THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH BỘ LỌC DỰA TRÊN VẬT LIỆU BIẾN HÓA CHO CẢM BIẾN CO₂

Nguyễn Phồn Hai; Đỗ Khánh Tùng; Bùi Sơn Tùng; Nguyễn Thanh Tùng; Bùi Thị Hoa; Vũ Thị Hồng Hạnh; Đỗ Thùy Chi; Vũ Đình Lãm; Hồ Trường Giang; Phạm Đình Tuân; Bùi Xuân Khuyến

doi:10.34238/tnu-jst.13187

THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH BỘ LỌC DỰA TRÊN VẬT LIỆU BIẾN HÓA CHO CẢM BIẾN CO₂

Thông tin bài báo

Ngày nhận bài: 08/07/25 Ngày hoàn thiện: 14/11/25 Ngày đăng: 14/11/25

Các tác giả

1. Nguyễn Phồn Hai, 1) Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; 2) Học viện Phòng không - Không quân
2. Đỗ Khánh Tùng, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
3. Bùi Sơn Tùng, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
4. Nguyễn Thanh Tùng, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
5. Bùi Thị Hoa, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
6. Vũ Thị Hồng Hạnh, Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên
7. Đỗ Thùy Chi, Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên
8. Vũ Đình Lãm, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
9. Hồ Trường Giang, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
10. Phạm Đình Tuân, Trường Đại học Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội
11. Bùi Xuân Khuyến , 1) Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2) Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tóm tắt

Cảm biến khí hồng ngoại là công nghệ quan trọng trong giám sát môi trường nhờ khả năng phát hiện các loại khí ở nồng độ rất thấp với độ chính xác cao. Tuy nhiên, các hệ thống hồng ngoại không tán sắc truyền thống sử dụng nguồn phát phổ rộng và bộ lọc quang học riêng biệt, dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn và khó tích hợp. Nghiên cứu này đề xuất một bộ lọc quang học dựa trên vật liệu biến hóa, được thiết kế để truyền chọn lọc tại bước sóng hấp thụ đặc trưng của khí CO₂, khoảng 4,26 μm. Bộ lọc đạt độ truyền qua trên 90%, độ rộng phổ tại nửa cực đại khoảng 180 nm. Phân tích lý thuyết cho thấy tỷ lệ suy giảm tín hiệu đạt khoảng 3,8% tại nhiệt độ nguồn phát 573 K, cho thấy khả năng phát hiện khí CO₂ hiệu quả. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng của bộ lọc trong các hệ thống cảm biến khí hồng ngoại nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và độ nhạy cao cho các thiết bị giám sát môi trường hiện đại.

Từ khóa

Vật liệu biến hoá; Truyền qua phổ hẹp; Cảm biến khí hồng ngoại; Bộ lọc quang học chọn lọc; Phát hiện khí CO2

Toàn văn:

PDF

Tài liệu tham khảo

[1] R. Stanley, "Plasmonics in the mid-infrared," Nat. Photonics, vol. 6, pp. 409–411, 2012.

[2] P. Kumar, L. Morawska, C. Martani, G. Biskos, M. Neophytou, S. Di Sabatino, M. Bell, L. Norford, and R. Britter, "The rise of low-cost sensing for managing air pollution in cities," Environ. Int., vol. 75, pp. 199–205, 2015.

[3] J. Hodgkinson and R. P. Tatam, "Optical gas sensing: a review," Meas. Sci. Technol., vol. 24, 2013, Art. no. 012004.

[4] H. A. Nguyen, T. S. Pham, B. S. Tung, B. X. Khuyen, D. T. Le, H. Y. Vu, D. L. Vu, and N. T. Hien, "Metamaterials based on hyperbolic-graphene composite: A pathway from positive to negative refractive index at terahertz," Comput. Mater. Sci., vol. 248, 2025, Art. no. 113574.

[5] K. Fan, R. D. Averitt, and W. J. Padilla, "Active and tunable nanophotonic metamaterials," Nanophotonics, vol. 11, pp. 3769–3803, 2022.

[6] M. Li, H. Xu, X. Yang, H. Xu, P. Liu, L. He, G. Nie, Y. Dong, and Z. Chen, "Tunable plasma-induced transparency of a novel graphene-based metamaterial," Results Phys., vol. 52, 2023, Art. no. 106798.

[7] H. Ou, F. Lu, Z. Xu, and Y.-S. Lin, "Terahertz metamaterial with multiple resonances for biosensing application," Nanomaterials, vol. 10, 2020, Art. no. 1038.

[8] T. C. Do, B. X. Khuyen, B. S. Tung, N. N. Viet, D. T. Ha, V. T. H. Hanh, X. P. Do, D. K. Tung, H. A. Nguyen, and V. D. Lam, "Wide-angle electromagnetic wave absorption via multilayer metamaterial structures," Phys. Scr., vol. 100, 2025, Art. no. 025538.

[9] Y. Qu, Y. Chen, S. Chen, Q. Wu, J. Liu, Z. Yi, and L. Fu, "Research on multi-resonance mechanism to achieve ultra-wideband high absorption of a metamaterial absorber in the UV to MIR range," Chin. J. Phys., vol. 91, pp. 632–643, 2024.

[10] Y. Chen, J. Liang, S. Chen, Z. Yi, L. Fu, and W. Yang, "Bi-directional high-performance metamaterial perfect absorber for solar harvesting and refractive index sensing," Mater. Today Nano, vol. 26, 2024, Art. no. 100487.

[11] R. Bhati and A. K. Malik, "Multiband terahertz metamaterial perfect absorber for microorganisms detection," Sci. Rep., vol. 13, 2023, Art. no. 19685.

[12] W. Gao, F. Chen, and W. Yang, "Temperature and refractive index sensor based on perfect absorber in InSb double rectangular ring resonator metamaterials," Mater. Today Commun., vol. 40, 2024, Art. no. 109461.

[13] H. T. Miyazaki, T. Kasaya, M. Iwanaga, B. Choi, Y. Sugimoto, and K. Sakoda, "Dual-band infrared metasurface thermal emitter for CO₂ sensing," Appl. Phys. Lett., vol. 105, 2014, Art. no. 121107.

[14] B. X. Khuyen, N. V. Ngoc, D. N. Dung, N. P. Hai, N. T. Tung, B. S. Tung, V. D. Lam, H. T. Giang, P. D. Tan, L. Chen, H. Zheng, and Y. P. Lee, "Dual-band infrared metamaterial perfect absorber for narrow-band thermal emitters," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 57, 2024, Art. no. 285501.

[15] B. X. Khuyen, P. D. Tan, B. S. Tung, N. P. Hai, P. D. Tuan, D. X. Phong, D. K. Tung, N. H. Anh, H. T. Giang, N. P. Vinh, N. T. Tung, V. D. Lam, L. Chen, and Y. P. Lee, "Numerical optimization of metamaterial-enhanced infrared emitters for ultra-low power consumption," Photonics, vol. 12, no. 6, 2025, Art. no. 583.

[16] S. Babar and J. H. Weaver, "Optical constants of Cu, Ag, and Au revisited," Appl. Opt., vol. 54, pp. 477–481, 2015.

[17] H. H. Li, "Refractive index of silicon and germanium and its wavelength and temperature derivatives," J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 9, pp. 561–658, 1980.

[18] X. C. Wu, X. Xu, C. Cai, H. Wu, and G. Bi, "Non-polarized and ultra-narrow band filter in MIR based on multilayer metasurface," Heliyon, vol. 9, no. 11, 2023, Art. no. e21303.

[19] H. Tan, J. J. Cadusch, J. Meng, and K. B. Crozier, "Genetic optimization of mid-infrared filters for a machine learning chemical classifier," Opt. Express, vol. 30, no. 11, pp. 18330–18344, 2022.

[20] D. Pitts and L. E. Sissom, Schaum's Outline of Heat Transfer, 2nd ed., New York: McGraw-Hill, 2011.

[21] A. Livingood, J. R. Nolen, T. G. Folland, L. Potechin, G. Lu, S. Criswell, J.-P. Maria, C. T. Shelton, E. Sachet, and J. D. Caldwell, "Filterless nondispersive infrared sensing using narrowband infrared emitting metamaterials," ACS Photonics, vol. 8, pp. 1477–1486, 2021.

[22] D. Popa, S. Z. Ali, R. Hopper, Y. Dai, and F. Udrea, "Smart CMOS mid-infrared sensor array," Opt. Lett., vol. 44, no. 17, pp. 4111–4114, 2019.

DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.13187

Các bài báo tham chiếu

Hiện tại không có bài báo tham chiếu



Ghi nhớ