Khóa Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Đặc Tính Quang Học Của Lớp Graphene

Khóa luận nghiên cứu độ hấp thụ quang của lớp graphene trong vi hốc cộng hưởng, khám phá ứng dụng trong công nghệ quang học hiện đại.

• Tác giả: Lương Hoàng Sang
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Nguyễn Thành Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Độ Hấp Thụ Quang Học Của Lớp Graphene Bên Trong Một Vi Hốc Cộng Hưởng
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. GIỚI THIỆU VẬT LIỆU GRAPHENE VÀ TÍNH CHẤT QUANG HỌC
• 1.1. Giới thiệu Graphene là tinh thể nguyên tử hai chiều (2D)
• 1.2. Tính chất quang học
• 2. HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL
• 2.1. Hệ phương trình Maxwell trong môi trường chân không
• 2.2. Hệ phương trình Maxwell trong môi trường vật chất
• 2.3. Nghiệm phương trình Maxwell cho sóng phẳng
• 3. MAXWELL'S STRESS TENSOR VÀ LỰC BỨC XẠ
• 3.1. Lực Lorentz và mật độ lực Lorentz
• 3.2. Định luật bảo toàn động lượng tuyến tính
• 3.3. Áp suất bức xạ của điện trường
• 4. SỰ HẤP THỤ QUANG HỌC CỦA LỚP GRAPHENE
• 4.1. Sự hấp thụ quang học của lớp graphene trong chân không
• 4.2. Sự hấp thụ quang của lớp graphene bên trong vi hốc cộng hưởng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đặc tính quang học của graphene trong vi hốc cộng hưởng

Graphene, một vật liệu 2D nổi bật, đã thu hút sự chú ý lớn từ giới nghiên cứu nhờ vào các đặc tính quang học độc đáo của nó. Đặc biệt, khả năng hấp thụ ánh sáng của graphene chỉ đạt khoảng 2.3% trong miền ánh sáng khả kiến. Điều này đặt ra thách thức lớn cho việc ứng dụng graphene trong các thiết bị quang học. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc khảo sát đặc tính quang học của lớp graphene trong cấu trúc vi hốc cộng hưởng, nhằm tìm ra phương pháp tăng cường độ hấp thụ quang học của nó.

1.1. Tổng quan về graphene và ứng dụng quang học

Graphene được phát hiện vào năm 2004 và nhanh chóng trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất. Với độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, graphene có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực như cảm biến quang học và pin mặt trời. Tuy nhiên, độ hấp thụ quang học của nó vẫn là một vấn đề cần giải quyết.

1.2. Tính chất quang học của graphene

Graphene có khả năng hấp thụ ánh sáng rất thấp, chỉ khoảng 2.3%. Mặc dù điều này có vẻ không ấn tượng, nhưng với các cấu trúc vi hốc cộng hưởng, khả năng hấp thụ có thể được cải thiện đáng kể. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang học của graphene.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu graphene quang học

Mặc dù graphene có nhiều ưu điểm, nhưng việc tăng cường độ hấp thụ quang học vẫn là một thách thức lớn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng độ hấp thụ quang học của graphene có thể được cải thiện bằng cách thay đổi cấu trúc và môi trường xung quanh. Tuy nhiên, việc thực hiện điều này trong thực tế gặp nhiều khó khăn.

2.1. Những hạn chế trong độ hấp thụ quang học của graphene

Độ hấp thụ quang học thấp của graphene là một trong những hạn chế lớn nhất trong việc ứng dụng của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng số lớp graphene có thể cải thiện độ hấp thụ, nhưng vẫn chưa đủ cho các ứng dụng thực tế.

2.2. Thách thức trong việc thiết kế cấu trúc vi hốc cộng hưởng

Thiết kế cấu trúc vi hốc cộng hưởng để tối ưu hóa độ hấp thụ quang học của graphene là một thách thức phức tạp. Cần phải cân nhắc nhiều yếu tố như tỉ lệ chiết suất và khoảng cách giữa các lớp vật liệu để đạt được hiệu quả tối ưu.

III. Phương pháp nghiên cứu đặc tính quang học của graphene

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp ma trận chuyển đời (Transfer Matrix Method) để tính toán độ hấp thụ quang học của lớp graphene trong vi hốc cộng hưởng. Phương pháp này cho phép khảo sát sự phân bố điện trường và độ hấp thụ quang của graphene trong các cấu trúc phức tạp.

3.1. Phương pháp ma trận chuyển đời

Phương pháp ma trận chuyển đời là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu quang học. Nó cho phép tính toán độ hấp thụ quang học của các lớp vật liệu mỏng một cách chính xác, từ đó giúp tối ưu hóa cấu trúc vi hốc cộng hưởng.

3.2. Khảo sát điện trường trong vi hốc cộng hưởng

Khảo sát điện trường trong vi hốc cộng hưởng là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Việc phân tích sự phân bố điện trường giúp hiểu rõ hơn về cách mà graphene tương tác với ánh sáng và từ đó cải thiện độ hấp thụ quang học.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của graphene

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng độ hấp thụ quang học của graphene có thể được cải thiện đáng kể khi được đặt trong vi hốc cộng hưởng. Các mô hình tính toán cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc có thể dẫn đến độ hấp thụ lên đến 50%. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các thiết bị quang học.

4.1. Kết quả tính toán độ hấp thụ quang học

Kết quả tính toán cho thấy rằng độ hấp thụ quang học của graphene có thể tăng lên đáng kể khi được đặt trong cấu trúc vi hốc cộng hưởng. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa cấu trúc là rất quan trọng.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ quang học

Với độ hấp thụ quang học được cải thiện, graphene có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến quang học, pin mặt trời và các thiết bị quang học khác. Điều này mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển vật liệu graphene.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của nghiên cứu graphene

Nghiên cứu về đặc tính quang học của graphene trong vi hốc cộng hưởng đã chỉ ra rằng có nhiều tiềm năng để cải thiện độ hấp thụ quang học của nó. Hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tìm kiếm các vật liệu kết hợp mới để nâng cao hiệu suất quang học.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng việc đặt graphene trong vi hốc cộng hưởng có thể cải thiện đáng kể độ hấp thụ quang học. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các cấu trúc mới và tối ưu hóa các điều kiện môi trường để đạt được hiệu suất quang học tốt nhất cho graphene.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC TEN DE TÀI: Bộ môn: Vật Ly Dai Cuong SV thuc hién: Luong Hoang Sang Lớp, khoa: 43.B, Vat Lý Ngảnh học: Sư phạm Vật Lý Giảng viên hướng din: PGS. Phạm Nguyễn Thành Vinh Khoa Vật lý, Đại học Sư phạm Thanh phố Hỗ Chi Minh Thành phố Hỗ Chí Minh, 05/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP ĐẠI HỌC TEN DE TÀI: DO HAP THU QUANG HOC CUA LOP GRAPHENE BEN TRONG MOT VI HOC CONG HUONG Bộ môn: Vat Lý Dai Cương SV thực hiện: Lương Hoàng Sang Lớp, khoa: 43.B, Vật Lý Ngành học: Sư phạm Vật Lự Giảng viên hướng din: PGS. Phạm Nguyễn Thành Vinh Khoa Vật lý, Đại hoc Sư phạm Thanh phó Hỗ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, 05/2021 Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 05 năm 2021 Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn PGS. Phạm Nguyễn Thành Vinh Tp. Hồ Chi Minh, ngày 13 tháng 05 năm 2021 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng ThS. Lý Duy Nhat LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. Phạm Nguyễn Thành Vinh, khoa Vật lý — Trường Đại học Sư phạm Thành pho Hồ Chí Minh và TS. Nguyễn Duy Vỹ, Viện tiên tiến khoa học vật liệu (AIMaS) - Trường Đại học Tôn Đức Thắng, đã hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi học tập và thực hiện khóa luận này. Tôi xin được cảm ơn những kiến thức Vật lý, những kỹ năng can thiết cho công việc nghiên cứu và những bai học quý giá trong cuộc sông mà các Thay đã truyền đạt cho tôi. Xin cảm on sự giúp đỡ. những lời động viên, khích lệ tỉnh thần mà các Thây đã dành cho bản thân tôi để tôi có thé hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình. Tiếp theo, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến ThS. Lê Trí Đạt, Viện tiên tiến khoa học vật liệu (AIMaS) — Trường Dai học Tôn Đức Thắng, đã hướng dẫn tôi tiếp cận với Mathematica và lập trình Python dé phục vụ cho khóa luận tốt nghiệp. Bên cạnh đó, những nhận xét, góp ý của anh đã góp phan cho tôi hoàn thành hoàn chỉnh và đảm bảo tính chính xác về mặt khoa học của khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô khoa Vật lý — Trường Đại học Sư phạm Thành phô H6 Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kinh nghiệm quý giá dé tôi có được nên tảng kiến thức vững chắc dé hoàn thành khóa luận cũng như có được hành trang tốt nhất sau bốn năm đại học, phục vụ cho công việc tương lai. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cả vật chất cũng như tinh than để tôi có thé yên tâm, tập trung học tập tốt. Xin cảm ơn các thành viên AMO Group, quý anh chi, các bạn gần xa đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi trên suốt quãng đường đại học.HCM, ngày 22 tháng 04 năm 2021 Sinh viên Lương Hoàng Sang Danh sách hình: vẽ. cọ TH HH HH HH HH THỌ TH HH TH. H000 100010008806 Hi Mũ ĐỒ hoc tongg00611011000100110030100000131038330603343838308003381488336803261883838633348388003803448588801GG3H433 1 Ì. ae CRAG Ee koaigotontoitoiioiiiitgiit0011001100310330133330316333638663631680366034303660346138605883. Giới thiệu vật liệu graphene và tính chất quang học . Hệ phương trình MaxwclÌ. Nghiệm phương trình Maxwell cho sóng phang. Maxwell’s stress tensor và lực bức Xạ. Sự hap thụ quang học của lớp graphene trong không khí. Phương pháp ma trận chuyền đời (Transfer matrix method). Ma trận chuyển giao (Transmission matriX). Ma trận truyền (Propagation matriX). Ma trận chuyên đời cho đa lớp graphene (Transfer matrix for multi — 18V/EF,(BPTHDIHCIIE)L422:2522321415412315132153512233923335533E333525385335283314912131143384233352126523? 29 2. Ma tran tán xa (Scattering IafflX). Sự hap thụ quang của lớp graphene đơn. Độ hap thụ quang cúa lớp graphene bên trong vi hốc cộng hưởng. Độ hấp thu quang của vi hốc cộng HUONG . Độ hap thụ quang của lớp graphene đặt trong vi hốc cộng hưởng . Khảo sát điện trường các miễn trong vi hdc cộng hưởng.39 Kết luận và hướng phát triỄn .«-s<Svx hy thay kettserksrksrrkerkesrserke 42 Tài liệu tham khảO. cọ HT Họ THỦ TH TH TH Họ TT 0 00 990084806 43 il Danh sách hình vẽ Trang Hình 1. Cấu trúc graphene gồm cúc nguyên tử carbon được sắp xếp thành mang lục giác với khoảng cách C — C là 0. Các dạng thù hình của carbon. Mô hình vi hốc cộng hưởng tạo bởi hai lớp vật liệu bằng vàng. Sóng phăng truyền theo phương x. Sơ đồ mô phóng dé tính áp suất bức xạ tác dụng lên bản vật liệu hình chữ nhật màu xám từ điện trường E,. Hình vẽ mô phỏng các thành phân vector trưởng của sóng phân cực s và phân cực p khi sóng phăng truyền tới mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác nhau. Hình vẽ mô phỏng các thành phan vector trường của sóng phân cực s khi sóng phẳng truyền tới mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác nhau. Hình vẽ mô phỏng các thành phan vector trường của sóng phân cực p khi sóng phang truyền tới mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác nhau. a) Bản graphene đơn lớp đặt giữa hai lớp điện môi có hằng số điện môi lần lượt là £, và £;. Mũi tên đỏ và tím cho biết thành phan ánh sáng tới và phản xạ tương ứng. b) Hệ lớp graphene có mật độ điện mặt ø, (i = I,2,.V) được ngăn cách bởi các lớp điện môi có hằng số điện môi £, (i=1,2,. Khoảng cách giữa các lớp graphene được ký hiệu là đ,. Mô hình vi héc cộng hưởng được tạo bởi 2 lớp vàng có bề day furs fv„¿ đặt cách nhau khoảng f, lớp graphene đơn được đặt tại tâm vi hdc, 33 Hình 11. Độ hap thụ quang của hệ vi hoc cộng hưởng theo khoảng cách f giữa hai lớp vàng. Mô hình vi hốc cộng hưởng. Các thành phan E'”! được biêu diễn bởi các mũi tên màu đỏ ứng với thành phần điện trường tới và các thành phần E'’ được biêu diễn bởi các mũi tên mau xanh ứng với thành phan điện trường phan xạ trong miền (i ). Độ hap thụ quang của vi hốc cộng hưởng, hai lớp vàng va lớp graphene theo khoảng cách giữa hai lớp vàng. Điện trường laser ở các miền trong vi hốc cộng hưởng ứng với khoảng cách giữa hai lớp vàng 240nm; 650nm; 870nm; 1000nm . 40 iv Meo đầu Từ khi được phát kiên vào năm 2004 bởi nhóm tác giả Andre Geim và Konstantin Novoselov tại dai học Manchester [1], graphene đã thu hút được nhiều sự quan tâm từ giới học thuật đến các ngành sản xuất công nghiệp và hiện đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng như lưu trữ năng lượng, pin mặt trời, cảm biên quang học, . Tuy nhiên, có một thực tế rằng độ hap thụ quang của graphene đơn lớp trong miền ánh sáng khả kiến chỉ vào khoảng 2. D6 hấp thụ ánh sáng 2.3% cũng được xem là khá lớn đổi với một bản vật liệu mỏng nhưng vấn chưa đủ cho các ứng dụng thực tế. Do đó, tăng cường độ hấp thụ quang học trên graphene là vấn đề đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Chúng tôi nhận thay rang, việc tăng cường độ hap thụ quang của graphene có ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn. Với những nhận xét như trên, chúng tôi thực hiện dé tài “Độ hap thụ quang học của lớp graphene bên trong một vi hốc cộng hưởng” trong khóa luận tốt nghiệp này nhằm tính toán lý thuyết khả năng tăng cường độ hắp thụ quang của lớp graphene được đặt trong một vi hốc cộng hưởng (giới thiệu ở phan sau) bằng phương pháp ma trận chuyên đời thông qua sử dụng ngôn ngữ lập trình Python. Chúng tôi trình bày khóa luận thành ba phan chính, nội dung từng phan như sau: Phan 1. Cơ sở lý thuyết: Trong phan này chúng tôi giới thiệu sơ lược về graphene và các tinh chất quang học của nó. Bên cạnh đó 1a những tìm hiéu về hệ phương trình Maxwell, nghiệm phương trình Maxwell cho sóng phẳng, Maxwell's stress tensor và lực bức xạ. Sự hấp thụ quang học của lớp graphene trong chân không: Trong phan này chúng tôi trình bày những tìm hiểu về sóng phân cực s, p; phương pháp ma trận chuyển đời (transfer matrix method) cho các bài toán quang học va áp dụng phương pháp ma trận chuyên dời dé tính độ hấp thụ quang của lớp graphene đơn trong không khí. Sự hấp thụ quang của lớp graphene bên trong vi hóc cong hướng: Day là phan chúng tôi trình bày kết quả việc tinh toán lý thuyết khả nang tăng cường độ hap thụ quang của lớp graphene đặt bên trong một vi hoc cộng hưởng bằng phương pháp ma trận chuyên dời. Sau đó chúng tôi kiêm chứng kết qua bằng cách vẽ lại phân bố điện trường trong các miền trong vi hốc cộng hưởng. Kết qua phân bố điện trường cho thấy kết quả tinh toán độ hap thụ quang của lớp graphene bên trong vi hốc cộng hưởng do chúng tôi trình bày trong khóa luận là hợp lý. - Giới thiệu vật liệu graphene và tính chất quang học a) Giới thiệu Graphene là tỉnh thể nguyên tử hai chiều (2D) gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp thành mạng lục giác. Các nguyên tử carbon này liên kết với nhau ở khoảng cách 0.142nm [2], như hình J. Nó có thẻ được bọc lại thành các fulleren 0 chiều (0D), cuộn lại thành các ông nano carbon | chiều (1D) và xếp chồng lên nhau thành graphite 3 chiều (3D) như hình 2. Sự phát hiện graphene của Andre Geim va Konstantin Novoselov tại đại học Manchester năm 2004 đã mang đến giải Nobel vật lý cho họ vào năm 2010 “Cho các thí nghiệm mang tinh đột phá về vật liệu graphene hai chiều” [L]. Graphene cũng được xem như là siêu vật liệu bởi các đặc tính như độ cứng lớn (gấp 200 lần so với thép), khả năng hồi phục cao [2]. điện tích bè mặt lớn (2630m’g ‘) (4). dẫn nhiệt tốt (5000Wm"K’”) [5], độ linh động của điện tử ở nhiệt độ phòng cao 250000 cm’V"'s" với mật độ điện tích 2x10''em? [6], độ truyền quang cao 98% [7]. tính không thấm khí tuyệt vời trong khi chỉ day bằng một nguyên tu, . Những thuộc tinh này đã làm cho nó trở thành một vật liệu hấp dẫn với tiềm năng ứng dụng lớn trong các ngành công nghiệp và thiết bị. PPEL TP b) c) ~ dj Hình 1. Cấu trúc graphene gồm các Hình 2. Các dang thù hình của carbon: nguyên tử carbon được sắp xếp thành a) 2D — graphene mang lục giác với khoảng cách C — C là b) OD - fullerene 0. c) ID- ống nano carbon đ) 3D - graphite. Nguồn tham khảo [2].