Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials)

Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials) Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu và năng lượng mới. Việc nghiên cứu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn và rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đang là vấn đề cấp thiết.

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)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015

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 liệu điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình khác

NGHIÊN CỨU SINH

ĐỖ THÀNH VIỆT

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS TS Nguyễn Văn Hiếu và PGS TS Vũ Đình Lãm Là những người hướng dẫn, các thầy đã luôn định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành

đề tài nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Tùng, là người đồng đội, người anh em, người đi trước trong lĩnh vực nghiên cứu, đã giúp đỡ, hướng dẫn, sát cánh khi tôi thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Itims đã tạo cơ hội, đào tạo và tạo điều kiện trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự và Viện Vật lý kỹ thuật - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ quan, tạo thuận lợi để tôi thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm siêu cao tần - Viện Radar - Viện Khoa học

và Công nghệ quân sự đã tạo điều kiện, giúp tôi trong đo đạc khảo sát kết quả thực nghiệm của luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn NCS Phạm Văn Tưởng, NCS Bùi Sơn Tùng, NCS Nguyễn Thị Hiền, NCS Phạm Thị Trang và các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ, tương trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm

Tôi xin chân thành cảm ơn NCS Đỗ Đăng Trung, NCS Nguyễn Đức Khoáng và các thành viên nhóm nghiên cứu Gas Sensor - Viện ITIMS – Đại học Bách khoa Hà Nội, đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong thời gian tôi sinh hoạt và nghiên cứu tại nhóm

Luận án này được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài Nafosted 2013.54)

(103.02-Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình mình, các cơ quan, cá nhân, đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này

NGHIÊN CỨU SINH

ĐỖ THÀNH VIỆT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 15

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta 15

1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta 17

1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta 20

1.4 Mô hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta 22

1.5 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ (MPA) 26

1.5.1 Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba 26

1.5.2 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu 31

1.5.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ 34

1.6 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 36

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta 38

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu 38

2.1.1.1 Phương pháp mạch điện tương đương 38

2.1.1.2 Phương pháp mô phỏng 39

2.1.1.3 Phương pháp thực nghiệm 43

2.1.1.4 Phương pháp tính toán 44

2.1.1.5 Phương pháp lý thuyết hiệu dụng 45

2.1.2 Chế tạo MPA 46

2.2 Quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz 49

2.2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu 49

2.2.2 Công nghệ chế tạo 51

2.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu 51

2.2.2.2 Quy trình chế tạo mẫu 52

2.2.3 Phương pháp mô phỏng 50

2.2.4 Phương pháp đo đạc 54

2.2.5 Phương pháp tính toán 55

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA 60

3.1 MPA cấu trúc chữ I 60

3.1.1 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 60

3.1.2 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ - cấu trúc chữ I 67

3.1.3 Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 68

3.2 MPA cấu trúc CW 69

3.2.1 Cấu trúc ô cơ sở 69

3.2.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 69

3.3 MPA cấu trúc dấu cộng 71

3.3.1 Cấu trúc ô cơ sở 71

3.3.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 72

3.3.3 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 73

3.4 MPA cấu trúc đĩa tròn 74

3.4.1 Cấu trúc ô cơ sở 74

3.4.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 74

3.4.3 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ 75

3.4.4 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 79

3.5 MPA cấu trúc vòng tròn 81

3.6 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ 82

3.7 Kết luận 86

CHƯƠNG 4 MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG 87

4.1 Cấu trúc MPA eSRR hai đỉnh hấp thụ 87

4.2 Cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le hấp thụ dải rộng 90

4.3 MPA siêu ô cơ sở 92

4.4 Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động ở vùng tần số GHz 96 4.5 Kết luận 98

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MMs MPA CWP

SRR eSRR

:

:

: : :

metamaterials metamaterial perfect absorber cut-wire pair

split-ring resonator

single electric split-ring resonator

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tham số Drude cho các kim loại thường dùng cho thiết kế [62] 40

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 [9] 16

Hình 1.2 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA [10] 17

Hình 1.3 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, 20

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu Meta [11] 21

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu Meta [13] 21

Hình 1.6 (a) Ô cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim loại hữu hạn; (b) mạch tương đương LC của cấu trúc [28] 23

Hình 1.7 (a) Ô cơ sở CWP và phân cực của sóng điện từ trong trường hợp xảy ra cộng hưởng từ; (b) Phổ truyền qua của vật liệu Meta [29] 24

Hình 1.8 Cấu trúc nối tắt của CWP 25

Hình 1.9 Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số trong cấu trúc CWP 25

Hình 1.10 Mô hình dòng điện tại tần số f m =13.8 GHz và f e = 30.0 GHz 26

Hình 1.11 Phổ bức xạ điện từ và mô hình truyền sóng điện từ trong không gian 27

Hình 2.1 Mô hình mạch cộng hưởng LC tương đương của cấu trúc SRR 38

Hình 2.2 Mô phỏng đáp ứng điện từ của một MPA hồng ngoại [70] 41

Hình 2.3 Các hằng số điện từ tính toán từ thiết kế mô phỏng [70] 41

Hình 2.4 (a) Thành phần điện trường của vòng cộng hưởng điện và thanh kim loại hữu hạn (CW) tại tần số cộng hưởng và các dòng đối song được gây bởi từ trường cảm ứng (b) Cường độ từ trường được tính toán nằm giữa phần tử cộng hưởng phía trên và mặt nền (c) Phân bố tiêu tán năng lượng [70] 42

Hình 2.5 Phổ truyền qua của ba cấu trúc vật liệu Meta: cấu trúc dây dẫn liên tục (continuous wires) cho độ điện thẩm âm, cấu trúc CWP cho độ từ thẩm âm, và cấu trúc kết hợp (combined structure) cho chiết suất âm: (a) Kết quả đo thực nghiệm và (b) kết quả mô phỏng 45

Hình 2.6 Hình ảnh một số MPA khác nhau được chế tạo [10] 48

Hình 2.7 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 49

Hình 2.8 Các cấu trúc biến đổi từ SRR 50

Hình 2.9 Hệ thiết bị chế tạo vật liệu Meta 51

Hình 2.10 Quy trình chế tạo vật liệu Meta 52

Hình 2.11 (a) Vật liệu Meta chế tạo được có < 0 dựa trên cấu trúc CWP, lớp đồng có độ dày 36 µm, lớp điện môi ts = 0.4 mm [85] (b) Mô hình cấu trúc CWP, bề dày lớp đồng là 36 µm, lớp điện môi td = 0.4 mm Ô cơ sở có các tham số cấu trúc: ax = 5 mm; ay = 11 mm; l = 5.5 mm; w = 1 mm; ts = 0.4 mm 53

Hình 2.12 (a) Vật liệu Meta có n < 0 chế tạo được có cấu trúc hình , bề dày lớp đồng là 36 µm, lớp điện môi td = 0.4 mm [86] (b) Cấu trúc của ô cơ sở ax = 4.0 mm, ay = 7.6 mm, ls =5.6 mm, ws = 3.2 mm và wn = 0.8 mm 53 Hình 2.13 Vật liệu chiết suất âm và cấu trúc ô mạng dạng kết hợp ứng với wwire

= wcutwire = 1.0 mm, lcut-wire = 5.5 mm, ax = ay = 7.0 mm, ts = 0.4 mm 54 Hình 2.14 Hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ 55 Hình 3.1 Cấu trúc vòng cộng hưởng kép do Landy đề xuất năm 2008 60 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng phổ phản xạ, phổ truyền qua và phổ hấp thụ của cấu trúc MPA vòng cộng hưởng kép: (a) Mô phỏng và (b) thực nghiệm 61 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng hưởng vào tham số cấu trúc của MPA vòng cộng hưởng kép 62 Hình 3.4 MPA cấu trúc hình chữ I: (a) Các tham số cấu trúc: W = 2 mm; C = 2.5 mm; t = 0.6 mm, ax = 4 mm; ay = 7.2 mm; td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm; (b) ảnh chụp mẫu chữ I 63 Hình 3.5 Kết quả mô phỏng phổ phản xạ, truyền qua và hấp thụ của MPA cấu trúc chữ I 64 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của MPA cấu trúc chữ

I 65 Hình 3.7 Phân bố dòng điện cảm ứng sinh ra tại tần số cộng hưởng của MPA cấu trúc chữ I 65 Hình 3.8 Mô phỏng mật độ tiêu tán năng lượng tại tần số cộng hưởng của: (a) lớp đồng hình chữ I, (b) lớp điện môi ở giữa, (c) lớp đồng phía sau 66 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng hưởng vào các tham số của cấu trúc chữ I 67 Hình 3.10 Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ 68 Hình 3.11 Tiến trình đơn giản hoá cấu trúc MPA 69 Hình 3.12 MPA cấu trúc CW: (a) Các tham số cẩu trúc ax = 5 mm, ay = 11 mm,

l = 5.5 mm, w = 1 mm, t

d = 0.4 mm, t

m = 0.036 mm; (b) Ảnh mẫu chế tạo 69 Hình 3.13 (a) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc CW, mẫu có tham số cấu trúc l = 5.5 mm và w = 1.0 mm; (b) Khảo sát sự phụ thuộc tần số hấp thụ vào tham số l và (c) sự phụ thuộc tần số hấp thụ vào tham số w Các đoạn thẳng biểu diễn độ rộng nửa cực đại của đỉnh hấp thụ [87] 70 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ 71 Hình 3.15 MPA cấu trúc dấu cộng với ax = ay = 8.3 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0

mm 72 Hình 3.16 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc dấu cộng 72

Hình 3.17 MPA cấu trúc dấu cộng với các tham số cấu trúc: a = 8.3 mm, l = 5.5

mm, w = 1 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ, (b) kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ Do tính đối xứng nên φ chỉ khảo sát

từ 0 ÷ 450 73 Hình 3.18 MPA cấu trúc đĩa tròn: (a) ô cơ sở, phân cực sóng điện từ và (b) mẫu chế tạo được, các tham số cấu trúc: a = 12 mm, R = 3 mm, td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm 74 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng của MPA cấu trúc đĩa tròn 75 Hình 3.20 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn 75 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng hưởng vào các tham số cấu trúc 77 Hình 3.22 Mô hình mạch LC tương đương của cấu trúc đĩa tròn 78 Hình 3.23 MPA cấu trúc đĩa tròn với các tham số cấu trúc: R = 3 mm, td = 0.4 mm, a = 12 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực  79 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới θ 80 Hình 3.25 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới ψ 80 Hình 3.26 MPA cấu trúc vòng tròn: (a) Các tham số cấu trúc: a = 8 mm, R = 1.3 mm, td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm; (b) Kết quả mô phỏng 82 Hình 3.27 Phân bố dòng điện cảm ứng tại tần số cộng hưởng của cấu trúc đĩa tròn 83 Hình 3.28 Mô phỏng mật độ tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong (a) lớp đồng đĩa tròn; (b) lớp điện môi; (c) lớp đồng phía sau của cấu trúc 83 Hình 3.29 (a) Phổ hấp thụ ứng với độ dày của đĩa đồng và trở kháng tại độ dày

18 nm; (b) Phân bố năng lượng tiêu hao trên vật liệu Meta 84 Hình 3.30 (a) Phổ hấp thụ ứng với độ tổn hao của thành phần điện môi và trở kháng ứng với độ tổn hao bằng 0.09; (b) Phân bố năng lượng tiêu hao trên vật liệu Meta 85 Hình 4.1 Cấu trúc vòng cộng hưởng điện đơn có rãnh – eSRR: (a) thành phần

cơ sở và các tham số hình học chính của cấu trúc, (b) ô cơ sở và phân cực sóng điện từ, (c) mẫu chế tạo với các tham số: r2 = 2.3 mm, r1 = 2.7 mm, w = 0.2

mm, l = 1.6 mm, d = 0.4 mm, ax = ay = 12 mm 87 Hình 4.2 Kết quả mô phỏng phổ truyền qua, phản xạ và hấp thụ của cấu trúc eSRR 88 Hình 4.3 Kết quả mô phỏng phổ tiêu tán năng lượng trong lớp điện môi cấu trúc eSRR: (a) ở tần số 11.4 GHz và (b) ở tần số 16.1 GHz 88 Hình 4.4 Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc eSRR 89 Hình 4.5 Ô cơ sở cấu trúc MPA hấp thụ dải rộng hai thanh kim loại so le 90 Hình 4.6 Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le 91

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng phổ tiêu tán năng lượng trong lớp điện môi cấu trúc hai thanh kim loại so le: (a) ở tần số 15.28 GHz và (b) ở tần số 15.82 GHz 91 Hình 4.8 MPA có 4 đĩa tròn: (a) cấu trúc ô cơ sở và (b) mẫu chế tạo 92 Hình 4.9 Kết quả nghiên cứu mô phỏng: (a) phổ hấp thụ của cấu trúc có 4 đĩa tròn và (b) từ trường cảm ứng tại các tần số cộng hưởng 93 Hình 4.10 Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc có 4 đĩa tròn 94 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và cấu trúc gồm 9 đĩa tròn 95 Hình 4.12 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 9 đĩa tròn vào góc phân cực 96 Hình 4.13 (a) Buồng hấp thụ 3D được chế tạo từ mẫu MPA cấu trúc dấu cộng; (b) Khảo sát tính chất điện từ buồng hấp thụ 3D ở dải tần 12÷18 GHz 96 Hình 4.14 Kết quả khảo sát phổ phản xạ và truyền qua buồng hấp thụ 3D 97

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu và năng lượng mới Việc nghiên cứu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn và rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đang là vấn đề cấp thiết Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính chất đặc biệt, tốt hơn so với vật liệu tự nhiên, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi Từ đầu năm 2000, vật liệu Meta (metamaterials - viết tắt là MMs) xuất hiện như một hướng nghiên cứu rất tiềm năng trong khoa học vật liệu mới Vật liệu Meta được tạo thành từ sự sắp xếp tuần hoàn của những phần tử cơ bản nhân tạo, được thiết kế với mục đích tạo ra những tính chất điện từ bất thường, không tồn tại trong các vật liệu tự nhiên

Hiện nay có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về vật liệu Meta Hướng nghiên cứu đầu tiên và rộng rãi nhất là vật liệu Meta chiết suất âm (negative refractive metamaterial) Vật liệu Meta chiết suất âm được chế tạo thành công lần đầu tiên năm 2000 bởi Smith và các cộng sự tại trường Đại học Duke (Hoa Kỳ), đã chứng minh sự tồn tại của môi trường chiết suất âm được tiên đoán từ năm 1968 Vật liệu Meta chiết suất âm có nhiều tính chất vật lý thú vị như: tia khúc xạ nằm cùng phía với tia tới, ba véc tơ ( ⃗ ⃗⃗ ⃗ ) của sóng điện từ lan truyền trong môi trường chiết suất âm tạo thành tam diện nghịch (left-handed behavior), véc tơ năng lượng

Poynting và véc tơ sóng ⃗ ngược chiều nhau… Cho tới nay, rất nhiều tính chất đặc biệt khác của vật liệu Meta chiết suất âm được phát hiện và chứng minh bằng thực nghiệm Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu Meta chiết suất

âm là siêu thấu kính (super lens), được đề xuất bởi Pendry vào năm 2000 và sau đó được Zhang và các cộng sự chế tạo thành công năm 2005

Gần đây, một ứng dụng độc đáo khác nữa được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu Meta đó là vật liệu “tàng hình” (electromagnetic cloaking) Vật liệu Meta “tàng hình” được đề xuất và chứng minh tại vùng GHz bởi Schurig và các cộng sự năm 2006 Bằng cách điều chỉnh các tham số điện từ hiệu dụng một cách hợp lý, đường đi của tia sáng trong môi trường vật liệu Meta bị uốn cong theo ý muốn Nhờ đó, vật thể bị giấu bên trong lớp vỏ vật liệu Meta hoàn toàn trở nên

“tàng hình” ở một bước sóng nhất định Ngoài ra, hàng loạt ứng dụng quan trọng khác của vật liệu Meta cũng được các nhà khoa học đề xuất và tập trung đi sâu nghiên cứu, như bộ lọc tần số, bộ cộng hưởng, cảm biến … Vì những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn như vậy, vật liệu Meta ngày càng được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam là một trong những nhóm tiên phong trong nghiên cứu về vật liệu Meta và đã thu được một số kết quả nhất định

Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án tiến sĩ này, chúng tôi tập trung vào một tính chất mới được phát hiện và nghiên cứu của vật liệu Meta trong vài năm gần đây,

đó là vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ Vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ có bản chất vật lý khác biệt, và tính năng vượt trội so với các loại vật liệu hấp thụ truyền thống khác, ví dụ như, tần số hấp thụ được thiết kế và xác định chính xác trước khi chế tạo, hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới, chiều dày vật liệu mỏng, chỉ khoảng 1/10 bước sóng, cơ chế hấp thụ tổng quát có thể ứng dụng từ vùng MHz tới THz…

Mục tiêu của luận án tập trung giải quyết ba vấn đề chính: i) Đưa ra được phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba và 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

Với mục tiêu đó, luận án được chia thành 4 chương như sau Chương I: Tổng quan - giới thiệu chung về vật liệu Meta và sự hấp thụ sóng điện từ sử dụng vật liệu Meta Các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu vật liệu Meta sẽ được giới thiệu và phân tích trong Chương II Chương III trình bày về quy trình tối ưu hóa để tìm kiếm một cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ đơn giản, không phân cực, có thể dễ dàng chế tạo Đặc tính hấp thụ của cấu trúc vật liệu Meta tối ưu được chứng minh làm rõ bằng cách đo đặc tính truyền qua và so sánh với kết quả

mô phỏng Dựa trên cấu trúc tối ưu tìm được, chúng tôi nghiên cứu làm rõ bản chất của các tương tác phức tạp bên trong quá trình hấp thụ, từ đó cải thiện hiệu suất hấp

thụ và mở rộng bề rộng vùng hấp thụ của vật liệu Meta là nội dung Chương IV Các tính chất của cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ sẽ được chứng minh và làm rõ bằng cả phương pháp thực nghiệm và mô phỏng ở vùng tần số GHz

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta

Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định bởi tính chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của những nguyên tử này [5] Ý tưởng về sự tồn tại của những nguyên tử nhân tạo được sắp xếp trong các mạng tinh thể nhân tạo, cho phép con người có thể tạo ra những tính chất mới lạ không tồn tại trong tự nhiên, từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Với sự phát triển của khoa học công nghệ, những “siêu nguyên tử” có những tính chất đặc biệt, được tạo ra bằng cách sắp xếp có chủ ý nhiều nguyên tử cùng hoặc khác loại, đã ra đời từ đầu những năm 80 của thế kỷ trước [33] Một trong những ví dụ điển hình về

sự thành công trong việc tạo ra các tính chất mới của vật liệu bằng cách can thiệp nhân tạo vào mạng tinh thể có thể kể đến ống nano các bon [52] và gần đây là graphene [56]

Tuy nhiên, thú vị hơn cả là sự ra đời của vật liệu điện từ nhân tạo Meta Vật liệu Meta được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là những mạch cộng hưởng điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng mà tại đó các tính chất đặc biệt của vật liệu Meta xuất hiện Bằng cách thay đổi tính chất và mạng tinh thể (quy luật sắp xếp) của các “giả nguyên tử” này một cách đồng thời, các nhà khoa học có thể thu được những tính chất bất thường không tồn tại trong vật liệu tự nhiên Một trong những tính chất thú vị được tìm kiếm đầu tiên của vật liệu Meta là khả năng tạo ra môi trường có chiết suất âm Về mặt lý thuyết, sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm đã được đề xuất vào năm 1968 [79], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ

thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) Tuy nhiên, sau hơn 30 năm kể từ đề

xuất của Veselago, năm 1999, Pendry mới đưa ra mô hình vật liệu có chiết suất âm đầu tiên dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator) [61] Sau

đó năm 2000, Smith và cộng sự lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm (n < 0) bằng vật liệu Meta [65]

Nhưng tính chất khác thường của vật liệu Meta không dừng lại ở đó Nhờ khả năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu Meta có thể được thiết kế để thay

đổi toàn diện tính chất truyền sóng điện từ của môi trường Năm 2006, Pendry một lần nữa thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học khi đưa ra mô hình và chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng điện từ bằng vật liệu Meta tại vùng GHz [64] Gần đây nhất, năm 2008, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện

từ (metamaterial perfect absorber - MPA) đầu tiên đã được đề xuất bởi I Landy Cấu trúc MPA gồm ba lớp: hai lớp kim loại và một lớp điện môi được mô tả trên Hình 1.1 có độ hấp thụ là A  99% tại tần số 11.65 GHz [39]

Hình 1.1 MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 [39]

Khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong cuộc sống và quân sự khiến cho vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn Chỉ trong thời gian ngắn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các cấu trúc vật liệu MPA hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy (Hình 1.2)

Hình 1.2 Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA [83]

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–1 cm), 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–3 m), vùng hồng ngoại gần (100 THz–400 THz:

3  m–0.75  m) và vùng khả kiến (400 THz–800 THz: 750 nm–375 nm)

1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta

Hằng số điện môi ε và độ từ thẩm µ là hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định

sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu Đây là hai tham số đặc trưng của vật liệu trong phương trình tán sắc:

Phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa tần số ω của sóng ánh sáng đơn sắc

và vectơ sóng ⃗ Đối với các vật liệu một chiều đẳng hướng thì phương trình tán sắc ánh sáng (1.1) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản sau:

với:

Từ phương trình (1.2) và (1.3) ta có thể thấy rằng với sự thay đổi một cách đồng

thời dấu của ε và μ sẽ không ảnh hưởng đến mối tương quan giữa n2 và k2 Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có giá trị ε và μ cùng âm, khi đó sẽ dẫn đến những tính chất vật lý kỳ diệu Những tính chất này hoàn toàn khác biệt với tính chất của các vật liệu thông thường khi ε và μ cùng dương

Để hiểu rõ hiệu ứng của loại vật liệu này, thì chúng ta sẽ phân tích bắt đầu từ phương trình Maxwell:

Biểu thức (1.6) rất quan trọng, nó giúp chúng ta hiểu rõ bản chất của vật liệu có

chiết suất âm Nếu cả ε và μ cùng dương, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗⃗ , ⃗ tạo thành một tam

diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải) Trong trường hợp ε và μ đồng thời âm, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗⃗ , ⃗ sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái) Cùng lúc đó, hướng của dòng năng lượng được xác định bởi vectơ Poynting

không phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:

Đối với vật liệu có ε và μ cùng dương, vectơ sóng ⃗ hướng ra từ nguồn phát xạ

(tức là hai vectơ và ⃗ song song với nhau) Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có

ε và μ cùng âm, khi đó vectơ sóng ⃗ hướng vào nguồn phát xạ (hai vectơ ⃗ và đối

xong) Đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa trường hợp vật liệu có ε

và μ cùng âm với trường hợp vật liệu có hai giá trị ε và μ cùng dương

Hình 1.3 biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ Các vật liệu điện môi thông thường có

ε > 0 và μ > 0 cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong vật liệu (góc phần

tư thứ nhất) Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị còn lại dương như ở trong miền không gian góc phần tư thứ hai và thứ tư, khi đó sóng điện

từ nhanh chóng bị dập tắt và không thể lan truyền trong môi trường Trong trường hợp cả ε và μ cùng âm nhưng tích của chúng mang giá trị dương (góc phần tư thứ 3), khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu Môi trường này được gọi là vật liệu chiết suất âm

Hình 1.3 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ,

vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3

1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta

Vật liệu Meta thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ, không xuất hiện trong những vật liệu tồn tại sẵn có trong tự nhiên Chính vì vậy, việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống Sự linh hoạt của vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm ứng, 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 [59] như Hình 1.4 Điểm đặc biệt của thấu kính này là có thể vượt qua giới hạn quang học của các thấu kính cổ điển để cho ảnh hội tụ của hai nguồn sáng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bước sóng Vì thế, độ phân giải sẽ được nâng lên gấp nhiều lần so với các thấu kính quang học truyền thống Năm 2005, siêu thấu kính quang học dựa trên vật liệu Meta đã được Zhang và các cộng sự chứng minh bằng thực nghiệm thành công [23]

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu Meta [59]

Một ứng dụng khác là Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith

và Pendry phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm [64]

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu Meta [60]

Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ vật liệu Meta, đường đi của sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ cong một cách hoàn hảo Theo nguyên lý

đó, lớp vỏ vật liệu Meta có thể dẫn sóng điện từ đi vòng quanh một vật thể, nhờ đó vật thể trở thành “tàng hình” (xem Hình 1.5) 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 [9,40], cộng hưởng [22,58], cảm biến sinh học [41,86], đặc biệt là tính hấp thụ tuyệt đối của loại vật liệu này [21,39,89] Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, kéo theo khả năng chế tạo vật liệu siêu hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo triển vọng ứng dụng vật liệu Meta làm pin mặt trời hiệu suất cao [18,49,82]

Tuy nhiên, để biến khả năng ứng dụng của vật liệu Meta thành những ứng dụng trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách thỏa đáng Trước tiên là bằng cách nào để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn giản, dễ dàng và có tính đối xứng cao, đặc biệt là hoạt động ở vùng tần số THz hay vùng khả kiến Tiếp theo là liên quan đến việc mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu, chế tạo vật liệu không phụ thuộc phân cực sóng điện từ, hay việc điều khiển tính chất của vật liệu bằng các tác động ngoại vi (quang, nhiệt, điện, từ…) cũng đang được các nhà khoa học quan tâm một cách sâu sắc

Ở Việt Nam gần đây, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có những nghiên cứu bước đầu về tính chất điện từ của vật liệu Meta

ở vùng sóng viba và cho thấy những khả năng ứng dụng hết sức thú vị [71,73,76] Vật liệu Meta với tính chất siêu hấp thụ có ưu điểm nổi bật so với các vật liệu hấp thụ thông thường khác Do vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu Meta sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiệt kế, các phòng chắn bức xạ công nghiệp, pin năng lượng…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…)

1.4 Mô hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta

Cho đến nay, sự tương tác của vật liệu Meta với sóng điện từ thường được giải

thích dựa trên mô hình mạch cộng hưởng LC tương đương, được đề xuất bởi Zhou

và cộng sự [90] Từ mô hình này, chúng ta có thể dễ dàng tính được tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng hấp thụ tuyệt đối hay tính chất chiết suất âm của vật liệu

Hình 1.6 (a) Ô cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim loại hữu hạn;

(b) mạch tương đương LC của cấu trúc [90]

Hình 1.6(a) trình bày cấu trúc ô cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim loại hữu hạn (CWP) Sơ đồ mạch điện tương đương được chỉ ra trên Hình 1.6(b)

Ở đây, tụ điện C xuất hiện ở hai đầu của CWP, cuộn cảm L tương ứng với mỗi dây Đối với vật liệu Meta có cấu trúc khác nhau, mô hình mạch cộng hưởng LC tương đương cũng được dùng để giải thích hiện tượng này

Trong trường hợp tổng quát, khi các ô cơ sở được sắp xếp tuần hoàn tạo thành vật liệu Meta, khi đó sẽ xảy ra sự tương tác giữa các ô cơ sở trong vật liệu

Bằng cách tính toán ta có tần số cộng hưởng từ và cộng hưởng điện tương ứng như sau:

Ở đây: l là chiều dài của thanh kim loại,  là hằng số điện môi của lớp điện môi,

là hệ số có giá trị trong [0.2, 0.3], C e là điện dung được sinh ra do hai thanh kim loại cạnh nhau theo phương ⃗ , Le là độ tự cảm được sinh ra bởi thanh kim loại Chi tiết về sự diễn giải biểu thức được đề cập trong tài liệu tham khảo [90]

Một cách gần đúng, tần số cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc như trong biểu thức dưới đây:

√ √ (1.10)

Từ biểu thức (1.10) chúng ta thấy rằng tần số cộng hưởng từ phụ thuộc mạnh vào

các tham số cấu trúc như là: chiều dài thanh kim loại (l), chiều rộng thanh (w), hằng

số điện môi (ε r), Do đó, từ công thức này chúng ta có thể tính toán sơ bộ và sử dụng trong thiết kế, chế tạo các cấu trúc của vật liệu hoạt động ở vùng tấn số mong muốn khác nhau

Khi vật liệu Meta tương tác với sóng điện từ, thường sẽ xảy ra hai loại cộng hưởng khác nhau: cộng hưởng từ và cộng hưởng điện Việc xác định đâu là cộng hưởng từ hay điện là việc làm rất quan trọng và cần thiết Điều này giúp ta hiểu tính chất của vật liệu, cũng như thiết kế và chế tạo dễ dàng

Hình 1.7 (a) Ô cơ sở CWP và phân cực của sóng điện từ trong trường hợp xảy ra cộng

hưởng từ; (b) Phổ truyền qua của vật liệu Meta [53]

Hình 1.7 trình bày kết quả mô phỏng phổ truyền qua của vật liệu Meta có cấu trúc CWP trong hai trường hợp: CWP và CWP bị nối tắt với phân cực sóng điện từ được chỉ ra trên hình vẽ Kết quả cho thấy, đối với trường hợp CWP không bị nối tắt xuất hiện hai tần số khác nhau tại đó sóng điện từ không truyền qua: 13.8 GHz

và 30 GHz Hai tần số này ứng với hai cộng hưởng khác nhau, có thể là cộng hưởng

từ hoặc là cộng hưởng điện

Để xác định tần số nào ứng với cộng hưởng từ hay cộng hưởng điện, các phương pháp khác nhau sau đây thường được sử dụng

* Phương pháp thứ nhất: nối tắt hai đầu của hai thanh kim loại (xem Hình 1.8)

Phổ truyền qua của vật liệu có cấu trúc này được trình bày trên Hình 1.7 (b) (đường không liền nét) Kết quả cho thấy cộng hưởng thứ nhất tại tần số 13.8 GHz

bị triệt tiêu trong khi đó cộng hưởng thứ hai tại 30 GHz vẫn xuất hiện Kết quả này chỉ ra rằng cộng hưởng thứ nhất xuất hiện tại tần số 13.8 GHz chính là cộng hưởng

từ, cộng hưởng còn lại xuất hiện tại tần số 30 GHz là cộng hưởng điện Kết quả này

có thể được giải thích dựa trên mô hình mạch LC tương đương Bản chất của cộng hưởng từ là do tương tác giữa từ trường của sóng tới và từ trường cảm ứng do dòng điện đối song trên hai thanh kim loại Khi nối tắt hai đầu của cấu trúc CWP, dòng

điện đối song và từ trường cảm ứng sẽ bị triệt tiêu

Hình 1.8 Cấu trúc nối tắt của CWP

* Phương pháp thứ hai: Phương pháp truy hồi tham số điện từ

Hình 1.9 trình bày kết quả tính toán sự phụ thuộc độ từ thẩm  của vật liệu vào tần số

Từ Hình 1.9 ta thấy ứng với cấu trúc CWP, độ từ thẩm  có giá trị âm tại tần số khoảng 13.8 GHz Trong khi đó trong trường hợp CWP bị nối tắt, độ từ thẩm > 0 trong toàn bộ dải tần số này Do vậy, cộng hưởng tại tần số 13.8 GHz là cộng hưởng từ

Kết quả này cũng được khẳng định lại bằng mô phỏng phân bố dòng điện bề mặt được trình bày trên Hình 1.10

Hình 1.10 Mô hình dòng điện tại tần số f m =13.8 GHz và f e = 30.0 GHz

Sử dụng mô hình này dòng điện chạy trong cặp dây được kiểm tra tại hai tần số cộng hưởng 13.8 GHz và 30 GHz Từ Hình 1.10 ta thấy, tại tần số 13.8 GHz, dòng điện chạy trong hai dây là ngược chiều Điều này có nghĩa là xuất hiện dòng điện chạy trong cặp dây Dòng điện này sinh ra do từ trường ngoài ⃗⃗ của sóng điện từ được phân cực như chỉ ra trên Hình 1.7 (a), và dẫn đến cộng hưởng từ Tuy nhiên tại tần số 30 GHz, dòng điện chạy trong hai dây lại song song cùng chiều với nhau Đây là kết quả của sự phân bố lại điện tích do điện trường ⃗ được phân cực dọc

theo chiều dài của dây và sinh ra cộng hưởng điện

1.5 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ (MPA)

1.5.1 Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba

Mục này trình bày một cách ngắn gọn nhất về khái niệm, đặc tính và các ứng dụng của sóng vi ba trong khoa học kỹ thuật cũng như trong cuộc sống hằng ngày; những đặc trưng cơ bản của một số vật liệu hấp thụ sóng điện từ, khả năng ứng

fe = 30 GHz

fm = 13.8 GHz

dụng và xu hướng phát triển của mỗi loại vật liệu và các cơ chế hấp thụ cơ bản xảy

ra trong từng loại vật liệu

a Sóng điện từ trong v ng tần số vi ba

Cùng với sự phát triển tiến bộ không ngừng của xã hội, các thiết bị làm việc trong dải sóng siêu cao tần, đặc biệt là dải sóng vi ba có tần số GHz, được ứng dụng phổ biến và rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của khoa học, công nghệ và đời sống Muốn chế tạo được các thiết bị đó thì nhu cầu hiểu biết các khái niệm, quy luật, tính chất, quá trình dao động của sóng điện từ ở dải tần số này trong các môi trường vật chất là rất cần thiết

Sóng vi ba thực chất là một dạng năng lượng điện từ Nó giống như sóng ánh sáng hay sóng radio và nó cũng chiếm một phần phổ điện từ có bước sóng λ nằm trong khoảng từ 1 mm  30 cm (λ = c/f) tương ứng với tần số từ 1  300 GHz (xem hình 1.11)

Hình 1.11 Phổ bức xạ điện từ và mô hình truyền sóng điện từ trong không gian

Sóng vi ba có những đặc tính cơ bản như: khả năng xuyên qua bầu khí quyển của trái đất, có thay đổi ít về công suất truyền và phương truyền; có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thức lớn hơn nhiều so với bước sóng; khoảng tần số cho phép sử dụng rất lớn đáp ứng được lượng truyền thông tin ngày càng nhiều, đặc biệt, ở dải sóng này kích thước của các phần tử và thiết bị có thể so sánh được với chiều dài bước sóng

Nguyên lý hoạt động của các bức xạ vi ba là dựa trên hiện tượng hấp thụ một phần năng lượng điện từ để sinh nhiệt do sự tương tác của điện từ trường với các phân tử vật chất của vật liệu hấp thụ Do đó, sóng vi ba được sử dụng như một sóng mang thông tin hay như một vectơ năng lượng [3] Sự phát nhiệt xảy ra khi nguyên liệu là chất điện môi hoặc vật dẫn Sự hấp thụ năng lượng điện từ phụ thuộc vào độ phân ly δ với tanδ = ε"/ε', trong đó phần thực ε' của hằng số điện môi thể hiện khả năng phân cực dưới tác động của điện trường ngoài, phần ảo ε" của hằng số điện môi là yếu tố tổn hao do tác động của quá trình chuyển năng lượng điện từ thành nhiệt năng

Sóng vi ba có ứng dụng rộng rãi trong đời sống và thường được sử dụng để tiếp

âm các tín hiệu điện thoại có khoảng cách truyền xa, các chương trình truyền hình hay các thông tin máy tính được truyền từ trái đất tới một trạm vệ tinh trong vũ trụ Ngoài ra, chúng ta cũng có thể dùng nó để nhận biết được tốc độ của xe ôtô và các phương tiện giao thông Và gần gũi hơn, sóng vi ba còn có thể được sử dụng như là một nguồn năng lượng trong các thiết bị nấu ăn hàng ngày Sóng vi ba thực sự đã thâm nhập vào đời sống con người, là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn Ưu điểm của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng quay nằm trong vùng vi sóng Ở tần số hoạt động của lò vi sóng là 2.45 GHz (bước sóng 12.2 cm), các phân tử nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng

và chuyển thành dao động nhiệt Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước

để đựng thức ăn trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể của việc nấu nướng bằng vi sóng

Bức xạ vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, xem như được giải phóng ra

từ vụ nổ Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác Một lượng đáng kể thông tin thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt có bước sóng 21 cm tương ứng với tần số 1.42 GHz của các nguyên

tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong không gian

Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các

vi sóng có khả năng hội tụ, chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn

b ật liệu hấp thụ sóng vi ba

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về những loại vật liệu hấp thụ sóng điện vi ba đã được công bố rộng rãi và đưa vào ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong đời sống cũng như trong lĩnh vực quân sự tại không chỉ các nước phát triển mà cả những nước đang phát triển Phần này giới thiệu về một số loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba, cơ chế hấp thụ của chúng

Ph n oại vật iệu hấp thụ sóng vi ba

+ Vật liệu polymer: Là vật liệu mới được nghiên cứu và phát triển trong những

năm gần đây nhờ có kết cấu đa dạng, đặc tính cơ lý-hóa học độc đáo Phức hợp vật liệu polyme dẫn điện với vật liệu vô cơ tổn hao từ hoặc các hạt vật liệu cực nhỏ có thể phát triển thành một loại vật liệu kiểu mới, nhẹ và có khả năng hấp thụ sóng viba trong dải tần số rộng Sản phẩm kết hợp polyme dẫn là Contex, một loại sợi do hãng Milliken & Co, sản xuất từ năm 1990 Sợi được phủ lớp vật liệu polyme dẫn được gọi là Polypyrrole và có thể dệt thành thảm chống tĩnh điện, đã được Mỹ sử dụng cùng với những tấm Card trên máy bay để triệt tiêu năng lượng đến của sóng Radar [2]

+ Vật iệu Chira Chiral là một hiện tượng mà vật thể và ảnh qua gương của nó

không tồn tại tính đối xứng về hình học, không thể sử dụng bất cứ phương pháp nào

để làm cho vật thể và ảnh qua gương của nó tồn tại đối xứng về hình học, cũng như không thể sử dụng bất cứ phương pháp nào để làm cho vật thể và ảnh đối xứng qua gương trùng hợp với nhau Bắt đầu từ năm 1950, các công trình nghiên cứu cho thấy vật liệu Chiral có thể phản xạ hoặc hấp thụ sóng điện từ Đến năm 1980, nghiên cứu đặc tính hấp thụ và phản xạ sóng vi ba của vật liệu Chiral được thực sự

coi trọng [14,35,42,62,78,81] Hiện nay, vật liệu Chiral hấp thụ sóng radar là hỗn hợp vật liệu cơ bản để tạo thành vật liệu phức hợp

 Hệ vật iệu a 1-x Sr x MnO 3

Vật liệu perovskite đã được biết đến với nhiều nghiên cứu trên thế giới, đặc biệt

là hệ vật liệu perovskite LaMnO3 với sự pha tạp các nguyên tố đất hiếm vào vị trí của La hay các nguyên tố kim loại chuyển tiếp vào vị trí của Mn với các nồng độ khác nhau đã thể hiện nhiều tính chất vật lý lý thú Hiện nay, ngoài việc nghiên cứu các tính chất từ của hệ vật liệu La1-xSrxMnO3 (LSMO), đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số vi ba của hệ vật liệu này và đã thu được rất nhiều các kết quả khả quan Tiêu biểu là công bố năm 2013 của nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học & công nghệ Trung Quốc về hệ vật liệu nano La0.6Sr0.4MnO3 được chế tạo bằng phương pháp sol – gel với kích thước hạt hoàn toàn có thể điều khiển bằng việc thay đổi nhiệt độ thiêu kết Theo nghiên cứu này, với các độ dày và kích thước hạt nano khác nhau, khả năng hấp thụ sóng vi ba

trong dải tần số từ 2  18 GHz của các tấm vật liệu hấp thụ LSMO ( x = 0.4 ) cũng khác nhau Giá trị của độ tổn hao phản xạ (RL) tại các đỉnh hấp thụ cộng hưởng của tấm vật liệu LSMO ( x = 0.4 ) dày 1.5 mm đạt giá trị kỷ lục lên đến -64.6 dB tại tần

số 16.4 GHz [36] Một loạt các công bố trước đó trên hệ LSMO với x = 0.3 về khả năng hấp thụ sóng vi ba trong dải tần này cũng đã đưa ra các kết quả khá cao như: công bố của nhóm các nhà khoa học tại Viện Khoa học ứng dụng Đài Loan về khả năng hấp thụ sóng vi ba trong dải tần số từ 6  14 GHz trên hệ LSMO/2CNTs, giá trị RL đạt -22.8 dB tại đỉnh cộng hưởng hấp thụ tương ứng với tần số 9.5 GHz [88]; công bố của một nhóm khoa học khác tại trường đại học Xidian - Trung Quốc trên

hệ LSM (Fe, Co, Ni)O chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, cho kết quả đỉnh hấp thụ cộng hưởng đạt giá trị cao nhất đạt -27.67 dB tại tần số 10.97 GHz [72]; nghiên cứu của R B Yang và cộng sự tại viện Vật lý Hoa Kỳ trên hệ hợp chất LSMO với độ cảm từ âm chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, kết quả chỉ

ra với các độ dày khác nhau từ 1.5 mm đến 2.5 mm thì giá trị độ tổn hao phản xạ trung bình cỡ -10 dB trong một dải tần số có độ rộng 1.5 GHz và tại đỉnh cộng

hưởng hấp thụ đạt cao nhất -23 dB tại tần số 10.5 GHz cho tấm vật liệu LSMO dày 1.5 mm [85]…

Tất cả những kết quả nêu trên cho thấy rằng khả năng hấp thụ sóng vi ba của vật liệu đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu đồng thời hứa hẹn sẽ

mở ra nhiều hướng ứng dụng mới trong khoa học công nghệ và kỹ thuật

1.5.2 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu

Trước khi phân tích các cơ chế hấp thụ của vật liệu, trong phần này luận án sẽ giới thiệu các kỹ thuật khử sóng phản xạ từ bề mặt vật liệu đến thiết bị thu [87] Có thể kể đến các kỹ thuật khử phản xạ sau:

Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo nhiều cơ chế khác nhau nhưng trong thực tế vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói chung, vật liệu hấp thụ sóng vi ba và sóng radar nói riêng chỉ được cấu thành từ 3 vật liệu cơ bản đó là vật liệu dẫn, vật liệu điện môi và vật liệu từ tính Vì vậy, các cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu cũng sẽ được trình bày trên cơ sở các cơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trên và được chúng tôi giới thiệu cụ thể trong phần dưới đây

 Vật iệu dẫn

Cơ chế hấp thụ trong vật liệu dẫn cơ bản là tổn hao xoáy do sự xuất hiện của dòng cảm ứng Foucault khi có sóng điện từ lan truyền trong một vật dẫn điện [63] Điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng Hiệu ứng này được ứng dụng làm các bếp nấu cảm ứng

Công suất tính tổn hao xoáy được tính bằng công thức:

Trong đó: - k là tham số điều chỉnh hình dạng

- f và B P là tần số và cường độ vectơ từ trường của sóng điện từ

- d, , D là kích thước, điện trở suất và khối lượng riêng của vật liệu

Với những vật liệu có kích thước hạt lớn và độ dẫn điện cao thì tổn hao xoáy là khá lớn Còn với các vật liệu kích thước hạt nano, tổn hao xoáy tổng cộng thường

bé, nhưng mật độ (hay hiệu suất) tổn hao lại lớn hơn so với vật liệu khối, và sẽ chỉ gây phản xạ yếu khi kích thước các hạt nhỏ hơn bước sóng  của sóng tới

Các vật liệu hấp thụ sóng viba trên cơ sở tổn hao xoáy thường bao gồm các hạt

kim loại hoặc carbon có độ dẫn điện cao (gọi là chất “nhồi”) được trộn đều trong

một chất mang như polymer, silicon, cao su, sợi vải, … Với kích thước các hạt bé (bé hơn độ thấm sâu skin), các hạt này hấp thụ sóng điện từ hiệu quả, nhưng lại có

hệ số phản xạ thấp Ngoài việc làm cho sóng điện từ phản xạ qua lại nhiều lần giữa các hạt dẫn điện bên trong lớp vật liệu hấp thụ sóng vi ba góp phần tăng cường khả năng hấp thụ do tổn hao tán xạ, các hạt nano kim loại còn hình thành nên vô số các

vi tụ điện trong lòng vật liệu và vì thế nâng cao hằng số điện môi 

 Vật iệu điện môi

Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ thông qua sự phân cực tần số cao của các lưỡng cực điện làm cho các phân tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt do

năng lượng sóng điện từ được hấp thụ, hiện tượng này còn được gọi là đốt nóng

điện môi (dielectric heating) [8,24,70] Đây cũng chính là nguyên tắc hoạt động của

các lò vi sóng

Công suất hấp thụ sóng điện từ của một chất điện môi được tính theo công thức:

Trong đó:

- ” là phần ảo của độ điện thẩm phức của vật liệu

- 0 là độ điện thẩm của môi trường

- f và E là tần số và cường độ điện trường của sóng tới

D k f d B

P   2 P2 2 2 / 6 

- r là độ điện thẩm tương đối và tan là hệ số tổn hao phụ thuộc tần số

Theo điều kiện phối hợp trở kháng với môi trường sóng tới, để khử hiện tượng

phản xạ, vật liệu cần có trở kháng Z = Z0 =  377  Điều kiện này cũng đạt

được khi r = µ r (µ r là độ từ thẩm tương đối, thường bé hơn r trong các chất điện môi) Ngoài ra, để sóng phản xạ tại hai mặt của lớp điện môi tự triệt tiêu lẫn nhau,

ngoài điều kiện phối hợp trở kháng, độ dày lớp điện môi cần phải thỏa mãn d = (2n+1)/4√ ; (n = 0, 1, 2, …)

a) Cơ chế tổn hao từ trễ: Cơ chế tổn hao từ trễ: năng lượng tổn hao từ trễ được

ước tính theo diện tích loop từ trễ ∮ Khi được đặt trong một sóng điện

từ xoay chiều có tần số kích thích f, công suất tổn hao sẽ là ∮ Tuy

nhiên, trong từ trường thấp (H<<Hc), tổn hao từ trễ thường rất bé và gần như bằng 0 khi hệ hạt trong trạng thái siêu thuận từ [17,32]

b) Tổn hao do hiện tượng cộng hưởng sắt từ: cộng hưởng sắt từ (hay còn gọi là

cộng hưởng tự nhiên) xảy ra khi tần số sóng kích thích bằng tần số của moment spin dao động quanh trục dị hướng, với tần số cộng hưởng là một hàm tỷ lệ thuận với

trường dị hướng H A: , trong đó g  2 là hệ số hồi chuyển từ cơ, e

và m là điện tích và khối lượng của điện tử Trở ngại đáng kể nhất của cơ chế này là

điều kiện giới hạn Snoek: , theo đó tại một tần số cộng hưởng f FMR

cố định, độ lớn của độ thẩm từ  (một tham số quyết định mức độ tổn hao) bị hạn

2 2

M

chế bởi giá trị từ độ bão hòa M s (trong công thức trên, ) Do cộng hưởng

sắt từ cũng nằm trong vùng sóng viba, hầu hết các tác giả đều cho rằng đây là cơ chế hấp thụ chính trong các vật liệu MAM/RAM sắt từ [34,66]

c) Cơ chế tổn hao hồi phục: gây ra do sự quay moment từ của hạt nano chống lại

năng lượng dị hướng K u V (K u là hằng số dị hướng, V là thể tích hạt nano) Theo

định luật Neel, thời gian hồi phục của hệ [ ( )] Công suất tổn hao có thể được viết ( ) ( ) , trong đó là độ cảm từ xoay chiều

ảo được biểu diễn ( )  ( ), , và ( ) Trong trường hợp hệ hạt được đặt trong chất lỏng, N sẽ được thay bằng thời gian hồi phục hiệu dụng ( ) do sự có mặt của hồi phục Brown với thời gian hồi phục B Do hiện tượng cộng hưởng, hấp thụ sẽ đạt cực đại tại tần số f

= 1/τ N Ở điều kiện nhiệt độ phòng, K u thường là nhỏ và với các hệ hạt nano có kích

thước bé, chúng ta có thể có k B T>>K u V Khi đó τ Nτ 0 và sẽ nằm trong vùng ~10-9

-10-10 s Đây là điều kiện lý tưởng để vật liệu có hấp thụ cộng hưởng trong vùng tần

số GHz như chúng ta mong đợi Ngoài ra, do τ N phụ thuộc vào cả các tham số như

K u , V, hay tương tác giữa các hạt nano, chúng ta có thể khống chế vùng cộng hưởng

thông các việc điều chỉnh các tham số vật liệu như nồng độ và kích thước của các hạt từ Công suất tổn hao cũng có thể được tăng cường trong các vật liệu có độ từ

thẩm ban đầu µ i và từ độ bão hòa M s cao

1.5.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ

Hấp thụ sóng điện từ có thể được phân chia thành hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có băng thông rộng (broadband absorbers) Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác định 0, ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số 0 là

0

  c với c là vận tốc ánh sáng trong chân không Hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn Vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối 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

m

e g

2 0



 

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

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 MPA 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 [43], 0/69 [44]

Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu MPA trở thành những ứng dụng thực tế, vẫn còn những vấn đề cơ bản cần được giải quyết Một trong những hướng nghiên cứu được các nhà khoa học tập trung giải quyết đó là tìm kiếm những cấu trúc MPA đơn giản Cấu trúc MPA đầu tiên do I Landy đề xuất có độ hấp thụ tốt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi, với độ chính xác dưới 1% Khi áp dụng cấu trúc Landy cho vùng tần số cao, kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu với độ chính xác cao càng trở nên khó khăn Thực tế đã có nhiều đề xuất khác nhau để cải tiến cấu trúc của Landy Một trong những cấu trúc có thể kể đến là cấu trúc dấu cộng kết hợp với mạch cộng hưởng điện do chính Landy đề xuất 1 năm sau đó [38] Cấu trúc này tuy có đơn giản

và dễ chế tạo hơn, nhưng độ hấp thụ lại giảm mạnh từ 99% xuống còn 78% Cấu trúc này sau đó được cải tiến bằng mạch cộng hưởng điện dạng vòng hở kết hợp với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis tại đại học Iowa đề xuất [81] Cấu trúc do Soukoulis đề xuất cho độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng, có khả năng hấp thụ với nhiều góc tới khác nhau, tuy nhiên vẫn đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp Cho tới nay, quá trình tìm kiếm một cấu trúc MPA tối ưu vẫn đang tiếp tục diễn

ra một cách mạnh mẽ trên mọi dải tần số [6,27,30,51,54,68]

Song song với việc tối ưu hóa cấu trúc, việc mở rộng dải tần hấp thụ của các cấu trúc MPA cũng rất được quan tâm [7,19] Cơ chế chủ yếu để mở rộng dải hấp thụ của các cấu trúc MPA là kết hợp nhiều cấu trúc hấp thụ đơn lẻ tại các tần số khác nhau trong một đơn vị cơ bản Một trong những kết quả tiêu biểu có thể kể đến là

vật liệu MPA gồm nhiều cấu trúc vòng cộng hưởng tại các tần số khác nhau do nhóm của Cummer đề xuất năm 2010 [25] Mô hình của Cummer cho độ hấp thụ 99.9% tại 2.4 GHz với độ rộng hấp thụ lên tới 30% Trong một hướng tiếp cận khác

từ các cấu trúc dẫn sóng, nhóm của Luo đã đề xuất sử dụng cấu trúc MPA dạng dải phủ hình vuông cũng cho độ rộng hấp thụ tương đương [50] Ngoài ra, kỹ thuật sử dụng phần từ mạch tập trung (lumped circuit element) cũng được áp dụng để thay đổi trở kháng của mạch cộng hưởng, dẫn tới thay đổi tần số của mạch cộng hưởng

để mở rộng dải hấp thụ [12]

Một trong những nhược điểm của vật liệu MPA khi đưa vào ứng dụng đó là tần

số hấp thụ không thể thay đổi sau khi chế tạo Các thiết bị sử dụng vật liệu MPA sẽ trở nên linh hoạt hơn khi tần số hấp thụ có thể điều khiển bằng các yếu tố ngoại vi như từ trường, điện trường, ánh sáng, nhiệt độ v v… Do đó, trong thời gian gần đây, việc tích hợp các vật liệu biến đổi vào cấu trúc hấp thụ và nghiên cứu các tính chất phi tuyến của vật liệu MPA tích hợp này cũng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm [50,80]

1.6 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Rõ ràng vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối là một đối tượng nghiên cứu có tính chất vật lý thú vị và có định hướng ứng dụng cao Thiết kế, chế tạo, và khảo sát những cấu trúc cơ bản của vật liệu Meta cho phép ta hiểu và quy luật hóa sự thay đổi tính chất hấp thụ và tần số hấp thụ theo các tham số hình học đơn giản Những cấu trúc

cơ bản đơn giản nhưng cho khả năng hấp thụ đặc biệt sẽ trở thành nền tảng để xây dựng và phát triển vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối Với lý do đó, nghiên cứu những đặc tính cơ bản của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối là một trong những bước quan trọng tiến tới những ứng dụng trong tương lai gần

Trong luận án này, chúng tôi tập trung giải quyết ba vấn đề:

Một là thiết lập phương pháp nghiên cứu bao gồm mô phỏng thiết kế, xây dựng

mô hình vật lý, công nghệ chế tạo và đo đạc thực nghiệm vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba Trong khi vật liệu Meta đã phát triển được hơn một thập kỉ thì ở Việt Nam vẫn còn là một lĩnh vực còn mới, chưa có nhiều nhóm nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu chế tạo thực nghiệm Chính vì vậy, việc tìm kiếm và thiết lập một phương

pháp nghiên cứu vật liệu Meta toàn diện, phù hợp với điều kiện và tình hình nghiên cứu của Việt Nam, sẽ có giá trị tham khảo rất lớn cho thực tiễn nghiên cứu về sau Hai là nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ có dạng đơn giản dễ dàng chế tạo ở vùng tần số GHz Quá trình tối ưu hóa cấu trúc được tiến hành một cách hệ thống, thông qua các cấu trúc trung gian Sự hình thành và cơ chế hấp thụ ở mỗi bước tối ưu hóa được giải thích và chứng mình bằng cả phương pháp mô phỏng

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong chương này, luận án trình bày tổng quan các phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta Các phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo cụ thể được sử dụng trong luận án này được trình bày ở phần cuối của chương

2.1 Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta 2.1.1 Phương pháp nghiên cứu

2.1.1.1 Phương pháp mạch điện tương đương

Vật 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 cộng hưởng

LC tương đương của các cấu trúc cơ bản này Tần số cộng hưởng tại đó các tính chất dị thường của siêu vật liệu cũng có thể được tiên đoán chính xác dựa trên mô hình mạch tương đương LC

Hình 2.1 Mô h nh mạch cộng hưởng LC tương đương của cấu tr c SRR

Hình 2.1 biểu diễn mô hình mạch cộng hưởng LC tương đương của cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR) đơn giản ứng với phương truyền sóng vuông góc với mặt phẳng SRR 15 Vòng dây được coi như một cuộn cảm, với tụ điện chính

là khe hẹp giữa hai đầu của vòng dây Khi sóng truyền vuông góc với mặt phẳng SRR, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch LC, gây ra sự cộng hưởng ở tần số nhất định Giá trị của L và C có thể được tính toán chính xác thông qua các thông số