Luận văn thạc sĩ vật lý: Vật liệu biến hóa EIT hoạt động ở vùng khả kiến

• Tác giả: Nguyễn Thị Việt Ninh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Sơn Tùng
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ hoạt động ở vùng khả kiến
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ

Vật liệu biến hóa là vật liệu nhân tạo có tính chất điện từ vượt trội so với vật liệu tự nhiên. Chúng được thiết kế từ các cấu trúc vi mô có chu kỳ nhỏ hơn bước sóng. Hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa mô phỏng hiện tượng EIT trong vật lý nguyên tử. Hiệu ứng này tạo ra một vùng truyền qua sắc nét trong dải tần số hấp thụ rộng. Nghiên cứu tập trung vào vùng khả kiến với bước sóng từ 380 đến 780 nm. Vật liệu EIT có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ quang học hiện đại.

1.1. Khái niệm và đặc tính cơ bản của vật liệu biến hóa

Vật liệu biến hóa là vật liệu nhân tạo được thiết kế với cấu trúc vi mô đặc biệt để tạo ra các tính chất điện từ không có trong tự nhiên. Các tính chất này bao gồm điện thẩm âm và từ thẩm âm. Vật liệu được chế tạo từ các phần tử cộng hưởng điện và cộng hưởng từ sắp xếp theo chu kỳ. Kích thước đơn nguyên tế nhỏ hơn bước sóng hoạt động. Điều này cho phép vật liệu tương tác với sóng điện từ như môi trường liên tục. Các tính chất hiệu dụng phụ thuộc vào hình học cấu trúc và vật liệu chế tạo.

1.2. Cơ chế hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ trong vật liệu

Hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa mô phỏng hiện tượng EIT trong vật lý nguyên tử. Hiệu ứng xảy ra khi hai dao động cộng hưởng tương tác với nhau qua trường gần. Một dao động có độ suy giảm cao đóng vai trò sáng chế bức xạ. Dao động còn lại có độ suy giảm thấp đóng vai trò sáng chế tối. Sự tương tác này tạo ra một đỉnh truyền qua sắc nét trong vùng hấp thụ rộng. Vùng truyền qua có độ truyền qua cao và độ trễ nhóm lớn. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong lưu trữ ánh sáng và cảm biến quang học.

II. Phân tích các cấu trúc cộng hưởng trong vật liệu biến hóa

Cấu trúc cộng hưởng đóng vai trò quyết định tính chất điện từ của vật liệu biến hóa. Cấu trúc cộng hưởng điện tạo ra điện thẩm âm bằng cách hấp thụ bức xạ điện từ. Các mô hình phổ biến bao gồm lưới dây kim loại và dải kim loại song song. Cấu trúc cộng hưởng từ tạo ra từ thẩm âm thông qua dòng điện cảm ứng tròn. Mô hình vòng đôi đồng trục SRR được Pendry đề xuất năm 1999 là cấu trúc kinh điển. Trong vùng khả kiến, vàng là vật liệu kim loại được sử dụng phổ biến do tính ổn định hóa học. Tuy nhiên, vàng có độ tổn hao tương đối cao trong vùng quang học. Điều này ảnh hưởng đến cường độ hiệu ứng EIT trong vật liệu.

2.1. Cấu trúc cộng hưởng điện và vai trò trong vật liệu biến hóa

Cấu trúc cộng hưởng điện là thành phần cơ bản tạo ra điện thẩm âm cho vật liệu biến hóa. Các cấu trúc này hấp thụ năng lượng điện từ và tạo ra dòng điện cảm ứng. Tại tần số cộng hưởng, điện môi hiệu dụng chuyển sang giá trị âm. Các mô hình truyền thống bao gồm lưới dây kim loại và dải kim loại hình chữ nhật. Dải tần số điện thẩm âm phụ thuộc vào hình học và vật liệu cấu trúc. Vùng điện thẩm âm thường hẹp do bản chất cộng hưởng. Điều này hạn chế dải hoạt động của vật liệu biến hóa đơn đỉnh.

2.2. Cấu trúc cộng hưởng từ và hiện tượng cộng hưởng Plasmon

Cấu trúc cộng hưởng từ tạo ra từ thẩm âm bằng cách kích thích dòng điện cảm ứng tròn. Mô hình SRR gồm hai vòng đồng truc là cấu trúc kinh điển. Khi từ trường biến thiên đặt theo trục SRR sẽ sinh ra lưỡng cực từ cảm ứng. Ở tần số nhỏ hơn tần số cộng hưởng, vật liệu biểu hiện tính thuận từ. Ở tần số lớn hơn, từ thẩm âm xuất hiện. Trong vùng khả kiến, hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt đóng vai trò quan trọng. Các electron tự do trong kim loại dao động cộng hưởng với trường điện từ tới. Hiện tượng này quyết định tính chất quang học của vật liệu biến hóa.

III. Phương pháp thiết kế vật liệu EIT hoạt động ở vùng khả kiến

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng điện từ để thiết kế vật liệu biến hóa EIT. Phần mềm mô phỏng dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian FDTD. Cấu trúc vật liệu gồm hai lớp kim loại vàng và một lớp điện môi SiO2 liên tục. Hiệu ứng EIT được tạo ra bằng cách phá vỡ tính đối xứng của ô cơ sở. Khi cấu trúc bất đối xứng, tương tác trường gần được kích hoạt giữa các phần tử cộng hưởng. Phương pháp tính toán cho phép tối ưu hóa tham số hình học. Kết quả mô phỏng được đánh giá qua phổ truyền qua và bản đồ trường điện từ.

3.1. Thiết kế cấu trúc vật liệu với lớp kim loại và điện môi

Cấu trúc vật liệu EIT được thiết kế gồm ba lớp chính. Lớp trên cùng là các thanh kim loại vàng ngang tạo dao động cộng hưởng sáng chế. Lớp giữa là thanh kim loại vàng dọc đóng vai trò dao động tối. Lớp dưới cùng là điện môi SiO2 liên tục. Khoảng cách giữa các thanh kim loại quyết định cường độ tương tác trường gần. Khi thanh dọc dịch chuyển ra khỏi vị trí trung tâm, tính đối xứng bị phá vỡ. Sự bất đối xứng này kích hoạt hiệu ứng EIT trong vật liệu. Thiết kế đơn giản giúp dễ dàng chế tạo bằng công nghệ lithography.

3.2. Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa tham số cấu trúc

Phương pháp FDTD được sử dụng để mô phỏng tính chất điện từ của vật liệu. Sóng điện từ tới có trường điện phân cực phù hợp để kích thích cộng hưởng. Các tham số hình học được tối ưu hóa bao gồm kích thước thanh kim loại và khoảng cách. Độ dịch chuyển d2 của thanh dọc là tham số quan trọng nhất. Khi d2 tăng từ 0 đến 25 nm, vùng truyền qua mở rộng đáng kể. Tại d2 bằng 25 nm, độ truyền qua cao trên 90% trong dải 163 nm. Phổ truyền qua và bản đồ trường được phân tích để đánh giá hiệu ứng EIT.

IV. Kết quả và ứng dụng của vật liệu biến hóa EIT vùng khả kiến

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng EIT đã được tạo ra thành công trong vật liệu biến hóa. Cấu trúc bất đối xứng kích hoạt tương tác trường gần và sinh ra vùng truyền qua. Độ truyền qua cao trên 90% đạt được trong dải bước sóng rộng. Vùng truyền qua từ 789 nm đến 952 nm bao phủ phần lớn vùng khả kiến. Tuy nhiên, cường độ hiệu ứng EIT còn hạn chế do độ tổn hao của vàng. Sự chênh lệch giữa đỉnh và đáy truyền qua chỉ đạt khoảng 20%. Kết quả mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu quang học chức năng.

4.1. Đánh giá kết quả hiệu ứng EIT trong vật liệu biến hóa

Hiệu ứng EIT được xác nhận qua đỉnh truyền qua sắc nét trong phổ hấp thụ rộng. Khi cấu trúc đối xứng, cộng hưởng yếu với độ truyền qua tại đáy khoảng 63%. Khi phá vỡ đối xứng, tương tác trường gần được kích hoạt mạnh hơn. Độ dịch chuyển d2 càng lớn thì vùng truyền qua càng mở rộng. Tại d2 bằng 25 nm, vùng truyền qua có độ rộng 163 nm với độ truyền qua trên 90%. Tuy nhiên, độ tổn hao cao của vàng trong vùng quang học hạn chế biên độ hiệu ứng. Cần nghiên cứu thêm vật liệu thay thế để cải thiện hiệu suất.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển vật liệu EIT

Vật liệu biến hóa EIT có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ. Ứng dụng cảm biến sinh học với độ nhạy cao dựa trên dịch chuyển tần số cộng hưởng. Thiết bị lưu trữ ánh sáng sử dụng độ trễ nhóm lớn trong vùng truyền qua. Siêu thấu kính quang học vượt qua giới hạn nhiễu xạ truyền thống. Truyền dẫn năng lượng không dây hiệu suất cao trong dải tần số GHz. Hướng phát triển bao gồm sử dụng vật liệu điện môi tổn hao thấp thay thế kim loại. Thiết kế cấu trúc đa tầng để mở rộng dải hoạt động và tăng cường hiệu ứng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Sơn Tùng TS. Nguyễn Thị Hiền THÁI NGUYÊN - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Sơn Tùng và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ VIỆT NINH ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi Sơn Tùng và TS Nguyễn Thị Hiền. Các thầy cô đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Thái nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Lương Thế Vinh nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ quan trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn. 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 văn. HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ VIỆT NINH iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.ii MỤC LỤC.iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. vii MỞ ĐẦU. 1 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN. Tổng quan về vật liệu biến hóa. Ứng dụng của vật liệu biến hóa. Vật liệu hấp thụ. Cảm biến sinh học. Truyền dẫn năng lượng không dây. Siêu thấu kính. Lý thuyết môi trường hiệu dụng. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa. Cấu trúc cộng hưởng điện. Cấu trúc cộng hưởng từ. Vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ. Tình hình nghiên cứu trong nước. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. 25 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp tính toán. Phương pháp mô phỏng. Xử lý và phân tích số liệu. 31 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa trên vật liệu kim loại. Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại hoạt động ở vùng quang học. Nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại ở vùng khả kiến. Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa trên vật liệu điện môi. Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi hoạt động ở vùng quang học. Nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi ở vùng khả kiến. Nghiên cứu khả năng làm chậm ánh sáng và cảm biến của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến.52 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 53 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 55 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục ký hiệu ε : Độ điện thẩm µ : Độ từ thẩm  eff : Độ điện thẩm hiệu dụng  eff : Độ từ thẩm hiệu dụng n : Chiết suất n eff : Chiết suất hiệu dụng Z : Trở kháng R : Độ phản xạ T : Độ truyền qua A : Độ hấp thụ γ : Tần số dập tắt, ωp : Tần số plasma p ( eff ) : Tần số plasma hiệu dụng σ : Độ dẫn của vật liệu C : Điện dung L : Độ tự cảm Q : Điện tích M : Độ hỗ cảm E : Vector điện trường H : Vector từ trường k : Vector sóng tanδ : Hệ số tổn hao của điện môi 2. Danh mục viết tắt FOM : Hệ số phẩm chất SRR : Vòng cộng hưởng có rãnh ERR : Vòng cộng hưởng điện CWP : Cặp dây bị cắt CW : Thanh kim loại bị cắt TE : Sóng phân cực với vector điện trường vi vuông góc với mặt phẳng tới TM : Sóng phân cực với vector từ trường vuông góc với mặt phẳng tới CB : Mô hình dạng kết hợp FN : Mô hình dạng lưới cá DP : Mô hình cặp đĩa hình tròn CDP : Mô hình cặp đĩa hình tròn bị nối tắt DN : Mô hình lưới đĩa hình tròn PIM : Phối hợp trở kháng hoàn toàn : Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng MPA điện từ WPT : Truyền dẫn năng lượng không dây MIW : Sự lan truyền của sóng cảm ứng từ InSb : Indium Antimonide YIG : Yttrium Iron Garnet NPM : Vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm BSA : Bovine Serum Albumin Rh6G : Rhodamine 6G DTTCI : 3,3′-diethylthiatricarbocyanine iodide vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [21]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đặc biệt tại góc phần tư thứ ba, đồng thời hai giá trị µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa. (Trái) a) Cấu trúc ERR, b) Cấu trúc CW và c) Ô cơ sở của MPA dựa trên 2 cấu trúc cộng hưởng cùng với sự phân cực của sóng tới. Hình đính kèm là kết quả mô phỏng độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng tại các giá trị góc tới khác nhau [7]. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần số dao động riêng của phân tử. (a) Bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs. (b) So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số. Chi tiết về các tham số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể được tham khảo trong tài liệu [23]. Mẫu chế tạo vật liệu biến hóa ở a) dạng 3 chiều và b) dạng phẳng [30]. Thí nghiệm hệ WPT đối với bóng đèn 40 W khi. Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính. Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình. (Bên trái) Sự tương tự giữa môi trường đồng nhất của vật liệu tự nhiên được tạo thành từ các nguyên tử và (Bên phải) vật liệu biến hóa được cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và khoảng cách giữa các dây là a. (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số. Độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 S/m [39]. (a) Cấu trúc SRR kép và phân cực của sóng điện từ. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (b) mô hình mạch LC tổng quát cho một ô cơ sở của cấu trúc CWP. Mô hình mạch điện dao động trong trường hợp (c) cộng hưởng từ và (d) cộng hưởng điện [45].16 (a) Cấu hình tương tác với hai chùm phát laser khác nhau trong hiệu ứng EIT lượng tử. (a) Cấu trúc EIT-MM sử dụng tương tác sáng-tối. (a) Cấu trúc EIT-MM sử dụng tương tác sáng-sáng. Cấu hình tương tác của hiệu ứng EIT lượng tử với hai nguồn phát laser khác nhau. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa. Giao diện phần mềm CST (Computer Simulation Technology). a) Thành phần từ trường và điện trường trong cấu trúc mắt lưới (fishnet) tại tần số cộng hưởng. b) Dòng điện trong hai thanh kim loại chứng tỏ vị trí cộng hưởng là cộng hưởng từ. c) Phân bố tiêu tán năng lượng trong cấu trúc đĩa tròn ở bước sóng cộng hưởng [77,78,79]. Cấu trúc ô cơ sở của EIT-MM nhìn theo (a) góc nghiêng, (b) trực diện và (c) mặt bên cạnh. Điện môi SiO2 và kim loại vàng được biểu thị bằng màu xanh dương và màu tím tương ứng. Sóng điện từ chiếu tới được phân cực như trong hình vẽ. Giá trị phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của vàng và SiO2. Cấu trúc ô cơ sở của EIT-MM. Điện môi SiO2 và điện môi Si được biểu thị bằng màu nâu và màu xanh dương tương ứng. Sóng điện từ chiếu tới được phân cực như trong hình vẽ. Giá trị phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của Si và SiO2. Phổ truyền qua của cấu trúc EIT-MM trong trường hợp đối xứng khi d2 = 0 . Phân bố điện trường tại bước sóng cộng hưởng 636 nm. (a) Phổ truyền qua của cấu trúc EIT-MM và (b) độ phẩm chất của đỉnh truyền qua khi d2 thay đổi. Phân bố điện trường lần lượt tại các tần số (a) 471 THz, (b) 481 THz và (c) 495 THz. (a) Sự phụ thuộc của phổ truyền qua và (b) hệ số phẩm chất Q-factor của cấu trúc vào khoảng cách giữa 2 thanh d1. (a) Phổ truyền qua, (b) pha, (c) chiết suất nhất nhóm và (d) độ trễ nhóm của cấu trúc EIT tối ưu. Sự phụ thuộc của (a) phổ truyền qua và (b) tần số của đỉnh truyền qua vào giá trị chiết suất n của môi trường xung quanh. 50 1 MỞ ĐẦU Chúng ta đang sống trong thời đại cách mạng khoa học và công nghệ vật liệu. Ngày nay, nghiên cứu các vật liệu và nguồn năng lượng mới, rẻ hơn và cho hiệu suất cao hơn là một nhiệm vụ cấp thiết. Gần đây, vật liệu biến hóa (metamaterials - MMs), nổi lên là một vật liệu mới có nhiều tiềm năng ứng dụng. MMs là vật liệu nhân tạo được thiết kế để có thể tạo ra các hiệu ứng và tính chất mong muốn.