Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)

Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI

GIẢ VẬT LIỆU (METAMATERIALS)

Mã số: ĐH2014-TN07-02

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Hiền

Thái Nguyên, 11/2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI

GIẢ VẬT LIỆU (METAMATERIALS)

Mã số: ĐH2014-TN07-02

Xác nhận của tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

Thái Nguyên, 11/2016

Danh sách các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp chính

1 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Hiền

2 Thành viên đề tài: TS Nguyễn Xuân Ca

3 Đơn vị phối hợp chính: Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢ VẬT LIỆU 3

1.1 Giới thiệu chung về giả vật liệu 3

1.2 Phân loại giả vật liệu 5

1.3 Một số ứng dụng của vật liệu MMs 6

1.3.1 Siêu thấu kính 6

1.3.2 Áo khoác tàng hình 8

1.4 Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba 10

1.4.1.Sóng điện từ trong vùng tần số vi ba 10

1.4.2 Phân loại vâ ̣t liê ̣u hấp thu ̣ sóng vi ba 12

1.4.3 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu 14

1.4.4 MMs hấp thụ sóng điện từ 17

1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 19

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz 21

2.2 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu 21

2.3 Phương pháp mô phỏng 23

2.4 Công nghệ chế tạo 26

2.4.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu 26

2.4.2 Quy trình chế tạo mẫu 27

2.5 Phương pháp đo đạc 30

2.6 Phương pháp tính toán 31

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA 35

3.1 Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc Landy 35

3.2 Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc chữ I 37

3.2.1 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ - cấu trúc chữ I 41

3.2.2 Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 42

3.3 Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc chữ CW 43

3.4 Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc đĩa tròn 45

3.4.1 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 46

3.4.2 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ 47

3.4.3 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 50

3.4.4 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ 52

CHƯƠNG 4: MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG 57

4.1.Cấu trúc MPA eSRR hai đỉnh hấp thụ 57

4.2 Cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le hấp thụ dải rộng 60

4.3 MPA siêu ô cơ sở gồm các cấu trúc đối xứng cao 62

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Đơn vị:Trường Đại học Khoa học

-

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài:Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu

(metamaterials)

- Mã số: ĐH2014-TN07-02

- Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Hiền

- ĐT: 0983650263 Email: hiennt@tnus.edu.vn

- Cơ quan chủ trì đề tài:Trường Đại Học Khoa Học – ĐH Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 01/2014 đến 12/2015

2 Mục tiêu:

1 Xây dựng được chương trình tính toán các tham số hiệu dụng (độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen

2 Tìm kiếm Metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao

3 Tìm kiếm cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broad band)

3 Tính mới và sáng tạo:

- Lần đầu tiên tại Việt Nam đã xây dựng được một chương trình tính toán các tham

số hiệu dụng (độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen

- Tìm kiếm được cấu trúc vật liệu Meta đơn giản và có vùng tần hoạt động ở vùng GHz góp phần sớm đưa vật liệu Meta vào ứng dụng thực tế

4 Kết quả nghiên cứu:

1 Đã xây dựng được chương trình tính toán các tham số hiệu dụng (độ từ thẩm µ,

độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen

2 Đã tìm được Metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao

3 Đã tìm được cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broad band)

5 Sản phẩm:

5.1 Sản phẩm khoa học:

Có 02 bài ISI:

1 Hien N T., Le L N., Trang P T., Tung B S., Viet N D, Duyen P T., Thang

N M., Viet D T., Lee Y P., Lam V D, Tung N T (2015),

“Characterizations of a thermo-tunable broadband fishnet metamaterial at

THz frequencies”, Computational Materials Science 103, pp 189-193

2 VietD T.,Hien N T., TuongP V., MinhN Q., TrangP T., Le L N., LeeY

P., LamV D (2014), “Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and

broadband absorption”,Optics Communications 322, pp 209-213

Có 01 bài đăng trên tạp chí quốc tế khác:

1 Hien N T., TungB S., TuanN T., TungN T., LeeY P., AnN M and

LamV D.(2014), “Metamaterial-based perfect absorber: polarization

insensitivity and broadband”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience

and Nanotechnology 5, pp 025013-025019

Có 03 bài đăng trên tạp chí trong nước:

1 Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Phan Thị Duyên,

Ngô Đức Việt, Lí Nguyên Lê, Vũ Đình Lãm(2014), “Nghiên cúu sự mở rộng vùng tần số có chiết suất âm dựa trên cơ sở mô hình lai hóa plasmon bậc

hai”,Tạp chí Khoa học Công nghệ 52 (3B), tr 45-53

2 Duyen P T, Hien N T., Viet N D.,Tung N T, and Lam V D(2015),

“Decisive role of the dielectric spacer on metamaterial hybridization”, Tạp

chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự 35 (02), tr 106-111

3 Nguyễn Thị Hiền, Vũ Đình Quí, Trịnh Thị Giang, Nguyễn Thanh Tùng và

Vũ Đình Lãm(2016), “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo siêu vật liệu không

phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ”, Tạp chí Khoa học Công nghệ 54 (02),

tr 258-265

Có 01 bài đăng trên kỷ yếu hội nghị:

1 Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Thị Hiền, Đỗ Thành Việt, Phạm Thị Trang và Lê Văn Hồng (2015), “Một số kết quả nghiên cứu về

siêu vật liệu biến hóa Metamaterial tại Viện Khoa học Vật liệu”, Tuyển tập

báo cáo – 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tr 195-214

5.2 Sản phẩm đào tạo:

Có 02 đề tài SVNCKH đã nghiệm thu đạt kết quả tốt:

1 Nguyễn Thị Hương Liên (2014-2015),Nghiên cứu tính chất của giả vật

liệu hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ có cấu trúc dây cắt (cut-wire) Đề tài sinh viên nghiên cứu Khoa học trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

2 Nguyễn Thị Hải (2015-2016),Nghiên cứu tính chất của siêu vậ liệucó

chiết suất âm Đề tài sinh viên nghiên cứu Khoa học trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích của kết quả nghiên cứu:

- Đề tài là một phần kết quả quan trọng trong đề tài NCS của chủ nhiệm đề tài

- Kết quả nghiên cứu của đề tài tạo điều kiện để sinh viên và các cán bộ giảng dạy trong khoa VL&CN được cập nhật với các vấn đề khoa học thời sự hiện nay trên thế giới

- Việc nghiên cứu và chế tạo giả vật liệu mở ra một hướng nghiên cứu một loại vật liệu mới có những ứng dụng có ý nghĩa rất quan trọng trong đời sống và đặc biệt trong quân sự như: tàng hình, ảnh nhiệt, siêu thấu kính, antennas, sensơ…

Ngày tháng năm 2016

Tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study the interaction of electromagnetic wave with metamaterials Code number: ĐH2014-TN07-02

Coordinator: MSc Nguyen Thi Hien

Implementing institution: College of Sciences – Thai Nguyen University

Duration: from 01/2014 to 12/2015

2 Objective(s):

- Build program calculates the effective parameters (permeability μ, permittivity ε, refractive index n, impedance z) based on the algorithm of Chen

- Search for structured metamaterials: simple, symmetrical high

- Search for the structure and fabrication metamaterials working with a wideband frequency (broad band)

3 Creativeness and innovativeness:

- This is the first time in Vietnam We has built a program calculates the effective parameters (permeability μ, ε evaluation of power, refractive index n, impedance z) based on the algorithm proposed by Chen

- We have found simple structure base on metamaterials and they can activity in the region GHz frequency Our contributions brings metamaterials closer practical application

4 Research results:

- Having built program calculates the effective parameters (permeability μ, permittivity ε, refractive index n, impedance z) based on the algorithm of Chen

- Having found structured metamaterials: simple, symmetrical high

- Having found the structure and fabrication metamaterials working with a wideband frequency (broad band)

5 Products:

5.1 Scientific publications:

There are 03 articles published in international journal (02 ISI):

1 Hien N T., Le L N., Trang P T., Tung B S., Viet N D, Duyen P T., Thang

N M., Viet D T., Lee Y P., Lam V D, Tung N T (2015),

“Characterizations of a thermo-tunable broadband fishnet metamaterial at

THz frequencies”, Computational Materials Science 103, pp 189-193

2 VietD T.,Hien N T., TuongP V., MinhN Q., TrangP T., Le L N., LeeY

P., LamV D (2014), “Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and

broadband absorption”,Optics Communications 322, pp 209-213

3 Hien N T., TungB S., TuanN T., TungN T., LeeY P., AnN M and

LamV D.(2014), “Metamaterial-based perfect absorber: polarization

insensitivity and broadband”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience

and Nanotechnology 5, pp 025013-025019

There are 03 articles published in national journal:

1 Hien N T.,Tung N T., Tung B S., Duyen P T., Viet N D., Le L N, Lam V

D (2014), “Study broadband negative refaction base on second-order hybridiration”,Journalof Science and Technology52 (3B), pp 45-53

2 Duyen P T., Hien N T., Viet N D, Tung N T., and Lam V D (2015),

hybridization”,Journal Science Research and Military Technology35 (02), pp 106-111

3 Hien N T., Qui V D, Giang T T., Tung N T and Lam V D., “Study,

design and fabricate metamaterials independent on the polarization of electromagnetic waves, Journalof Science and Technology 54 (02), pp

258-265

There are 01 articles published in proceedingconference

1 Lam V D., Tung N T., Hien N T, Viet D T., Trang P T and Hong L V

(2015), “Some results of research on metamaterials at the Institute of

Materials Science”, Proceedings Report - 40th Vietnam Academy of Science

and Technology, pp 195-214

5.2 Training results:

There are 02 scientific research students:

1 Nguyen Thi Huong Lien (2014-2015),study perfect absober base on

cut-wire structure Student topic research, Thainguyen University of Science

2 Nguyen Thi Hai (2015-2016),study negative refractive metamaterials

Student topic research, Thainguyen University of Science

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:

- It is a important part of coordinator’s doctoralthesis

- The results of there search subject help students and teachers of the physics and technology faculty are up dated with the currents cientific issues in the world today

- The study of materials and fabrication metamaterials are search study of new materials applications extremely exciting and magical as "invisibility cloak" superlens, filter frequency, sensobiology There is a very important meaning in life and especially inmilitary

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, cótiềm năng ứng dụng rộng rãi Từ đầu năm 2000, giả vật liệu (metamaterials - viết tắt là MMs) xuất hiện như một hướng nghiên cứu rất tiềm năng trong khoa học vật liệu mới MMs 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 MMs Hướng nghiên cứu đầu tiên và rộng rãi nhất là MMs chiết suất âm (negative refractive metamaterial) MMs 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 MMs chiết suất âm có nhiều tính chất vật lý thú vị như: tia khúc xạ nằm cùng phía với tia tới, ba véc tơ (𝐸 , 𝐻 , 𝑘 ) 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 𝑆 và véc tơ sóng 𝑘 ngược chiều nhau… Cho tới nay, rất nhiều tính chất đặc biệt khác của MMs chiết suất âm được phát hiện và chứng minh bằng thực nghiệm Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của MMs 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 kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 2005

Gần đây, một ứng dụng độc đáo khác nữa được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực MMs đó là vật liệu “tàng hình” (electromagnetic cloaking) MMs “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 MMs bị uốn cong theo ý muốn Nhờ đó, vật thể

bị giấu bên trong lớp vỏ MMs hoàn toàn trở nên “tàng hình” ở một bước sóng nhất định Ngoài ra, hàng loạt ứng dụng quan trọng khác của MMs 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 …

Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi tập trung vào một tính chất mới được phát hiện và nghiên cứu của MMs trong vài năm gần đây, đó là MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ MMs 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 đề tài tập trung giải quyết ba vấn đề chính: i) Đưa ra được phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba và iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của MMs ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ

Với mục tiêu đó, đề tài được chia thành 4 chương như sau Chương I: Tổng quan - giới thiệu chung về MMs và sự hấp thụ sóng điện từ sử dụng MMs Các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu MMs 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 MMs hấp thụ đơn giản, không phân cực, có thể dễ dàng chế tạo Đặc tính hấp thụ của cấu trúc MMs 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 MMs là nội dung Chương IV Các tính chất của cấu trúc MMs 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 VỀ GIẢ VẬT LIỆU 1.1 Giới thiệu chung về giả vật liệu

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 [1]

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 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 và gần đây là graphene Tuy nhiên, thú vị hơn cả là sự ra đời của vật liệu điện từ nhân tạo MMs Vật liệu MMs 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 MMs 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 MMs 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 [2], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε< 0) trên cùng một dải tần số 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) [3] 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 MMs dựa theo hai mô hình Pendry đề xuất [4] Những tính chất khác thường của vật liệu MMs không dừng lại ở đó Nhờ khả năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu MMs 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 MMs tại vùng GHz [5] Gần đây nhất, năm

2008, vật liệu MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (metamaterial perfect absorber - MPA) đầu tiên đã được đề xuất bởi I Landy [6]

Từ đó đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ Vật liệu MMs với tính chất siêu hấp thu ̣ có ưu điểm nổi bật so với các vật liệu hấp thụ sóng điện từ nghiên cứu trước đây như: vật liệu có thể hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (A  100%), dễ dàng thay đổi tần số hoạt động từ vùng vi sóng đến hồng ngoại, thậm chí đến vùng ánh sáng nhìn thấy Đặc biệt, vật liệu này còn có độ dày không đáng kể so với bước sóng hoạt động Do vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của MMs sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong trong công nghiê ̣p (như chế ta ̣o vi nhiê ̣t kế , thiết bị dò tìm và cảm biến, dụng cụ đo xạ năng, phát xạ nhiệt, các phòng chắn bức xạ công nghiệp ,pin năng lươ ̣ng…)mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (như thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, ngụy trang quân sự, …)

Nhờ khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu MMs 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 1.1 mô tả lịch sử nghiên cứu và phát triển của vật liệu MPA

Hình 1.1: Lịch sử nghiên cứu và phát triển của vật liệu MPA

1.2 Phân loại giả vật liệu

Việc phân loại giả vật liệu có thể được dựa trên giá trị âm hay dương của hằng số điện môi ε và độ từ thẩm μ Đây là hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu

Hình 1.2 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ

Hình 1.2 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

và có tổn hao rất lớn (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 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 Đặc biệt, 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(left - handed metamaterial) Chi tiết để có môi trường vật liệu chiết suất âm được trình bày trong tài liệu [2]

Dựa trên giản đồ biểu diễn trên hình 1.2 vật liệu MMs có thể được phân ra thành 3 loại chính:

- Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ε < 0

- Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): μ < 0

- Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0

Hầu hết các nghiên cứu về vật liệu MMs hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ đều cho thấy, cơ chế hấp thụ dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ, tạo ra độ từ thẩm âm

Vì vậy, vật liệu MPA là loại vật liệu độ từ thẩm âm (μ < 0) thuộc góc phần tư thứ 3

sử dụng vật liệu MMs như là “áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloaking), được đề xuất và kiểm chứng bởi Schurig và cộng sự năm 2006

1.3.1 Siêu thấu kính

Hình 1.3: Đường đi của ánh sáng đi qua (a) Thấu kính bình thường có chiết suất

dương và (b) Siêu thấu kính có chiết suất âm

Vào năm 2000, Pendry triển khai lý thuyết Veselago qua bài viết có tựa đề

là "Negative refraction gives a perfect lens" (Chiết suất âm làm ra chiếc thấu kính

lý tưởng) [7] "Chiếc thấu kính lý tưởng" trong bài viết của Pendry có nghĩa là siêu thấu kính

Tại sao gọi là "siêu thấu kính"? Thấu kính là một bộ phận trung tâm của các dụng cụ quang học từ cái máy ảnh bình thường, kính hiển vi quang học đến kính viễn vọng thiên văn Dù được chế tạo cực kỳ hoàn hảo, không chứa những khuyết tật gây ra trong quá trình sản xuất, thấu kính quang học vẫn không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) (trung bình cộng của bước sóng ánh sáng tím 400 nm và ánh sáng đỏ 700 nm) thì hình ảnh của vật nhỏ hơn 550

nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè vì nhiễu xạ (diffraction) Tuy nhiên, siêu thấu kính làm từ vật liệu có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của

sự nhoè ảnh do nhiễu xạ Điều này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho con người một dụng

cụ quang học để quan sát một vật có độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng Điểm khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thường là nhờ vàochiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt (evanescent wave) của sóng tới (hình 1.3).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 MMs đã được Zhang và các cộng

sự chứng minh bằng thực nghiệm

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính

1.3.2 Áo khoác tàng hình

"Tàng hình" thường được hiểu là "biến mất" theo quan điểm thông thường Nhưng trong khoa học, khi ta "tàng hình" không có nghĩa là ta "tan biến" vào một cõi mơ hồ mà là không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ Ngụy trang bằng sự hòa hợp màu sắc với môi trường xung quanh cũng có thể xem là một cách tàng hình dù là thô sơ Điều này đặc biệt quan trọng trong quân sự cũng như đời sống

Hiện tượng tàng hình hay hiện hình thật ra là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng (hay sóng điện từ ở nghĩa rộng) và vật chất Ta nhìn thấy được mọi vật quanh ta là do sự phản xạ của ánh sáng và khi những tia sáng phản xạ đập vào mắt

ta, thị giác cho ta sự cảm nhận màu sắc của những gì hiện hữu trong thế giới xung quanh Khi ánh sáng, hay nói rộng hơn là sóng điện từ, tác động lên vật chất thì có

ba trường hợp xảy ra: phản xạ (reflection), truyền xạ (transmission) và hấp thụ (absorption) (Hình 1.5)

Hình 1.5: Sự tương tác giữa sóng điện từ với vật chất

(1) Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền qua, (4) Sóng hấp thụ

Như vậy, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được sự phản xạ của ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa người quan sát Bằng việc điểu chỉnh các tham số hiệu dụng µ và ε một cách hợp lý, đường đi của các tia sáng bị uốn cong khi truyền trong vật liệu MMs và đồng thời không bị phản xạ cũng như tán xạ Do vậy, vật liệu này hứa hẹn sẽ được dùng để chế tạo lớp vỏ tàng hình

Hình 1.6: Đường đi của sóng điện từ trong siêu vật liệu(A) Biểu hiện hai chiều, vật

bị phủ là quả cầu tròn có bán kính R1, và lớp phủ có bề dày (R2-R1)

và (B) Biểu hiện ba chiều

Khả năng dùng giả vật liệu phủ lên một vật khiến vật tàng hình:

Hình 1.7: Thứ tự từ trái sang phải Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy

Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu Hình phải: Vật tròn tàng hình nhờ lớp phủ của siêu vật liệu

Ngay sau khi các nghiên cứu đề xuất ứng dụng sử dụng vật liệu MMs làm

“áo choàng tàng hình”, rất nhiều các đề xuất ứng dụng khác đƣợc công bố Gần đây nhất, năm 2008, vật liệu MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ đầu tiên đã đƣợc đề xuất bởi I Landy [6] Cũng vào năm 2008, Shuang Zhang cùng các cộng sự đã chứng minh có thể tạo ra vật liệu trong suốt cảm ứng điện từ (Electromagnetically Induced Transparency - EIT) dựa trên vật liệu MMs có khả năng làm chậm hay dừng ánh sáng Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, một loạt các ứng dụng quan trọng khác cũng đã đƣợc các nhà khoa học đề xuất và tập trung đi sâu

nghiên cứu như bộ lọc tần số, bộ cộng hưởng, cảm biến, hấp thụ sóng điện từ, làm chậm hoặc dừng ánh sáng

Ngoài ra 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 MMs làm pin mặt trời hiệu suất cao [8]

1.4.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 nh ư trong cuô ̣c sống hằng ngày, những đă ̣c trưng cơ bản của mô ̣t số vâ ̣t liê ̣u hấp thu ̣ són g điê ̣n từ , khả năng ứng 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

1.4.1.Sóng điện từ trong vùng tần số vi ba

Cùng với sự phát triển tiến bộ không ngừng của xã hô ̣i, các thiết bị làm việc trong dải sóng siêu cao tần, đặc biệt là dải sóng vi ba có tần số GHz , được ứng du ̣ng phổ biến và rô ̣ng rãi trong tất cả các lĩnh vực của khoa học , công nghệ và đời sống Muốn chế ta ̣o được các thiết bi ̣ 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 1.8)

Hình 1.8: 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 xa ̣ từ những vật có kích thước 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 lượn g [9] Sự phát nhiệt xảy ra khi vật 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 truyền các tín hiệu điện thoại ở khoảng cách 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 đ ã 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

1.4.2 Phân loa ̣i vật liê ̣u hấp thụ sóng vi ba

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về những loại v ật liệu hấp thu ̣ sóng điê ̣n 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 thu ̣ của chúng

+ 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 [10]

+ Vâ ̣t liê ̣u Chiral: Chiral là mô ̣t hiê ̣n tượng mà vâ ̣t thể và ảnh qua gương của nó

không tồn ta ̣i tính đối xứng về hình ho ̣c, không thể sử du ̣ng 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 du ̣ng bất cứ phương pháp nào để làm cho vâ ̣t thể và ảnh đối xứng qua gương trùng hợp với nhau Bắt đầu từ năm 1950, các công trình nghiên cứu cho thấy vâ ̣t liê ̣u Chiral có thể phản xạ hoặc hấp thu ̣ sóng điê ̣n từ Đến năm 1980, nghiên cứ u đă ̣c tính hấp thu ̣ và phản xa ̣ sóng vi ba của vâ ̣t liê ̣u Chiral được thực sự coi tro ̣ng[11-16] Hiê ̣n nay, vâ ̣t liê ̣u Chiral hấp thu ̣ sóng radar là hỗn hợp vâ ̣t liê ̣u cơ bản để tạo thành vật liệu phức hợp

 Hê ̣ vâ ̣t liê ̣u La 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 Hiê ̣n 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 ha ̣t hoàn toàn có thể điều khiển bằng việc thay đổi nhiê ̣t đô ̣ 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 [17] 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 [18]; 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 [19]; 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 [20]…

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

1.4.3 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu

Trước khi phân tích các cơ chế hấp thu ̣ của vâ ̣t liê ̣u , trong phần này đề tàisẽ giới thiê ̣u các kỹ thuâ ̣t khử sóng phản xa ̣ từ bề mă ̣t vâ ̣t liê ̣u đến thiết bi ̣ thu [21] 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

1.4.3.1.Vật liệu 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[22] 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:

(1.1)

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 

1.4.3.2 Vật liệu 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)[23-25] Đây cũng chính là nguyên tắc hoạt động của các lò vi sóng

D k f d B

P2 P2 2 2/ 6 

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

- 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

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 𝑊 = 𝐵𝑑𝐻 Khi được đặt trong một sóng

điện từ xoay chiều có tần số kích thích f, công suất tổn hao sẽ là 𝑃 = 𝑓 𝐵𝑑𝐻 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 [26,27]

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

0

0





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

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

hạn 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[28,29]

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 𝜏𝑁 = 𝜏0𝑒𝑥𝑝 𝐾𝑢𝑉/ 𝑘𝐵𝑇 Công suất tổn hao có thể được viết 𝑃 𝑓, 𝐻 = 𝜇0𝜋𝜒” 𝑓 𝐻2𝑓, trong đó 𝜒” là độ cảm từ xoay chiều ảo được biểu diễn 𝜒” 𝑓 =0/ 1 + 𝜙2 , 𝜙 = 𝑓𝜏𝑁, và 𝜒0 = 𝜇0𝑀𝑆2𝑉/ 𝑘𝐵𝑇 Trong trường hợp hệ hạt được đặt trong chất lỏng, N sẽ được thay bằng thời gian hồi phục hiệu dụng 𝜏𝑒𝑓𝑓 = 𝜏𝑁𝜏𝐵/ 𝜏𝑁 + 𝜏𝐵 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

1.4.4 MMs 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 2c/0 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

A

m

e g f

22

M

m

e g

20



 

vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn MMs 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 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, 0/69 [30,31]

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 [32] 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 [16] 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 [33-38]

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[39,40] 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[41] 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 [42] 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 [43]

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 [42,44]

1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Theo các phân tích ở trên, rõ ràng MMs 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 MMs 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 MMs hấp thụ tuyệt đối Với lý do đó, nghiên cứu những đặc tính cơ bản của MMs hấp thụ tuyệt đối là một trong những bước quan trọng tiến tới những ứng dụng trong tương lai gần

Trong đề tàinày, 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 MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba Trong khi MMs 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 MMs 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 MMs 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, đề tàitrình bày tổng quan các phương pháp nghiên cứu vật liệu MMs, đặc biệt là MPA Các phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo

cụ thể được sử dụng trong đề tàinày được trình bày ở phần cuối của chương

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

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu

Sơ đồ quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz dựa trên

sự kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trên Hình 2.1

2.2 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu

MMs thường là vật liệu nhân tạo cho phép chúng ta quan sát những tính chất vật lý kỳ lạ không xuất hiện trong những vật liệu tồn tại sẵn có trong tự nhiên Do đó, từ thí nghiệm đầu tiên chứng tỏ sự tồn tại của MMs đã mở ra một

kỉ nguyên mới trong lĩnh vực khoa học vật liệu hiện đại Cho đến nay, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo thành công MMs có nhiều tính chất khác nhau hoạt động ở những dải tần số khác nhau từ MHz tới THz, thậm chí hoạt động ở vùng tần số cao hơn Để biến đổi từ tính của MMs, hầu hết các nhóm nghiên cứu này đều sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng từ có rãnh (SRR),

cung cấp độ từ thẩm âm  0 Để thay đổi tính chất điện của MMs, các nhà

nghiên cứu thường sử dụng cấu trúc truyền thống gồm các dây kim loại được sắp xếp một cách tuần hoàn Ở tần số nhỏ hơn tần số plasma khi đó ta thu được   0

Cấu trúc vật liệu có   0này đơn giản trong chế tạo và được áp dụng một cách rộng rãi và phổ biến trong việc chế tạo MMs

Tuy nhiên, để tạo ra vật liệu có   0 ở tần số cao, đây vẫn là vấn đề đang được quan tâm của các nhà nghiên cứu, vì nó chỉ xảy ra trong khoảng tần số rất hẹp

và phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ Hơn thế nữa, để tạo ra cộng hưởng từ

có   0 đối với cấu trúc SRR, một trong những điều kiện quan trọng là véc tơ từ trường H 

phải vuông góc với mặt phẳng của SRR (mặt phẳng mẫu) (xem hình 2.2 (a)) Do vậy, mẫu chế tạo đòi hỏi phải là đa lớp để có thể bao phủ được toàn bộ chùm ánh sóng tới Đây là một trong những hạn chế của cấu trúc SRR, đặc biệt là khi chế tạo MMs hoạt động ở vùng tần số quang học khi xem xét tới khả năng của công nghệ nano hiện nay

là dạng tối giản của cấu trúc SRR đối xứng, cho phép tạo ra cộng hưởng từ chỉ với

một lớp vật liệu giúp quá trình chế tạo và đo đạc thuận lợi hơn rất nhiều Trong đề tài này cũng xuất phát từ cấu trúc phức tạp SRR dựa trên đề xuất của Landy cho hấp thụ tuyệt đối để xây dựng các cấu trúc khác đơn giản hơn: cấu trúc chữ I, cấu trúc

CW, cấu trúc dấu cộng, cấu trúc đĩa tròn mà vẫn cho độ hấp thụ 100%

2.3 Phương pháp mô phỏng

Vật liệu MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng tương tự như các vật liệu MMs khác, được tạo từ các ô cơ sở giống nhau được sắp xếp trong các cấu trúc tuần hoàn hai hoặc ba chiều Mảng tuần hoàn có thể được mô hình hóa chính xác bằng cách mô phỏng một ô cơ sở với tham số đặc tính vật liệu, bố trí thí nghiệm và các điều kiện biên Nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trong lĩnh vực tin học, các công cụ tính toán được sử dụng để mô hình hóa tương tác giữa sóng điện từ với vật liệu có cấu trúc phức tạp trở nên rất chi tiết Vì vậy, việc sử dụng những công cụ này có thể cung cấp các thông tin khá chính xác về các tính chất của vật liệu MMs

Có 2 định hướng nghiên cứu bằng mô phỏng: tự lập trình khai thác bộ mã nguồn của Pendry bằng cách sử dụng ngôn ngữ Fortran hay C hoặc sử dụng các chương trình mô phỏng thương mại Việc tự xây dựng các chương trình để mô phỏng có ưu điểm là chủ động và dễ dàng kiểm soát các thông số đưa vào trong quá trình tính toán Tuy nhiên, nó đòi hỏi trong một nhóm phải có nhiều thành viên và am hiểu không chỉ về kiến thức vật lý mà cả các kiến thức trong lĩnh vực toán và tin học Chính vì vậy, có rất nhiều nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực vật liệu MMs chọn phần mềm mô phỏng thương mại bởi sự đơn giản trong sử dụng và có độ chính xác cao

để dự đoán đặc tính của các cấu trúc trước khi tiến hành chế tạo Một ưu điểm của

mô phỏng vật liệu MMs là cấu trúc được hiệu chỉnh một cách dễ dàng và nhanh chóng để thu được kết quả tối ưu trước khi đưa vào chế tạo Vì vậy, nó sẽ tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất, chế tạo Hơn nữa, nếu nắm bắt tốt các đặc tính vật liệu với độ chính xác cao của các kỹ thuật mô phỏng hiện nay thì có thể thu được sự phù hợp tốt giữa các kết quả mô phỏng và thực nghiệm Trong số các chương trình mô phỏng, CST Microwave studio[45], HFSS [46], và Comsol[47] là những chương trình thông dụng nhất

Trong đề tài này để mô hình hóa tính chất của vật liệu, chúng tôi sử dụng

phần mềm mô phỏng thương mại Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio[45] Vì tính hiệu quả và độ chính xác đã được chứng minh bởi nhiều kết quả của các công trình đã được công bố trên các tạp chí uy tín đều sử dụng phần mềm này

Màn hình giao diện của phần mềm mô phỏng thương mại CST được trình bày trong hình 2.3 dưới đây:

Hình 2.3: Màn hình giao diện của phần mềm CST

Trong mô phỏng, các đặc trưng điện từ được thiết lập cho các vật liệu để tạo nên cấu trúc, như là kim loại và chất điện môi Sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của các đặc tính này trong vật liệu mô phỏng so với các giá trị thực của chúng Kim loại là một phần quan trọng trong MPA, chúng ảnh hưởng tới trạng thái cộng hưởng Vì vậy, hiểu biết rõ về các đặc tính của kim loại trong mô phỏng là cốt yếu để đạt được các kết quả đúng Ở các tần

số thấp, như ở vùng sóng vi ba, kim loại như vàng và đồng được mô hình hóa như các chất dẫn điện tốt với các giá trị độ dẫn gần như hoàn hảo

CST cung cấp cho người sử dụng cả hai phương pháp theo miền thời gian và miền tần số nhằm mục đích đa dạng hóa trong mô phỏng Cụ thể, theo miền tần số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method - FEM) chuyển đổi phương trình vi phân từng phần thành một tập hợp các phương trình đại số tuyến tính

để thu được các lời giải gần đúng thỏa mãn các điều kiện biên (chọn nghiệm phù hợp với ý nghĩa vật lý) Thay vì, lấy xấp xỉ các toán tử vi phân, phương pháp phần tử hữu hạn tương tự với việc giải một phương trình vi phân từng phần Trong khi đó, việc

giải theo miền thời gian bằng cách sử dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration technique - FIT) biến đổi các phương trình Maxwell và các phương trình tán sắc của vật liệu từ không gian liên tục đến không gian rời rạc bằng cách đặt áp điện trên cạnh của một lưới và áp từ trên cạnh của một lưới kép FIT tạo ra hệ phương trình lưới Maxwell (Maxwell’s Grid equations) từ các phương trình Maxwell, từ đó đảm bảo các tính chất vật lý của trường được duy trì trong không gian rời rạc, và dẫn đến một nghiệm duy nhất Mặc dù, hai phương pháp này có thể được hoán đổi nhau bởi biến đổi Fourier, nhưng phương pháp miền tần số thích hợp hơn với bài toán xảy

ra trong vùng tần số hẹp, cấu trúc nhỏ có tính tuần hoàn trong khi phương pháp miền thời gian thường sử dụng cho vật liệu có kích thước lớn, khảo sát trong vùng tần số rộng Trong khoá luận, các kết quả mô phỏng chủ yếu sử dụng phương pháp theo miền tần số vì những thuận tiện của nó phù hợp với các bài toán nghiên cứu

Đối với vật liệu MPA, thông số quan trọng nhất là độ hấp thụ, nó biểu thị tỷ

lệ phần trăm năng lượng của sóng điện từ chiếu tới bị hấp thụ bởi vật liệu Độ hấp thụ được tính A(𝜔) = 1 – R(𝜔) – T(𝜔) Trong đó: R(𝜔) là độ phản xạ, T(𝜔) là độ truyền qua vật liệu Trong mô phỏng, độ phản xạ và truyền qua thu được bằng cách thiết lập điều kiện biên và nguồn sóng kích thích thích hợp Đầu ra của chương trình

mô phỏng là các thông số tán xạ phức tạp, chẳng hạn như hệ số phản xạ S11, hệ số truyền qua S21 Độ phản xạ R(𝜔) và truyền qua T(𝜔) có thể thu được là R(𝜔) =

|𝑆11|2 và T(𝜔) =|𝑆21|2 Vì vậy, trong việc khảo sát về vật liệu MPA thì hệ số phản

xạ S11 và truyền qua S21 là các thông số được sử dụng nhiều nhất Hình 2.4 trình bày kết quả mô phỏng điển hình sử dụng phương pháp CST của vật liệu MPA có cấu trúc vòng cộng hưởng được đề xuất bởi Landy [14]

Hình 2.4: (a) Hình ảnh mô phỏng vật liệu MPA cấu trúc Landy (b) Kết quả mô

phỏng phổ phản xạ, truyền qua và hấp thụ của vật liệu MPA cấu trúc Landy trong

vùng vi sóng

Ngoài ra, một vài nghiên cứu chi tiết tính chất của vật liệu MPA rất khó thực hiện và biểu diễn được bằng thực nghiệm, nhưng lại có thể thực hiện được một cách tương đối dễ dàng bằng phương pháp mô phỏng Chẳng hạn, phân bố điện trường

và từ trường bên trong và ngoài của vật liệu MPA cho thấy sự tương tác giữa sóng điện từ chiếu tới với cấu trúc như thế nào, từ đó có thể cung cấp thông tin về cơ chế hấp thụ sóng điện từ của MPA Một thông số quan trọng khác được quan tâm đó là dòng bề mặt, được sử dụng để chỉ ra đặc tính cộng hưởng của phần kim loại trong cấu trúc Mô phỏng cũng cho phép nghiên cứu, đánh giá sự phân bố mật độ tiêu tán năng lượng trong MPA Thông tin 2D và 3D có thể được tính toán và dữ liệu được đưa ra để phân tích Một vài ví dụ điển hình về sự phân bố dòng điện cảm ứng và phân bố mật độ tiêu tán năng lượng được chỉ ra như hình 2.5

Hình 2.5: Hình ảnh mô phỏng

(a) Dòng điện cảm ứng và (b) Mật độ tiêu tán năng lượng tại tần số cộng hưởng

2.4 Công nghệ chế tạo

2.4.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu

Trong đề tàinày, để chế tạo mẫu hoạt động ở dải tần số sóng viba, chúng tôi

sử dụng phương pháp quang khắc Hình 2.6 trình bày hệ chế tạo mẫu được xây dựng và lắp đặt tại phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu -Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam

Hệ thiết bị gồm 4 phần chính:

1 Hệ chiếu sáng (exposurer)

2 Hệ thống bơm hút (pumper)

3 Bể dung dịch ăn mòn (etching system)

4 Bể dung dịch hiện hình (developer)

Hình 2.6 Hệ thiết bị chế tạo MMs

Ngoài ra còn có hệ gia nhiệt (heating system), gá mẫu (sample holder)…

Tính năng của hệ thiết bị:

- Có thể chế tạo MMs có cấu trúc bất kỳ

- Sai số chế tạo ~ 0.05 mm

- Có độ lặp lại cao

2.4.2 Quy trình chế tạo mẫu

Vật liệu ban đầu là mạch in FR-4 thương mại (SME, Hàn Quốc) gồm một lớp điện môi có hằng số điện môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã

được phủ đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm; 2 mặt ngoài được phủ sẵn một lớp cảm quang dương Quy trình chế tạo vật liệu được trình bày trên Hình 2.7

Hình 2.7 Quy trình chế tạo MMs

Bước 1: Chiếu sáng, nguồn ánh sáng là đèn halogel công xuất 45W

- Mặt nạ được đặt sát mẫu

- Khoảng cách giữa mặt nạ và nguồn sáng là 15 cm

- Thời gian chiếu sáng từ 7÷10 phút

Bước 2: Hiện hình cấu trúc

- Thời gian: 2 phút ngâm trong dung dịch developer

- Nhiệt đô: 40-50 0

C

Bước 3: Ăn mòn, tạo cấu trúc

- Thời gian: 20-45 phút ngâm trong dung dịch ăn mòn