Một chất liệu chế tạo từ vài lớp graphene là một tấm chắn hiệu quả trước bức xạ terahertz và bức xạ vi sóng, đồng thời cho ánh sáng khả kiến đi qua. Theo các nhà nghiên cứu ở Mĩ, có thể xử lí kĩ thuật những màng mỏng này để chúng hấp thụ mạnh bức xạ trong một dải phổ điện từ nhất định. Những tấm chắn làm bằng chất liệu này có thể làm giảm sự nhiễu điện từ từ bên ngoài ở những thiết bị điện tử nhạy và đội nghiên cứu khẳng định chất liệu này có thể dùng để chế tạo các bộ lọc và bộ phân cực terahertz. Những dụng cụ như thế có thể hữu ích trong lĩnh vực chụp ảnh terahertz mới xuất hiện.
Mặc dù chỉ dày một nguyên tử, nhưng graphene là một chất hấp thụ mạnh bức xạ điện từ trên một dải rộng bước sóng – nhất là phần hồng ngoại xa và phần terahertz của quang phổ. Tính chất này thật đặc biệt vì các chất liệu thông thường cần dày hàng nghìn nguyên tử mới có tác dụng như thế. Sự hấp thụ cao là kết quả của những tính chất điện tử khác lạ của graphene làm cho các electron của nó chuyển động cực kì nhanh và hành xử giống như những hạt “Dirac” tương đối tính với hầu như không có khối lượng nghỉ.
Phaedon Avouris và các đồng sự tại Trung tâm Nghiên cứu TJ Watson thuộc IBM ở New York vừa chế tạo ra một màng mỏng gồm những lớp xen kẽ graphene và một chất cách điện. Đội khoa học đã chứng minh rằng một màng mỏng chỉ dày năm lớp mỗi chất liệu có thể chặn bức xạ điện từ trong ngưỡng terahertz và vi sóng đến 97,5%, trong khi vẫn trong suốt trước ánh sáng khả kiến.
Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của một ma trận gồm những đĩa graphene/chất cách điện xếp chồng. Ma trận sắp xếp theo một mạng hình tam giác. (Ảnh: Nature Nanotechnology)
Những cái đĩa và dải ruy băng
Ngoài ra, bằng cách tạo ra những màng mỏng chứa những ma trận gồm những cái đĩa hay dải ruy băng graphene nhỏ xíu, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng họ có thể tạo ra những bộ lọc và bộ phân cực terahertz có thể điều chỉnh được. Những cái đĩa và dải ruy băng đó chỉ rộng vài micron và hấp thụ ánh sáng bằng cách giam cầm nó trong những vùng hàng trăm lần nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng bằng cách hấp thụ các plasmon – những dao động tập thể bị lượng tử hóa của các electron bên trong cấu trúc – tương tác mạnh với ánh sáng.
Đội khoa học bắt đầu với việc xếp chồng những tấm graphene lớn xen kẽ với những lớp cách điện mỏng thành một cấu trúc năm lớp. Sau đó, họ sử dụng các kĩ thuật in khắc điện tử để tạo ra những vùng hoa văn kích cỡ 3,6 × 3.6 mm. Cuối cùng, họ đo quang phổ truyền điện từ của mẫu trong vùng terahertz và hồng ngoại sử dụng một quang phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier.
Thành phần chủ động trong một dụng cụ như thế là những lớp graphene, theo giải thích của Hugen Yan, nhà khoa học đứng đầu dự án này, và chính các plasmon trong chất liệu hấp thụ và làm tăng sự phản xạ của bức xạ terahertz và vi sóng. Plasmon là những trạng thái kích thích bị lượng tử hóa của các electron dẫn trong chất liệu. Các plasmon bên trong các đĩa và dải ruy băng dao động với ánh sáng terahertz và, ở những tần số nhất định, hai bên dao động cộng hưởng với nhau “Chính lúc cộng hưởng này là lúc hiệu quả che chắn đạt tới cực đại của nó,” Yan giải thích.
“Có thể dùng graphene làm một chất liệu trong suốt chặn bức xạ terahertz và vi sóng và vì thế giúp ngăn cản sự nhiễu điện từ từ bên ngoài trong các thiết bị điện tử chính xác cao,” ông nói. “Một tấm chắn như vậy còn có thể giúp bảo vệ người ta trước sự bức xạ ở những bước sóng này, chúng nguy hiểm đối với sức khỏe của con người, theo Tổ chức Y tế Thế giới.”
Graphene khắc mẫu còn có thể dùng để chế tạo những bộ lọc và bộ phân cực tần số terahertz dùng trong các ứng dụng quang lượng tử và quang điện tử học, ông nói.
Đội khoa học hiện đang khảo sát các cấu trúc graphene khắc mẫu phản ứng như thế nào trước tần số terahertz dưới điều kiện từ trường ngoài cao. “Chúng tôi cũng sẽ nghiên cứu các dao động plasmon graphene trên một ngưỡng tần số rộng hơn, trong đó có vùng hồng ngoại trung,” Yan nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
