Nghiên cứu ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện của siêu vật liệu metamaterials THz

Bài viết làm rõ sự ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện từ của siêu vật liệu metamaterials. Từ đó, một mô hình siêu vật liệu metamaterials với cấu trúc đơn giản tích hợp với graphene được đề xuất cho thấy tiềm năng ứng dụng trong bộ lọc tần số do có khả năng đóng mở sự truyền qua của sóng điện từ ở tần số 1.15 THz bằng điện trường một cách linh hoạt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện của siêu vật liệu metamaterials THz Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GRAPHENE LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SIÊU VẬT LIỆU METAMATERIALS THz Trần Văn Huỳnh1,2,3, Vũ Đình Lãm2, Nguyễn Thanh Tùng3* Tóm tắt: Siêu vật liệu metamaterials hoạt động ở vùng THz có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực bức xạ nhiệt hiệu suất cao, bộ lọc tần số, cảm biến hóa sinh độ nhạy cao, và các kỹ thuật cảm biến phân tử khác. Những nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tìm cách tích hợp siêu vật liệu metamaterials với các vật liệu tiên tiến khác nhằm điều khiển các tính chất đặc biệt của siêu vật liệu metamaterials một cách linh hoạt. Graphene là một trong các vật liệu tiên tiến với tính chất điện thú vị có thể phù hợp với siêu vật liệu metamaterials THz. Trong nghiên cứu này, chúng tôi làm rõ sự ảnh hưởng của graphene lên tính chất điện từ của siêu vật liệu metamaterials. Từ đó, một mô hình siêu vật liệu metamaterials với cấu trúc đơn giản tích hợp với graphene được đề xuất cho thấy tiềm năng ứng dụng trong bộ lọc tần số do có khả năng đóng mở sự truyền qua của sóng điện từ ở tần số 1.15 THz bằng điện trường một cách linh hoạt.Từ khóa: Vật liệu metamaterials; Cộng hưởng điện; Graphene; Tần số THz. 1. GIỚI THIỆU Bức xạ điện từ vùng THz được biết đến với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vựcnhư kỹ thuật phổ phân tích, ảnh sinh học, camera an ninh, thiết bị kiểm soát chất lượngthực phẩm cũng như trong lĩnh vực thông tin liên lạc [1]. Do đó, nghiên cứu về các thiết bịvà vật liệu mới hoạt động trong vùng tần số THz luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt củacác nhà khoa và đã đạt được những kết quả quan trọng. Trong số đó phải kể đến sự khámphá ra một dạng tồn tại mới của carbon là vật graphene [2]. Với bề dày chỉ gồm một lớpnguyên tử, graphene có những tính chất ưu việt như cho độ truyền qua quang học cao, độdẫn điện cao có thể điều khiển bằng thế hóa học, điện trường và các kích thích khác vì thếnó được xem như một trong những vật liệu tiềm năng ứng dụng cao cho công nghệ THz.Cùng với graphene, siêu vật liệu metamaterials cũng là vật liệu nhân tạo với nhiều tínhchất thú vị trong lĩnh vực bức xạ THz. Siêu vật liệu metamaterial với các tính chất điện từđược biến đổi linh hoạt thông qua sự sắp xếp cấu trúc hình học và các đặc tính vật lý củacác vật chất cấu thành [3-6]. Vì vậy, việc kết hợp hai loại vật liệu tiên tiến này với nhau làmột ý tưởng khoa học thú vị và lần đầu tiên đã được thực hiện từ năm 2012 bằng cách thaythế thành phần kim loại trong siêu vật liệu metamaterials bằng graphene [7, 8]. Do khảnăng thay đổi độ dẫn và các đặc tính quang học của graphene bằng các tác động ngoại viđã giúp các tính chất của siêu vật liệu metamaterials trở nên linh hoạt hơn so với các siêuvật liệu sử dụng kim loại truyền thống [9, 10]. Mặt khác, siêu vật liệu sử dụng graphene ởdạng cấu trúc tuần hoàn cũng giúp các tính chất thú vị của graphene trở nên biến hóa hơnso với dạng màng liên tục. Kết hợp giữa màng graphene thông thường với graphene đượccấu trúc hóa trong siêu vật liệu metamaterials cho phép mở rộng khả năng và tận dụng ưuthế của vật liệu graphene trong các tính chất và ứng dụng sử dụng bức xạ THz như siêuthấu kính, gương phản xạ sóng điện từ, thiết bị hấp thụ và phân cực sóng điện từ [11-13].Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày một nghiên cứu mô hình lý thuyết kết hợp vớimô phỏng để làm rõ sự ảnh hưởng của graphene đến tính chất điện từ của một siêu vật liệumetamaterial có cấu trúc hình học đơn giản. 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG2.1. Tính chất điện từ của graphene Trong mô hình này, graphene có thể coi là vật hai chiều với một lớp đơn nguyên tử.196 T. V. Huỳnh, V. Đ. Lãm, N. T. Tùng, “Nghiên cứu ảnh hưởng … metamaterials THz.”Nghiên cứu khoa học công nghệVới cấu trúc dải điện tử không khe hở graphene, độ dẫn là thông số thích hợp nhất để môtả đặc tính điện từ của nó. Do đó, tấm graphene được mô hình hóa bằng độ dẫn bề mặt,liên quan đến dòng điện bề mặt với điện trường tiếp tuyến trong mặt phẳng graphene. Đểnghiên cứu độ dẫn của graphene, tấm graphene được đặt vào một điện trường E  Ex .ihoặc E  E y . j và từ trường B  B0 .k . Mô hình này tạo thành dòng điện bề mặt cảm ứng: J  J x .i  J y . j   xx Ex .i   yx E y . j Hình 1. Kết quả mô phỏng đặc tính truyền qua, phản xạ, hấp thụ, điện môi, từ thẩm theo tần số của màng graphene đơn lớp. Để đơn giản mật độ dòng điện: J   g E , trong đó, độ dẫn của graphene có thể biểudiễn bởi phương trình [14]:  xx   yx  g    ...