BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THÀNH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA CỦA VẬT LIỆU META METAMATERIALS Chuyên ngành: Vật liệ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐỖ THÀNH VIỆT
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2015
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Hiếu
PGS TS Vũ Đình Lãm
Phản biện 1: PGS TS Phạm Văn Hội
Phản biện 2: TS Đỗ Trung Kiên
Phản biện 3: PGS TS Đào Ngọc Chiến
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN Tạp chí trong nước
[1] Tung, NT, Viet, DT, Tuong, PV, Lam, VD, Binh, NT and Hoai, PV (2010) Perspective of invisibility using metamaterials Tạp Chí Nghiên Cứu KH & CN Quân Sự, 10, 65
[2] Đỗ Thành Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Lê Văn Quỳnh, Nguyễn Thị Hiền, Lê Thị
Quỳnh et al (2011) Thiết kế và chế tạo vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng viba trên cơ sở metamaterial Kỉ Yếu Hội Nghị Toàn Quốc Lần Thứ 7 về Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu,
TP Hồ Chí Minh
[3] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Le Thi Quynh, and Vu Dinh Lam (2012) Meta-magnetic
cut-wire-pair structures: A numerical study on the dielectric loss Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và
Công Nghệ Quân Sự, 18
[4] Lam V D, Hien N T, Tuan N T, Viet D T, Tung N T, Lee Y P (2012) A broadband and nearly polarization-insensitive metamaterial absorber using multi-ring structure IWAMSN 2012,
Halong, Vietnam
[5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee
Young Pak et al (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking metamaterials
Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, 51, 371–7
[6] Do, TV, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Van Hieu and Vu Dinh Lam (2013)
Nghiên cứu vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba trên cơ sở Metamaterial Tạp chí nghiên cứu KH
& CN Quân sự, Đặc san Vật lí kỹ thuật
Tạp chí nước ngoài
[7] Thuy, VTT, Viet, DT, Hieu, NV, Lee, YP, Lam, VD and Tung, NT (2010) Triple negative
permeability band in plasmon-hybridized cut-wire-pair metamaterials Optics Communications,
283, 4303–6 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2010.06.050
[8] Vu, DL, Pham, VT, Do, TV, Nguyen, TT, Vu, TTT, Le, VH et al (2010) The electromagnetic
response of different metamaterial structures Advances in Natural Sciences: Nanoscience and
Nanotechnology, 1, 045016 http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/1/4/045016
[9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances
supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials Journal of Nonlinear
Optical Physics & Materials, 21, 1250019 http://dx.doi.org/10.1142/S0218863512500191
[10] Tung, NT, Viet, DT, Tung, BS, Hieu, NV, Lievens, P and Lam, VD (2012) Broadband Negative Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials Applied Physics Express, 5, 112001
http://dx.doi.org/10.1063/1.4893719
[11] Do, TV, Bui, ST, Le, VQ, Nguyen, TH, Nguyen, TT, Nguyen, TT et al (2012) Design, fabrication
and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 3, 045014 6262/3/4/045014
http://dx.doi.org/10.1088/2043-[12] Viet, DT, Hien, NT, Tuong, PV, Minh, NQ, Trang, PT, Le, LN et al (2014) Perfect absorber metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption Optics Communications, 322, 209–13
http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2014.02.037
[13] Viet, D T, Hieu, N V, Lam, V D and Tung, N T (2015) Isotropic Metamaterial Absorber Using Cut-wire-pair Structures Applied Physics Express Accepted
Trang 51
A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1 Tính cấp thiết của đề tài
Để phát triển, hội nhập khoa học công nghệ với thế giới, trong điều kiện hiện tại, Việt Nam cần tìm cho mình những ngành nghiên cứu mũi nhọn Trong mỗi ngành nghiên cứu cụ thể như Khoa học Vật liệu, cũng lại cần xác định các hướng nghiên cứu triển vọng, phù hợp với trình độ và điều kiện nghiên cứu trong nước, chiến lược này đóng vai trò then chốt nhằm giúp chúng ta có thể đạt hiệu quả tối đa trong nghiên cứu, phát triển khoa học công nghệ
Vật liệu Meta (Metamaterials) là một hướng nghiên cứu mới chỉ phát triển mạnh từ đầu thế kỷ 21 Tuy nhiên, với các kết quả kỳ thú và tiềm năng sớm được công bố như vật liệu chiết suất âm, tàng hình sóng điện từ, siêu thấu kính, hấp thụ tuyệt đối vật liệu Meta đã và đang tiếp tục được tập trung nghiên cứu sâu rộng
Thêm vào đó, điều kiện nghiên cứu cần thiết của vật liệu Meta tùy thuộc vào vùng tần số hoạt động, chính vì vậy ở những nước có điều kiện nghiên cứu chưa phát triển vẫn có thể triển khai nghiên cứu loại vật liệu này, trong những vùng tần số hoạt động phù hợp
Nhánh nghiên cứu Vật hiệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện
từ thu hút được nhiều sự quan tâm, đặc biệt là cho mục đích quân sự Với khả năng hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới
ở một, vài tần số, vùng tần số định trước, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ có triển vọng ứng dụng trong chế tạo cảm biến, biến đổi năng lượng, và đặc biệt trong quân sự là các ứng
Trang 62
dụng ngụy trang, Radar Cho đến nay, nghiên cứu vật liệu Meta là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới nhưng rất triển vọng
và phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam
2 Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
i) Đưa ra đượcphương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba
ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba
iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta
ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đưa ra những cơ sở vật lý và
cơ chế hoạt động của vật liệu Meta Trình bày các phương pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ chế tạo mẫu vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối trong nghiên cứu, ngụy trang sóng điện từ Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia của các nhà khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu Meta phát triển cảm biến, chuyển đổi năng lượng, radar phục vụ quốc phòng và dân sinh
3 Những đóng góp mới của luận án
(i) Trình bày kiến thức tổng quan về vật liệu Meta Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta nói chung và
Trang 73
vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz nói riêng
(ii) Đưa ra được quy trình chế tạo vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz trên cơ sở công nghệ quang khắc Quy trình này có độ ổn định và cho ra các mẫu có chất lượng tốt
(iii) Đã chế tạo được các mẫu vật liệu Meta có cấu trúc khác nhau Lần đầu tiên, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba được chế tạo thành công ở Việt Nam Kết quả đo đạc cho thấy đạt được hấp thụ gần như hoàn toàn tại tần số xác định
(iv) Đã đưa ra được các cấu trúc nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba Buồng hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba đã nghiên cứu
4 Bố cục của luận án
Luận án gồm 104 trang được chia thành các phần như sau:
Mở đầu 3 trang; Chương 1 Tổng quan 23 trang; Chương 2 Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo gồm 22 trang; Chương 3.Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc MPA gồm
27 trang và 4.MPA hấp thụ dải rộng gồm 12 trang Kết luận và kiến nghị 1 trang Ngoài ra, luận án có 01 bảng; 69 hình vẽ và
đồ thị; 90 tài liệu tham khảo và phần phụ lục
B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
Cấu trúc vật liệu Meta được xem là một loại vật chất nhân tạo, tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn thành phần cấu tạo Cấu trúc vật liệu Meta có rất nhiều ứng dụng kỳ diệu
Trang 84
đã được các nhà khoa học nghiên cứu bằng lý thuyết và chứng minh bằng thực nghiệm như siêu thấu kính, áo khoác tàng hình, bộ lọc tần số antennas, cảm biến sinh học Vật liệu hấp thụ tuyệt đối là một trong nhiều loại vật liệu nhân tạo được nghiên cứu chế tạo trên cơ sở cấu trúc vật liệu Meta, các nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ thuộc dải vi ba có thuận lợi là điều kiện thực nghiệm đơn giản Từ khi Landy đưa ra cấu trúc hấp thụ sóng vi ba đầu tiên năm 2008, nhiều cấu trúc hấp thụ khác đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố Tất
cả các cấu trúc hấp thụ đều có hiệu suất hấp thụ cao và được giải thích về cơ chế hấp thụ
Tuy nhiên, các cấu trúc hấp thụ đã công bố thường rất phức tạp, có nhiều tham số hình học, vì thế rất khó tùy biến để đạt được một đặc tính hấp thụ mong muốn
Trong luận án này, chúng tôi lần đầu tiên nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu Meta ở Việt Nam Kết quả mới của luận
án là đưa ra các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, đo đạc, ít tham
số hình học, vì vậy, dễ tùy biến mà vẫn đảm bảo có được tính hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ thuộc dải sóng vi ba
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta
Vật liệu Meta là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của
nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo Tên tiếng Anh metamaterial thường được sử dụng cho một vật liệu
có tính chất khác thường Thuật ngữ đã được đặt ra vào năm
1999 do Rodger M Walser của Trường Đại học Texas tại Austin Ông đã xác định vật liệu Meta như vật liệu kết hợp
Trang 95
nhân tạo, 1, 2 hoặc ba chiều, cấu trúc tuần hoàn được thiết kế
để tạo ra những đặc tính vật lý không có sẵn trong tự nhiên Vật liệu Meta được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra các tính chất vật lý vĩ mô (chủ yếu là tính chất điện từ) theo ý muốn Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết Sự sắp xếp các cấu trúc
vi mô có thể theo 1 trật tự hoặc hỗn loạn Các cấu trúc "nguyên tử" này có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng, được làm từ kim loại hoặc điện môi, có thể là chất phi từ hoặc sắt từ, và có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng hoạt động
Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số điện môi Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu liên quan chặt chẽ tới hai đại lượng này Nguyên lý cơ bản của vật liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ, từ những cấu trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên Sự truyền sóng điện từ trong vật liệu Meta, do đó cũng
có thể dự đoán, thiết kế trước và điều chỉnh theo ý muốn Hiện nay nghiên cứu về vật liệu đã mở rộng ra nhiều dải tần của sóng điện từ và sóng âm
1.2 Ứng dụng của Vật liệu Meta
Việc ra đời của vật liệu Meta hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống Sự linh hoạt của vật liệu này làm nó trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin,
Trang 106
cảm biến, các thiết bị quang học Sự thú vị thực sự của vật liệu Meta nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi Pendry được trình bày trong Hình
1 Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã được Zhang
và các cộng sự chế tạo thành công
Hình 1 Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên
vật liệu Meta
Một ứng dụng khác là lớp vỏ “tàng hình” Khi chúng ta nhìn mặt đường mùa hè vào ngày nắng gắt, từ một khoảng cách thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước” lung linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường Hiện tượng này được gây ra do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số lớn trong vùng không khí mát hơn phía trên đến trị số nhỏ hơn trong vùng không khí nóng tiếp giáp với mặt đường Sự thay đổi chiết suất sẽ làm uốn cong đường đi của ánh sáng Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu Meta có sự thay đổi chiết suất làm uốn cong đường đi của sóng điện từ
Trang 117
xung quanh một vật thể Vì không có sự phản xạ sóng từ vật nên đối với người quan sát vật này là “tàng hình” Như vậy, vật liệu Meta không những có thể có chiết suất âm mà còn là một tập hợp của những mảnh khảm (mosaic) quang học mang từng trị số chiết suất khác nhau làm uốn cong đường đi của sóng điện từ
Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith và Pendry phát hiện và kiểm chứng Với ứng dụng này, chúng ta
có quyền nghĩ về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được
"bao phủ" bởi nó, thì không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ Điều này tạo nên đột phá lớn, đặc biệt là trong quân sự Các thí nghiệm của nhóm Smith (Đại học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng nhìn thấy, các thí nghiệm với sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy đang được tập trung nghiên cứu
Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu Meta còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần
số, cộng hưởng, cảm biến sinh học, đặc biệt là tính siêu hấp thụ của loại vật liệu này
1.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial perfect absorber - MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động
Do MPA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng Tại tần
số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều
bị triệt tiêu
Trang 128
MPA thường được cấu tạo gồm 3 lớp: hai lớp kim loại thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc, đồng và xen kẽ là lớp điện môi Tại tần số xác định, MPA hấp thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với các vật liệu được nghiên cứu trước đây (màn Salisbury, lớp Dällenbach .) Ngoài ra, một trong những tính chất hết sức thú vị của MPAs là có khả năng điều chỉnh được vùng tần số hoạt động mong muốn thông qua thay đổi kích thước và lợi thế độ dày nhỏ như đã được chứng minh là 0/40, 0/69
Năm 2008, MPA đầu tiên đã được đề xuất bởi Landy Loại vật liệu này gồm ba lớp, hai lớp kim loại và một lớp điện môi được mô tả trên Hình 2 Vật liệu có độ hấp thụ là A 99% tại tần số 11.65 GHz
Hình 2 MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008
a) Cấu trúc ô cơ sở và phân cực; b) Kết quả mô phỏng
Sau khi phát hiện ra khả năng hấp thụ tuyệt đối của vật liệu Meta Vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn Bằng chứng là các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cấu trúc vật liệu Meta hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện
Trang 139
từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy
Các hướng nghiên cứu hiện nay về vật liệu metamaterial hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra các vùng sóng điện từ như sau: vi sóng (1 GHz–30 GHz: 30 cm–10 mm), vùng sóng milimet (30 GHz–300 GHz: 10 mm–1 mm), vùng THz (300 GHz–10 THz: 1mm–30 m), vùng hồng ngoại giữa (10 THz–100 THz: 30 m–3m), vùng hồng ngoại gần (100 THz–400 THz: 3 m–0.75 m) và vùng khả kiến (400 THz–
800 THz: 750nm–375 nm)
Trong cộng đồng nghiên cứu về vật liệu Meta nói chung, hiện các nhà nghiên cứu đang gặp phải một số khó khăn như: tạo ra cấu trúc ba chiều và tổn hao lớn có sẵn trong các loại vật liệu Tuy nhiên, đối với MPA thì đây lại là lợi thế, độ tổn hao lớn có thể tạo ra vật liệu hấp thụ cao Hiện nay, các nhà khoa học đang tập trung vào một số hướng nghiên cứu như sau:
- Tìm kiếm MPA có cấu trúc đơn giản
- MPA không phụ thuộc phân cực sóng điện từ
- MPA có hấp thụ dải rộng
- MPA tuỳ biến: vật liệu Meta nói chung và MPAs nói riêng, tính chất phụ thuộc rất mạnh vào các thông số cấu trúc Ngoài ra, các tính chất của chúng còn phụ thuộc vào hằng số điện môi và các đặc tính vật lý của lớp điện môi Như vậy, trong trường hợp tác động ngoại vi như nhiệt, điện, quang có thể làm cho đặc tính vật lý của lớp điện môi thay đổi, sẽ dẫn đến các tính chất của vật liệu Meta thay đổi theo
Trang 14Vật liệu Meta được tạo thành bằng cách tổ hợp có trật tự những cấu trúc cơ bản nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động Những cấu trúc này chính là những mạch cộng hưởng điện từ sub-wavelength, có tác dụng tương tác với sóng tới,
và thay đổi tính chất của sóng truyền qua tại tần số cộng hưởng Chính vì vậy, đặc tính điện từ của vật liệu Meta có thể được mô hình hóa thông qua mô hình mạch LC tương đương của các cấu trúc cơ bản này Tần số cộng hưởng và các tính chất dị thường của vật liệu Meta cũng có thể được tiên đoán chính xác dựa trên mô hình mạch tương đương LC Giá trị của L và C có thể được tính toán chính xác thông qua các thông số hình học và tính chất của vòng dây SRR, từ đó tần
số cộng hưởng có thể được tiên đoán trước
2.2 Mô phỏng vật lý
Các đặc tính điện từ như phổ truyền qua, phổ phản xạ, tổn hao điện từ, phân bố năng lượng điện từ, và phân bố dòng điện cảm ứng của các cấu trúc vật liệu Meta được mô phỏng bằng các phần mềm máy tính Các phần mềm chuyên dùng để mô phỏng vật liệu Meta điện từ chủ yếu hiện nay được chia làm hai loại, phần mềm thương mại và các phần mềm tự xây dựng Các phần mềm thương mại như CST Microwave Studio, HFSS
