần số ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại gần sử dụng cấu trúc siêu vật liệu + Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu sở lý thuyết siêu vật. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN KHÂM THÀNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG MIỀN ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀ VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU VẬT LIỆU