Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial)
Trang 1HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
PHẠM THỊ TRANG
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
VÀ BIÊN ĐỘ CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU
BIẾN HÓA (METAMATERIAL)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
HÀ NỘI - 2017
Trang 2VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
PHẠM THỊ TRANG
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
VÀ BIÊN ĐỘ CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU
BIẾN HÓA (METAMATERIAL)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Người hướng dẫn khoa học:
1 PGS TS Vũ Đình Lãm
2 PGS TS Lê Văn Hồng
Hà Nội - 2017
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN iv
LỜI CẢM ƠN v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA 5
1.1 Vật liệu biến hóa 5
1.1.1 Khái niệm vật liệu biến hóa 5
1.1.2 Phân loại vật liệu biến hóa 7
1.1.3 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa 16
1.2 Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 18
1.2.1 Sự hấp thụ của vật liệu truyền thống 18
1.2.2 Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa 21
1.2.3 Một số phương pháp thiết kế vật liệu biến hóa 24
1.3 Khái quát về cộng hưởng điện và cộng hưởng từ 25
1.3.1 Phương pháp xác định cộng hưởng điện và cộng hưởng từ 25
1.3.2 Đặc điểm về cộng hưởng từ bậc 1 và cộng hưởng từ bậc 3 28
1.4 Kết luận chương 1: 30
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu vật liệu biến hóa 31
2.2 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu 32
Trang 42.3 Phương pháp mô hình vật lí dựa trên mạch LC tương đương 33
2.4 Phương pháp mô phỏng vật lý 36
2.4.1 Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm CST 37
2.5 Phương pháp thực nghiệm 42
2.5.1 Công nghệ chế tạo mẫu 44
2.5.2 Phương pháp đo đạc 48
2.6 Phương pháp tính toán tham số hiệu dụng 50
2.7 Kết luận chương 2: 51
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ RỘNG VÙNG TỪ THẨM ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA 52
3.1 Cộng hưởng từ của vật liệu biến hóa dựa trên cấu trúc CWP 53
3.2 Vai trò của độ dày lớp điện môi lên mở rộng vùng từ thẩm âm 54
3.2.1 Mô hình lí thuyết 54
3.2.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 57
3.3 Ảnh hưởng của tính bất đối xứng lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu cấu trúc CWP 61
3.3.1 Mô hình mạch LC tương đương 61
3.3.2 Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo phương điện trường 64
3.3.3 Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo phương từ trường 69
3.3.4 Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo hai phương 70
3.3.5 Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên vật liệu có cấu trúc CWP 72
3.4 Ảnh hưởng tính bất đối xứng cấu trúc lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu biến hóa dựa trên cấu trúc vòng xuyến 72
3.5 Kết luận chương 3: 75
Trang 5CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG 77
SÓNG ĐIỆN TỪ 77
4.1 Vật liệu biến hóa hấp thụ một chiều sóng điện từ 77
4.1.1 Vật liệu biến hóa hấp thụ cấu trúc CW 77
4.1.2 Cấu trúc hình vuông 79
4.1.3 Cấu trúc vòng xuyến 81
4.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ 84
4.2.1 Vật liệu biến hóa hấp thụ dựa trên cấu trúc CWP 84
4.2.2 Vật liệu biến hóa cấu trúc cặp hình vuông 86
4.2.3 Vật liệu biến hóa cấu trúc cặp vòng xuyến 97
4.3 Kết luận chương 4: 102
KẾT LUẬN CHUNG 103
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 105
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106
DANH MỤC NGHIÊN CỨU KHÁC 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108
PHỤ LỤC 114
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Vũ Đình Lãm và PGS TS Lê Văn Hồng Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác
Phạm Thị Trang
Trang 7LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS TS Vũ Đình Lãm và PGS TS Lê Văn Hồng Các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm KH &CN Việt Nam: NCS Bùi Sơn Tùng, ThS Nguyễn Hoàng Tùng, NCS Bùi Xuân Khuyến, NCS Phạm Văn Tưởng, NCS Đặng Hồng Lưu, TS Nguyễn Thị Hiền, TS Đỗ Thành Việt, TS Lê Đắc Tuyên, ThS Nguyễn Văn Cường, KS Bùi Hữu Nguyên, ThS Lương Minh Anh, CN Trịnh Thị Giang, CN Vũ Đình Quý, CN Lê Đình Hải,… đã giúp đỡ, tương trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm
Tôi xin được gửi những tình cảm, sự yêu mến và lòng biết ơn đến các thầy cô, anh, chị, em trong Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ, động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Phòng thí nghiệm trọng điểm – Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CN đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, thủ tục hành chính, hỗ trợ kinh phí… giúp tôi có thể hoàn thành luận án này
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Mỏ - Địa chất, bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học Cơ bản nơi tôi đang công tác 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 Xin cảm ơn các anh chị đồng nghiệp trong Bộ môn, Khoa đã giúp đỡ, động viên tinh thần, chia sẻ gánh vác công việc ở trường trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án
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 Phạm Thị Trang
Trang 8DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
CW Cut – Wire Dây bị cắt
CWP Cut – Wire Pair Cặp dây bị cắt
CST Computer Simulation Technology Bằng công nghệ mô phỏng
FIT Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn
FN Fishnet Cấu trúc dạng lưới
LHM Left - Handed Metamaterial Vật liệu chiết suất âm
MM Metamaterial Vật liệu biến hóa
MA Metamaterial Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ
MPA Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối
NRI Negative Refractive Index Chiết suất âm
NIM Negative Index Material Vật liệu chiết suất âm
NIR Near Infrared Hồng ngoại gần
SRR Split – Ring Resonator Vòng cộng hưởng
Trang 9DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả so sánh sự phụ thuộc tần số cộng hưởng từ theo độ dày điện môi
ứng với mô phỏng, thực nghiệm, tính toán lý thuyết 58
Bảng 3.2: Số liệu sự phụ thuộc độ mở rộng vùng từ thẩm âm trên tần số cộng
hưởng với các giá trị độ dày điện môi t d 61
Bảng 4.1: Tần số cộng hưởng từ theo giá trị m 89
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa 6
Hình 1.2: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa µ và ε 7
Hình 1.3: (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và khoảng cách giữa các dây là a, (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số 9
Hình 1.4: (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), cấu trúc dây kim loại bị cắt và định hướng của điện trường ngoài, (b) Mô hình mạch điện LC tương đương 9
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc SRR và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn 10
Hình 1.6: (a) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µ < 0, (b) Độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR với giả thiết là vật liệu không có tổn hao 11
Hình 1.7: (a) Cấu trúc SRR và phân cực sóng điện từ; (b) Sự biến đổi từ cấu trúc SRR thành cấu trúc CWP 12
Hình 1.8: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz, (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu có cấu trúc ở hình (a) 14
Hình 1.9: a) Sự kết hợp giữa thanh kim loại liên tục và CWP tạo ra cấu trúc 14
kết hợp cho n < 0, b) Cấu trúc dạng lưới - FN một cấu trúc biến đổi của 14
cấu trúc kết hợp 14
Hình 1.10: (a) Cấu trúc CWP, (b) Cấu trúc hình hoa 15
Hình 1.11: (a) Các thành phần cấu trúc, (b) Phổ phản xạ, phổ truyền qua, phổ hấp thụ của MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 16
Hình 1.12: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính 17
Hình 1.13: (a) Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình (b) Ánh sáng có thể bị bẻ cong không phản xạ vì vậy vật thể được “tàng hình” 17
Hình 1.14: Mô phỏng tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong cấu trúc Landy 22
Trang 11Hình 1.15: Mô hình đường truyền ánh sáng đến MPA 23
Hình 1.16: (a) Ô cơ sở cấu trúc CWP và phân cực của sóng điện từ, (b) Phổ truyền qua của vật liệu biến hóa có cấu trúc CWP và cấu trúc CWP nối tắt 26
Hình 1.17: (a) Cấu trúc CWP được nối tắt, (b) Mô hình mạch LC tương đương 26
Hình 1.18: Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số 27
Hình 1.19: Phân bố dòng tại tần số cộng hưởng (a) f 1 = 13.9 GHz, 28
(b) f 2 = 29.4 GHz 28
Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận án 31
Hình 2.2: Ô cơ sở của cấu trúc CWP 32
Hình 2.3: Một số cấu trúc nghiên cứu trong luận án, (a) Cấu trúc cặp hình vuông, 32 (b) Cấu trúc cặp kim cương, (c) Cấu trúc cặp vòng xuyến 32
Hình 2.4: (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt 34
(b) Mạch tương đương LC của cấu trúc 34
Hình 2.5: (a) Mô hình MM cấu trúc CWP, (b) Mạch điện tương đương LC có thể mô tả cho một ô cơ sở; điểm 1, 2 tương đương do tính tuần hoàn, (c) và (d) Các mode đối song và song song tương ứng với cộng hưởng từ và cộng hưởng điện 34
Hình 2.6: Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2016 38
Hình 2.7: Kết quả (a) Mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc CWP, CB và các các dây lim loại liên tục, (b) Tính toán độ điện thẩm, độ từ thẩm và chiết suất từ dữ liệu mô phỏng của cấu trúc CB tương ứng 40
Hình 2.8: Mô phỏng: (a) Dòng mặt trước, (b) Dòng mặt sau và (c) Mật độ tiêu tán năng lượng trên đĩa tròn, điện môi, tấm đồng mặt sau tại tần số f m =13.8 GHz 41
Hình 2.9: Đường truyền sóng điện từ tới lăng kính có chiết suất âm ứng với các góc tới khác nhau 41
Hình 2.10: (a) MPA hoạt động ở vùng vi ba, (b) MPA hoạt động ở vùng THz 43
Trang 12Hình 2.11: Hình ảnh một số MPA khác nhau được chế tạo 43
Hình 2.12: Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hoá 44
Hình 2.13: Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa 45
Hình 2.14: (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP, (b) Mẫu chế tạo cấu trúc CWP với: 47
a x = 3.6 mm, a y = 7.2 mm, l = 5.0 mm, w = 1.0 mm 47
l = 4.2 mm, t s = 0.036 mm 47
Hình 2.16: Hệ thiết bị Vector Network Analyzer đặt tại Viện Khoa học và 48
Công nghệ Quân sự - Việt Nam 48
Hình 3.1: (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP, (b) MM chế tạo có cấu trúc CWP với: 53
a x = 3.6 mm, a y = 7.2 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0 mm, t d = 0.4 mm, t s = 0.036 mm 53
Hình 3.2: (a) Phổ truyền qua mô phỏng và thực nghiệm của vật liệu biến hóa có cấu trúc CWP; (b) Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số, (c) Phân bố dòng tại tần số cộng hưởng f m = 13.392 GHz 54
Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc của độ rộng tương đối vùng tần số ứng với độ từ thẩm âm vào bề dày t d dựa theo mô hình lý thuyết 57
Hình 3.4: Phổ truyền qua theo bề dày t d = 0.4, 0.8, 1.0 mm 58
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm 58
Hình 3.5: Phổ truyền qua phụ thuộc bề dày điện môi 59
Hình 3.6: (a) Sự phụ thuộc độ từ thẩm tại t d = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm, 60
(b) Độ rộng tương đối vùng từ thẩm âm theo mô phỏng và lý thuyết tại 60
t d = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm 60
Hình 3.7: (a) Cấu trúc CWP chuyển từ đối xứng sang bất đối xứng (theo phương 62 điện trường E), (b) Mạch điện tương đương của cấu trúc CWP bất đối xứng 62
Trang 13Hình 3.8: Sự phụ thuộc của , d
d
t f
f t
vào tỉ số
d
l t
63
Hình 3.9: Cấu trúc CWP bất đối xứng theo phương từ trường 64
Hình 3.10: Phổ truyền qua mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc CWP khi phá vỡ tính đối xứng cấu trúc vớil= 0, 0.5, 1 mm 65
Hình 3.11: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi ∆l thay đổi 66
từ 0 – 1.2 mm 66
Hình 3.12: Độ từ thẩm khi ∆l có giá trị lần lượt là 0.125t d , 1.5t d , 2t d , 2.5t d. 66
Hình 3.13: Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng từ trên cấu trúc CWP tại vị trí: (a) l 0, (b) l 1.5t d , (c) l 2.5t d 67
Hình 3.14: Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng với hệ số kích thước S = 1, 0.1, 0.01, 0.001 68
Hình 3.15: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi w tăng, 69
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm 69
Hình 3.16: (a) Kết quả mô phỏng phổ truyền qua theo các giá trịw, (b) Độ từ thẩm khi ∆w = 0, t d , 2.5t d 70
Hình 3.17: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi w, ltăng, 71
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm 71
Hình 3.18: Tổng quát hóa sự phụ thuộc độ rộng vùng cộng hưởng từ vàow, l 71 Hình 3.19: (a) Sự phân cực sóng điện từ, (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ truyền qua vào góc phân cực của vật liệu biến hóa cấu trúc CWP 72
Hình 3.20: (a) Ô cơ sở của cấu trúc vòng xuyến chuyển từ đối xứng sang bất đối xứng, (b) Mẫu chế tạo cấu trúc vòng xuyến bất đối xứng tại ∆w = 0.3 mm 73
Hình 3.21: Phổ truyền qua của cấu trúc vòng xuyến bất đối xứng khi wtăng từ 74
Trang 140-1.0 mm, (a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm 74
Hình 3.22: Sự phụ thuộc độ từ thẩm theo bề rộng ∆w = 0, 0.6, 1.0 mm 74
Hình 3.23: Sự phụ thuộc phổ truyền qua vào góc phân cực của vật liệu biến hóa cấu trúc vòng xuyến tại bề rộng ∆w = 0.4 mm 75
Hình 4.1: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc cặp CW bất đối xứng với ∆w, ∆l thay đổi từ 0 đến 1.25 mm 78
Hình 4.2: (a) Cấu trúc ô cơ sở a x = 3.5 mm, a y = 9 mm, w = 1 mm, l = 5.5 mm, 78
t d = 0.4 mm, t c = 0.036 mm, (b) Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa cấu trúc CW 78
Hình 4.3: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ phụ thuộc vào góc phân cực 79
Hình 4.4: Vật liệu biến hóa chuyển từ cấu trúc CW sang cấu trúc hình vuông 79
Hình 4.5: (a) Cấu trúc ô cơ sở, Kết quả mô phỏng: (b) Phổ hấp thụ (c) Phổ hấp thụ phụ thuộc góc phân cực cấu trúc hình vuông 80
Hình 4.6: MPA cấu trúc vòng xuyến: (a) Ô cơ sở, sự phân cực sóng điện từ 81
(b) Mẫu chế tạo với các tham số cấu trúc: a = 10 mm, R i = 1mm, 81
w = 1.7mm, t d = 0.4mm, t s = 0.036mm 81
Hình 4.7: (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của MPA cấu trúc vòng xuyến, (b) Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực 82
Hình 4.8: Phần thực của phối hợp trở kháng giữa toàn cấu trúc và không khí 82
Hình 4.9: Phân bố dòng cảm ứng trên: (a) Cấu trúc vòng xuyến, (b) Tấm kim loại đồng mặt sau tại tần số cộng hưởng f m = 13.73 GHz 83
Hình 4.10: Mô phỏng mật độ tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong (a) Lớp đồng vòng xuyến, (b) Lớp điện môi, (c) Lớp đồng phía sau của cấu trúc 83
Hình 4.11: Ô cơ sở của cấu trúc CWP và sự phân cực sóng điện từ với w = 1mm, 85 l = 6 mm, a x = a y = a = 14.5 mm, t d = 1.2 mm, t s = 0.036 mm 85
Trang 15Hình 4.12: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ truyền qua, (b) Phổ hấp thụ của cấu trúc
CWP 85
Hình 4.13: Biến đổi cấu trúc CWP sang cấu trúc hình vuông 86 Hình 4.14: Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa cấu trúc hình vuông theo mô phỏng.86 Hình 4.15: Cấu trúc CWP chuyển sang cấu trúc hình kim cương 87
Hình 4.16: Phổ hấp thụ tương ứng với các cấu trúc: hình vuông (m = 6 mm) sang
cấu trúc bát giác (m = 4 mm và m = 2 mm) và cấu trúc kim cương (m = 0 mm) 90
Hình 4.17: Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc kim cương với giá trị m thay đổi 91
Hình 4.18: (a) Ảnh chụp mẫu chế tạo, (b) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ
hấp thụ cấu trúc kim cương 91
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc kim cương (màu đen), phần
ảo của độ điện thẩm ''(màu cam), độ từ thẩm ''(màu xanh) 92
Hình 4.20: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ hấp thụ cấu trúc hình vuông khi thay đổi
hằng số mạng a, các tham số khác được giữ nguyên như mục 4.2, (b) Phổ hấp thụ của cấu trúc hình vuông với a = 14.5 mm, 18 mm, 21 mm 94
Hình 4.21: (a) Sự phụ thuộc độ từ thẩm, (b) Sự phụ thuộc độ điện thẩm vào hằng số
mạng a, các tham số khác giữ không đổi 94
Hình 4.22: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc kim cương theo góc tới, (a)
Theo mode TE, (b) Theo mode TM 95
Hình 4.23: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ cấu trúc kim cương với hệ số tỉ lệ giảm
Trang 16Hình 4.26: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ truyền qua của cấu trúc cặp vòng xuyến ứng
với bề rộng w = 4.3 mm, (b) Phân bố dòng bề mặt tại mặt trước (dòng trên), mặt sau
(dòng dưới) ứng với mỗi tần số cộng hưởng, các cột từ trái sang phải tương ứng với
Trang 17MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, cuộc cách mạng khoa học công nghệ về tìm kiếm và nghiên cứu vật liệu mới diễn ra rất sôi nổi trên toàn thế giới Việc nghiên cứu tìm ra các loại vật liệu mới tốt hơn, rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đã và đang trở thành nhu cầu cấp thiết Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích tạo ra những vật liệu có tính chất mới lạ so với vật liệu truyền thống trong các ứng dụng thực tế
Vật liệu biến hóa (Metamaterial - MM) là một trong những vật liệu mới đang được quan tâm mạnh mẽ trong những năm gần đây Đây là vật liệu có cấu trúc nhân tạo được hình thành bằng cách sắp xếp và quy luật hóa trật tự các ô cấu trúc, ở đây hình dạng cũng như kích thước của các ô cấu trúc đóng vai trò như những “nguyên tử” trong vật liệu truyền thống Tính chất của vật liệu biến hóa có thể được thay đổi thông qua hình dạng, thành phần và trật tự của các ô cấu trúc
Vật liệu biến hóa được nghiên cứu với rất nhiều hướng khác nhau trong đó loại MM được nghiên cứu đầu tiên và nhiều nhất là vật liệu biến hóa chiết suất âm (NRI) Vật liệu chiết suất âm được chế tạo thành công đầu tiên năm 2000 bởi Smith [1], tính chất của nó (về mặt lý thuyết) được tiên đoán từ năm 1968 bởi Veselago [2] Vật liệu biến hóa chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số Vật liệu này sở hữu nhiều tính chất bất thường như sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, sự nghịch đảo của bức xạ Cherenkov, đặc biệt là ba véc tơ của sóng điện từ: E, H, k tuân theo quy tắc tam diện nghịch.Chính từ lý do này, vật liệu biến hóa chiết suất âm nói riêng và vật liệu biến hóa nói chung được đặc biệt quan tâm nghiên cứu vì những tiềm năng ứng dụng to lớn của nó Một trong ứng dụng quan trọng đầu tiên phải kể đến đó là áo tàng hình được đề xuất bởi Pendy và các cộng sự năm 2006 [3] Bằng cách sắp xếp các lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau một cách hợp lý, lớp vỏ vật liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng quanh một vật thể, biến nó trở thành “tàng hình” thực sự
Trang 18Một đối tượng nữa đang được quan tâm rất mạnh mẽ trong lĩnh vực vật liệu biến hóa đó là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) Vật liệu này được đề xuất và chứng minh đầu tiên vào năm 2008 bởi Landy và các cộng sự Landy
đã chứng minh được vật liệu biến hóa có thể hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng điện
từ và không phản xạ Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có nhiều ưu điểm như mỏng, dễ chế tạo, giá rẻ, dễ điều khiển, đặc biệt là điều khiển được bằng tác động ngoại vi [4] Để khai thác tính nhân tạo cấu trúc của MM, rất nhiều cấu trúc MPA đã được đề xuất và nghiên cứu với mục đích tìm kiếm cấu trúc đơn giản, có dải tần số làm việc rộng nhằm ứng dụng trong thực tiễn như: thiết bi ̣ khoa ho ̣c, y tế, pin năng lượng và đặc biệt trong lĩnh vực quân sự (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiê ̣t, tác chiến đêm) Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu biến hóa còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số, cộng hưởng, ăng ten và cảm biến sinh học [5]
Tính chất thú vị và khả năng ứng dụng đầy triển vọng này của vật liệu biến hóa đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn thế giới Số lượng các nhà khoa học nghiên cứu về vật liệu biến hóa và số lượng các công trình nghiên cứu khoa học được công bố liên quan đến vật liệu này đã tăng đột biến trong những năm vừa qua Gần đây những nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã và đang được quan tâm nghiên cứu tại một số nơi ở nước ta như nhóm nghiên cứu của PGS TS Vũ Văn Yêm trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu của TS Trần Mạnh Cường thuộc Khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội Điển hình là nhóm nghiên cứu của PGS.TS
Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu và thu được một số kết quả quan trọng về vật liệu biến hóa chiết suất âm và vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ [5-7]
Vật liệu biến hóa nói chung hoạt động dựa trên tính chất cộng hưởng từ và cộng hưởng điện từ khi tương tác với các thành phần điện trường Evà từ trườngHcủa sóng điện từ chiếu đến Tuy nhiên, tính chất cộng hưởng thường xảy ra trong vùng
Trang 19tần số hẹp và phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ Do đó, để đưa vật liệu biến hóa vào ứng dụng thực tế cần phải nghiên cứu giải quyết một số vấn đề sau: tìm kiếm vật liệu có cấu trúc đơn giản, có dải tần số hoạt động rộng, không phụ thuộc phân cực sóng điện từ, dễ dàng trong việc chế tạo và triển khai ứng dụng hay tìm kiếm vật liệu
có thể nhận sóng điện từ theo hai chiều cũng đang được quan tâm sâu sắc
Trong nghiên cứu về vật liệu biến hóa của nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu, NCS Đỗ Thành Việt đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ vào năm 2015 Luận án của TS Đỗ Thành Việt đã tập trung nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc và mở rộng dải tần làm việc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc cặp dây bị cắt và cấu trúc đĩa tròn
ở vùng tần số GHz Tuy nhiên các cấu trúc mà TS Đỗ Thành Việt nghiên cứu trong luận án chỉ hấp thụ sóng điện từ theo một hướng xác định mà không nhận sóng theo hướng ngược lại Trong khi đó, NCS Nguyễn Thị Hiền đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ vào đầu năm 2016 về vật liệu biến hóa chiết suất âm Luận án này tập trung nghiên cứu khả năng mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu chiết suất âm dựa trên cấu trúc kết hợp (cặp dây bị cắt với dây kim loại) [6] Tác giả đã thành công trong nghiên cứu mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu chiết suất âm bằng việc sử dụng hiệu ứng lai hóa plasmon Trong hiệu ứng này, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của
sự tương tác giữa các lớp cấu trúc (tương tác ngoại) lên tính chất của vật liệu
Trong luận án này, nghiên cứu sinh tập trung vào nghiên cứu hai nội dung chính đó là: i) Nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa bằng cách
sử dụng hiệu ứng tương tác nội trong cấu trúc: cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng của lớp điện môi, ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc lên sự mở rộng vùng từ thẩm
âm của vật liệu ii) Nghiên cứu tìm kiếm vật liệu biến hóa có cấu trúc hấp thụ đẳng hướng, không phụ thuộc phân cực của sóng điện từ
Với lí do đó, mục tiêu của luận án là thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa:
i) Cấu trúc đơn giản, dải tần số làm việc rộng,
ii) Cấu trúc có tính đối xứng cao, hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ
Trang 20Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Phương pháp nghiên cứu: Luận án được thực hiện dựa trên sự kết hợp của 3
phương pháp: xây dựng mô hình vật lý dựa trên mạch LC kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án: Luận án là một công
trình nghiên cứu khoa học cơ bản Các nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề như mở rộng dải tần hoạt động của MM với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo Ngoài ra luận án thành công trong việc tìm kiếm vật liệu biến hóa có cấu trúc hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ, không phụ thuộc phân cực của sóng điện từ hoạt động ở vùng tần số GHz Kết quả này đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng Quốc phòng như tàng hình ảnh nhiệt trong vùng sóng Rada Không chỉ vậy, đây còn là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo ở vùng tần số cao, tiến tới làm chủ hoàn toàn công nghê ̣ thiết kế chế ta ̣o vâ ̣t liê ̣u biến hóa hoa ̣t đô ̣ng ở vùng hồng ngoa ̣i và nhìn thấy, với nhiều ứng du ̣ng thú vi ̣ trong thực tiễn
Luận án chia thành 4 chương
Chương 1: Tổng quan vật liệu biến hóa
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên độ rộng vùng từ thẩm âm của
vật liệu biến hóa
Chương 4: Vật liệu biến hóa hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ
Trang 21CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA
1.1 Vật liệu biến hóa
1.1.1 Khái niệm vật liệu biến hóa
Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định bởi cấu tạo nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu [8] Từ ý tưởng sắp xếp nguyên tử nhân tạo trong mạng tinh thể, chúng ta có thể tạo ra các vật liệu nhân tạo
có những tính chất đặc biệt không có trong vật liệu tự nhiên
Năm 2000, sự ra đời vật liệu biến hóa có cấu trúc nhân tạo với những tính chất mới khác lạ so với vật liệu truyền thống đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những ô cơ sở có cấu trúc nhất định và được coi như “giả nguyên tử”, khi những “giả nguyên tử” này nhỏ hơn nhiều lần bước sóng (≤ 7 lần) thì các tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện Bằng cách thay đổi tính chất và quy luật sắp xếp của các “giả nguyên tử” chúng ta có thể thu được vật liệu biến hóa có những tính chất mong muốn khác nhau như độ từ thẩm
âm, chiết suất âm hay vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Để hiểu rõ hơn đặc tính của vật liệu biến hóa, Hình 1.1 đưa ra hình ảnh so sánh
về cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa Vật liệu truyền thống được hình thành từ những phân tử, nguyên tử, giữa là hạt nhân, xung quanh là các điện tử Tính chất của vật liệu chủ yếu được quyết định bởi lớp điện tử ngoài cùng và sự sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong khi đó, vật liệu biến hóa được xây dựng bởi các ô cơ sở, mỗi ô cơ sở này tương tự như một nguyên tử của vật liệu truyền thống
và gọi là "giả nguyên tử" Tính chất của vât liệu biến hóa được quyết định chủ yếu bởi hình dạng cấu trúc của “giả nguyên tử” và trật tự sắp xếp của “giả nguyên tử”
Nguyên tắc cơ bản tạo ra vật liệu biến hóa đó là kích thước của “giả nguyên tử” nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hoạt động Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất của vật liệu biến hóa thường được biểu diễn thông qua các giá trị trung bình
và được mô tả dựa trên lý thuyết môi trường hiệu dụng Khi đó, đối với ánh sáng
Trang 22chiếu tới, môi trường vật liệu được coi như đồng nhất (mặc dù trên thực tế nó có thể không đồng nhất) và được đặc trưng bởi hai đại lượng là độ từ thẩm hiệu dụng và
độ điện thẩm hiệu dụng
Hình 1.1: Cấu trúc vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa [9]
Về cấu tạo, vật liệu biến hóa có cấu trúc tương tự như một loại vật liệu nhân tạo khác có tên là tinh thể quang tử (photonic crystals) Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của hai loại vật liệu này hoàn toàn khác nhau về bản chất Cấu trúc ô cơ sở của tinh thể quang tử thường có kích thước cỡ bước sóng và hoạt động dựa trên nguyên
lý nhiễu xạ Trong khi đó, cấu trúc cơ sở của vật liệu biến hóa nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng (cỡ 1/7 lần bước sóng) nhằm mục đích quan sát tính chất cộng hưởng tại
1 tần số nào đó Gần đây, lý thuyết môi trường hiệu dụng đã gây ra nhiều tranh cãi khi kích thước thật của vật liệu biến hóa trong một số trường hợp có thể so sánh được với bước sóng hoạt động [10] Điều này có nghĩa là sự cần thiết của điều kiện nhỏ hơn nhiều lần bước sóng của lý thuyết môi trường hiệu dụng có thể trở thành một chủ
đề để tranh luận Hơn nữa, một lý thuyết môi trường hiệu dụng vượt khỏi giới hạn bước sóng dài cũng đã được phát triển bởi Wu và cộng sự [11] Lý thuyết này có thể
Trang 23phù hợp cho trường hợp sóng tới có bước sóng lớn hơn 1.3 lần kích thước ô cơ sở của vật liệu biến hóa
1.1.2 Phân loại vật liệu biến hóa
Hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu là độ điện thẩm ɛ và độ từ thẩm µ Việc phân loại vật liệu biến hóa có thể dựa trên giá trị âm hay dương của hai đại lượng này (Hình 1.2)
Hình 1.2: Mối liên hệ giữa µ và ε
Hầu hết các loại vật liệu trong tự nhiên đều có cả hai giá trị ɛ và µ dương (ɛ >
0, µ > 0) cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong các vật liệu và có tổn hao rất lớn (góc phần tư thứ nhất) Khi một trong hai giá trị này âm và giá trị còn lại dương (như ở góc phần tư thứ hai và thứ tư) thì sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt
và không thể lan truyền trong vật liệu Trường hợp đặc biệt, vật liệu có độ điện thẩm
và độ từ thẩm đều có giá trị âm (ɛ < 0, µ < 0), vật liệu này gọi là vật liệu chiết suất
âm (góc phần tư thứ ba) Giống như vật liệu chiết suất dương, sóng điện từ cũng có thể lan truyền trong vật liệu có chiết suất âm Vật liệu hấp thụ tuyệt đối được tạo ra dựa trên vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0) hoặc sự kết hợp tổn hao của độ từ thẩm âm (µ < 0) và độ điện thẩm âm (ɛ < 0) trong cùng vật liệu
Trang 24Theo sơ đồ hình 1.2, vật liệu biến hóa có thể phân ra thành 4 loại chính:
Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ɛ < 0
Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): µ < 0
Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0
Vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
1.1.2.1 Vật liệu có độ điện thẩm âm
Trong vật liệu tự nhiên, độ điện thẩm âm 0chỉ xảy ra dưới tần số plasma
và xuất hiện trong một số kim loại quý hiếm như vàng, bạc Sự phụ thuộc của hằng
số điện môi của vật liệu được biểu diễn bởi phương trình Drude [12]
2( ) 1
p i
p
Ne m
Ở đây, N là mật độ điện tử, m e là khối lượng của điện tử, e là điện tích của điện
tử và 0 là độ điện thẩm trong môi trường chân không Tần số plasma của các kim loại thường ở vùng khả kiến hoặc tử ngoại (ví dụ như nhôm có tần số plasma vào cỡ 3.6 PHz [9, 13] Tuy nhiên, tại vùng hồng ngoại gần và thấp hơn, hàm điện môi hoàn toàn là ảo do sự tổn hao là rất lớn
Năm 1996, Pendry đã đề xuất một cấu trúc MM nhân tạo dựa trên lưới dây kim loại mỏng (hình 1.3) để giảm tần số plasma về vùng tần số thấp (GHz) [13] Mô hình này bao gồm một dãy các dây kim loại mỏng, dài vô hạn được đặt song song và cách đều nhau Môi trường lưới dây kim loại này có khả năng hạ thấp đáng kể tần số plasma bởi hai lý do chính: Thứ nhất, mật độ điện tử hiệu dụng loãng bớt vì các điện
tử bị giới hạn bên trong các dây kim loại mỏng nằm trong một ô cơ sở Thứ hai là khối lượng hiệu dụng được tăng lên đáng kể Do các dây kim loại trong mô hình có
Trang 25độ tự cảm rất lớn nên theo định luật Lenz, độ tự cảm này sẽ chống lại tốc độ biến thiên của dòng điện Hệ quả là các điện tử giống như được tăng thêm một khối lượng đáng kể Chi tiết về cơ chế và giải thích hiện tượng được trình bày trong tài liệu tham khảo [13, 14]
Một cách khác cũng cho ta 0 khi sử dụng các cấu trúc cộng hưởng theo mạch LC như cấu trúc vòng cộng hưởng hở (SRR) và cấu trúc thanh kim loại (CW) (Hình 1.4 (a))
Hình 1.3: (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và
khoảng cách giữa các dây là a, (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số [13]
Hình 1.4: (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), cấu trúc dây kim loại bị cắt
và phân cực của điện trường ngoài, (b) Mô hình mạch điện LC tương đương [13]
Trang 26Điểm khác biệt cơ bản giữa cấu trúc cộng hưởng này với mô hình lưới dây kim loại được đề xuất ở trên nằm ở độ rộng của vùng có điện thẩm âm (0) Do bản chất cộng hưởng, các cấu trúc cộng hưởng chỉ có thể tạo ra được 0 trong một dải tần số rất hẹp Trong một số trường hợp, điều này sẽ gây khó khăn trong việc tạo
ra vật liệu có n0, bởi yêu cầu vùng 0 và 0 phải trùng lên nhau
1.1.2.2 Vật liệu có độ từ thẩm âm
Hầu hết các vật liệu thông thường trong tự nhiên đều có độ từ thẩm dương, chỉ
có một số ít vật liệu tồn tại độ từ thẩm âm như vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn Bên cạnh
đó, tính chất độ từ thẩm âm của các vật liệu đó thường chỉ tồn tại ở vùng tần số thấp
và hầu hết bị dập tắt ở vùng tần số lớn hơn GHz Năm 1999, Pendry đã đề xuất mô hình vật liệu biến hóa đầu tiên có độ từ thẩm âm ở vùng tần số GHz [15] gồm một dãy tuần hoàn của hai cấu trúc SRR đơn lồng vào nhau (hình 1.5)
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc SRR và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn [3]
Nguyên lý hoạt động của SRR có độ tự thẩm âm được trình bày trên hình 1.6(a) Khi đặt một từ trường biến thiên hướng vuông góc với SRR, vòng cộng hưởng
sẽ sinh ra một dòng điện Đồng thời, bản thân dòng điện này lại cảm ứng tạo ra một lưỡng cực từ Dưới tần số cộng hưởng 0, cường độ của lưỡng cực điện từ tăng dần theo tần số và cùng pha với trường kích thích Cấu trúc SRR biểu hiện tính thuận từ Khi tần số tiệm cận0, dòng điện sinh ra trong vòng không thể theo kịp trường ngoài
và bắt đầu bị trễ Trên tần số cộng hưởng, lưỡng cực từ càng trễ hơn cho đến khi nó
Trang 27hoàn toàn ngược pha so với trường kích thích Cấu trúc SRR lúc này mang tính chất nghịch từ Trường hợp này được sử dụng để tạo ra độ từ thẩm âm, do tại lân cận tần
số cộng hưởng, tính nghịch từ được tăng cường một cách đáng kể đủ để tạo ra vật liệu có (µ< 0) (hình 1.6(b))
Hình 1.6: (a) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra 0,(b) Độ từ thẩm hiệu dụng cho mô hình SRR với giả thiết là vật liệu không có tổn hao [15]
Cấu trúc SRR đã tạo được vùng có từ thẩm âm nhưng còn hạn chế lớn đó là
véc tơ từ trường H phải vuông góc với mặt phẳng mẫu, khiến cho quá trình đo thực nghiệm rất khó khăn Một cấu trúc rất được quan tâm gần đây đó là cấu trúc cặp dây
bị cắt (CWP) Cấu trúc này bao gồm một lớp điện môi ở giữa được tiếp xúc với hai
chiều
Trang 28thanh kim loại ở hai mặt bên Cấu trúc CWP thực chất được biến đổi từ cấu trúc SRR
như được thể hiện trên hình 1.7 và do đó nó cũng thể hiện tính chất từ (0)
Ngoài ra, ưu điểm vượt trội của cấu trúc CWP hơn so với cấu trúc SRR đó là
cấu trúc CWP cho phép tạo ra độ từ thẩm âm mà chỉ cần sử dụng đơn lớp khi véc tơ
truyền sóng k vuông góc với mặt phẳng mẫu
Hình 1.7: (a) Cấu trúc SRR và phân cực sóng điện từ; (b) Sự biến đổi từ cấu trúc
SRR thành cấu trúc CWP
1.1.2.3 Vật liệu chiết suất âm
Lý thuyết về vật liệu chiết suất âm
Hệ phương trình Maxwell đóng vai trò quan trọng trong tương tác của vật liệu biến
hoá với sóng điện từ Hệ phương trình Maxwell [16] (trong hệ CGS) viết cho các loại
vật liệu trong môi trường sóng phẳng tuần hoàn có dạng:
0
0
k H E (1.4) Biểu thức (1.3), (1.4) rất quan trọng, thể hiện rõ nguồn gốc bản chất của vật
liệu chiết suất âm Nếu cả ε và μ cùng dương, ba véc tơ E H k , , tạo thành một tam
diện thuận Trong trường hợp ε và μ đồng thời âm, ba véc tơ E H k, , sẽ tạo thành một
tam diện nghịch Cùng lúc đó, hướng của dòng năng lượng được xác định bởi véc tơ
Trang 29Poynting S không phụ thuộc vào dấu của ε và μ:
S E H (1.5) Véc tơ Poynting S luôn hướng ra ngoài nguồn phát xạ Đối với vật liệu có ε
và μ cùng dương, véc tơ sóng k hướng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai véc tơ S và k
song song với nhau) Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có ε và μ cùng âm, khi đó
véc tơ sóng k hướng vào nguồn phát xạ (hai véc tơ S và k đối song), hiện tượng này còn được gọi là sóng ngược (backward wave) Đây là một trong những điểm khác
biệt rõ nhất 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
Nguyên tắc tạo ra vật liệu chiết suất âm
Vật liệu chiết suất âm được tạo lần đầu tiên bởi nhóm Smith vào năm 2000 [1] Cấu trúc chế tạo dựa trên sự kết hợp mô hình lưới dây kim loại (thành phần tạo
độ điện thẩm ɛ < 0) [13] và vòng cộng hưởng có rãnh (thành phần tạo độ từ thẩm µ <
0) được đề xuất bởi Pendry [15] Hình 1.8 trình bày mẫu chế tạo và phổ truyền qua của vật liệu chiết suất âm hoạt động ở vùng tần số GHz Kết quả cho thấy, khi lưới
dây kim loại (ɛ < 0) được thêm vào, vùng không truyền qua của SRR (µ < 0)
chuyển thành vùng truyền qua Đây là một mốc rất quan trọng, đánh dấu sự tồn tại vật liệu chiết suất âm Kể từ đó rất nhiều cấu trúc biến đổi khác được đề xuất
và kiểm chứng để có thể tạo ra vật liệu chiết suất âm có dải tần từ vi ba đến vùng ánh sáng nhìn thấy
Hiện nay, nhìn chung có hai cách tạo ra vật liệu chiết suất âm:
Cách 1: Vật liệu được cấu tạo từ hai thành phần cấu trúc điện và từ: thành phần
từ tạo ra độ từ thẩm âm, thành phần điện tạo ra độ điện thẩm âm như cấu trúc kết hợp [17], cấu trúc Φ, cấu trúc fishnet [17] (hình 1.9)
Cách 2: Điều chỉnh các tham số cấu trúc sao cho cộng hưởng điện chồng chập cộng hưởng từ như cấu trúc CWP [18], cấu trúc hình hoa [19] (hình 1.10)
Trang 30Hình 1.8: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz, (b) Phổ phản xạ và
truyền qua của vật liệu có cấu trúc ở hình (a) [4]
Hình 1.9: a) Sự kết hợp giữa thanh kim loại liên tục và CWP tạo ra cấu trúc
kết hợp cho n < 0, b) Cấu trúc dạng lưới - FN một cấu trúc biến đổi của
cấu trúc kết hợp [17]
(b) (a)
(b) (a)
Trang 31Hình 1.10: (a) Cấu trúc CWP, (b) Cấu trúc hình hoa
1.1.2.4 Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới, không có thành phần phản
xạ Do MPA được tạo dựa trên cấu trúc cộng hưởng điện từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng Tại tần số cộng hưởng, độ truyền qua, độ phản xạ gần như bằng không [4]
Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối đầu tiên được đề xuất bởi Landy và cộng
sự vào năm 2008 [4] Cấu trúc ô cơ sở cuả MPA bao gồm một vòng cộng hưởng có rãnh mặt trước, một thanh CW mặt sau ngăn cách bởi lớp điện môi (hình 1.11(a)) Trên phổ hấp thụ của MPA này có 1 đỉnh hấp thụ 96% ở tần số 11.48 GHz (hình 1.11(b)) Mặc dù ở cấu trúc này, vật liệu có độ hấp thụ tốt nhưng đây là một cấu trúc khá phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi với sai số tham số cấu trúc dưới 1%
Do vậy khi áp dụng cấu trúc Landy cho vùng tần số cao, kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu đòi hỏi độ chính xác cao càng trở lên khó khăn Ngoài ra, để hướng tới ứng dụng, việc tối ưu hóa cấu trúc, mở rộng dải tần hấp thụ là vấn đề cần được quan tâm thực sự
Trang 32Hình 1.11: (a) Các thành phần cấu trúc, (b) Phổ phản xạ (xanh lục), phổ truyền qua
(xanh lam), phổ hấp thụ (màu đỏ) của MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm
2008 [4]
Với đối tượng nghiên cứu chính là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ, việc tìm hiểu chi tiết tổng quan về vật liệu này là điều rất cần thiết Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết ở mục 1.2
1.1.3 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa
Một trong đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo và có thể điều khiển được tính chất điện - từ của vật liệu dựa trên việc điều khiển cấu trúc, các tham số cấu trúc và tác động ngoại vi Với đặc tính nhân tạo này, MM hứa hẹn có nhiều tiềm năng ứng dụng to lớn có ý nghĩa trong thực tế
Đối với vật liệu chiết suất âm, ứng dụng hấp dẫn nhất là siêu thấu kính [20] Điểm khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính quang học ở chỗ đây là thấu kính phẳng, tuy nhiên cấu tạo bởi MM chiết suất âm nên nó hoạt động giống như một thấu kính hội tụ Nhờ có chiết suất âm, siêu thấu kính có khả năng khôi phục không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần bị dập tắt nên độ phân giải tăng lên rất nhiều
so với thấu kính thông thường (hình 1.12) Ứng dụng này được sử dụng rộng rãi trong
y học hình ảnh siêu phân giải, hình ảnh quang học Các siêu thấu kính đầu tiên hoạt động ở miền GHz đã được thử nghiệm vào năm 2004 [21], thí nghiệm này chứng minh độ phân giải tốt hơn 3 lần giới hạn nhiễu xạ Sau đó, Fang đề xuất lần đầu các
Trang 33siêu thấu kính quang học sử dụng màng mỏng bạc [22], phá vỡ các giới hạn nhiễu xạ
và cho hình ảnh phân giải cao Một ứng dụng khác không thể không nói đến về MM
đó là “áo choàng tàng hình” Đây là một trong những ứng dụng thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu Vật liệu tàng hình được tạo ra từ một tập hợp các lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau làm uốn cong đường đi của sóng điện từ (hình 1.13)
Hình 1.12: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính [20]
Hình 1.13: (a) Mô hình của áo choàng tàng hình (b) Ánh sáng có thể bị bẻ cong
không phản xạ vì vậy vật thể được “tàng hình”[23]
Trang 34Từ mô hình này [23], gợi mở khả năng hiện thực hóa thiết bị tàng hình hoạt động ở miền GHz trong tương lai (hình 1.13) Ngoài những ứng dụng quan trọng kể trên, vật liệu biến hóa có rất nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần
số [24, 25] cộng hưởng [26, 27], cảm biến sinh học [28, 29] đặc biệt là đặc tính hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ của loại vật liệu này [30-32]
Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ là một trong những điểm nhấn
về ứng dụng tương lai của vật liệu biến hóa Ứng dụng đầu tiên của vật liệu hấp thụ
là bộ phát nhiệt chọn lọc dựa trên nguyên tắc bức xạ nhiệt theo định luật Kirchhoff [33] Bên cạnh đó, MPA có ứng dụng nổi bật về cảm biến và thiết bị dò bức xạ Vật liệu biến hóa có thể được dùng tích hợp vào các thiết bị phân tích phổ và cảm biến, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị này tới các thang THz và vùng vi sóng [34-36] Ngoài ra, MPA có thể được ứng dụng trong thiết kế trực tiếp thành các
bộ dò plasmonic ở vùng hồng ngoại gần Cơ sở cho ý tưởng này là một biến thiên nhỏ của vật liệu cũng có thể gây ra sự thay đổi được đo trong đặc tính quang học của cảm biến Thực nghiệm cho thấy ứng dụng này có hiệu quả cao hơn nhiều lần so với các thiết bị hiện nay [37] Ngoài các ứng dụng trên, rất nhiều các ứng dụng khác nhau của MPA vào nhiều lĩnh vực cũng đang được nghiên cứu và phát triển MPA ứng dụng trong các mạch tích hợp photonic, quang phổ, hình ảnh và điều khiển vi sóng cũng đang được tập trung nghiên cứu bởi nhiều nhóm trên khắp thế giới Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, khả năng chế tạo MM hấp thụ ánh sáng mặt trời cũng có triển vọng lớn trong việc ứng dụng làm pin mặt trời hiệu suất cao
1.2 Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
1.2.1 Sự hấp thụ của vật liệu truyền thống
Để hiểu một số tính chất liên quan đến vật liệu hấp thụ sóng điện từ, trước tiên chúng ta nhắc lại khái niệm về vật liệu điện từ đã được nghiên cứu trong tài liệu [38-40] Dưới tác động của sóng điện từ, hai phương trình sóng của hai thành phần điện
và từ có thể được viết:
Trang 35Trong đó P M, tương ứng là véc tơ mô men lưỡng cực điện, véc tơ từ hóa m là hệ
số từ tắt dần, e là hệ số điện tắt dần, 0 là tần số cộng hưởng, p là tần số plasma
đo độ lớn tương tác giữa dao động và trường điện hoặc từ, e và m là các chỉ số chỉ
ảnh hưởng của điện hoặc từ Giả sử môi trường vật liệu được mô tả bởi các biểu thức sau đây:
Tính chất của vật liệu khi tương tác với sóng điện từ đặc trưng bởi hai tham số
đó là độ điện thẩm hiệu dụng và độ từ thẩm hiệu dụng Đây là hai đại lượng cơ bản xác định sự lan truyền sóng điện từ tương tác với vật liệu
Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, còn gọi là lý thuyết Poynting [40],
Trang 36chúng ta nghiên cứu sự mất mát năng lượng sóng điện từ khi truyền qua vật liệu, thông qua hai đại lượng đó là độ điện thẩm hiệu dụng và độ từ thẩm hiệu dụng
Từ hệ phương trình Maxwell, ta có phương trình Poynting dạng tích phân:
2 0
Trang 371.2.2 Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa
MPA được tạo nên bởi các cấu trúc cộng hưởng điện, từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng Tại tần số hấp thụ cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ xấp xỉ bằng không Bằng việc điều khiển tính chất cộng hưởng của vật liệu biến hóa thông qua việc điều khiển cấu trúc cũng như các tham số cấu trúc, chúng ta thu được vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Cấu trúc MPA thường có ba lớp: (i) lớp trên cùng là một cấu trúc tuần hoàn bằng kim loại, (ii) giữa là lớp điện môi và (iii) dưới cùng là tấm kim loại
Hiện nay có hai cơ chế chính được sử dụng rộng rãi để giải thích vai trò của từng lớp cấu trúc của MPA Cơ chế thứ nhất giải thích dựa trên sự phối hợp trở kháng,
cơ chế thứ hai giải thích dựa trên giao thoa triệt tiêu Dưới đây chúng tôi trình bày vai trò của từng lớp cấu trúc thông qua hai cơ chế trên
1.2.2.1 Cơ chế hấp thụ dựa trên sự phối hợp trở kháng
Sóng điện từ tới bề mặt phân cách thì có thể bị phản xạ, truyền qua, hấp thụ, tán xạ hoặc có thể kích thích sóng điện từ bề mặt (surface plasmonic) Các nhà khoa học đã chứng minh rằng đối với MPA, tại tần số xảy ra hấp thụ thì tán xạ và hiện tượng sóng bề mặt không đáng kể [4] Vì vậy, ta có thể tính độ hấp thụ như sau:
A = 1 – R – T (1.16)
Ở đây T là độ truyền qua, R là độ phản xạ, A là độ hấp thụ
Độ phản xạ và hệ số phản xạ trong trường hợp sóng phân cực TE và TM:
r
n R
n R
Trang 382 2 0
0
r r
Chuỗi tuần hoàn các cấu trúc phẳng bằng kim loại mặt trước và tấm kim loại mặt sau ngăn cách bởi điện môi tạo ra cộng hưởng từ Khi đó năng lượng sóng điện
từ chiếu đến được tiêu tán trên lớp kim loại và lớp điện môi của vật liệu, một phần nhỏ của năng lượng được sử dụng và duy trì để tạo ra cộng hưởng từ, đó là nguyên nhân dẫn đến tính chất hấp thụ tuyệt đối của vật liệu (hình 1.14)
Hình 1.14: Mô phỏng tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong cấu trúc Landy [4]
Trang 39Trong vùng vi sóng (1 GHz – 30 GHz), tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong vật liệu MPA chủ yếu ở lớp điện môi Tiêu tán trong lớp điện môi lớn hơn tiêu tán trong kim loại một bậc (khoảng 10 lần) Điều này đã được chứng minh trong cấu trúc của Landy [4]
1.2.2.2 Cơ chế hấp thụ dựa trên giao thoa triệt tiêu
Lý thuyết giao thoa sóng phủ nhận vai trò của cộng hưởng từ Ở đây hai lớp kim loại trong vật liệu hấp thụ đóng vai trò như các mặt phản xạ sóng Lựa chọn vật liệu điện môi có bề dày và hằng số điện môi sao cho sóng phản xạ từ lớp cấu trúc tuần hoàn bằng kim loại và sự chồng chập của nhiều phản xạ giữa hai lớp kim loại ngược pha nhau dẫn đến phản xạ triệt tiêu hoàn toàn Ngoài ra tấm kim loại mặt sau đóng vai trò chặn sóng điện từ đến dẫn đến độ truyền qua bằng không Đó chính là nguyên nhân gây ra độ hấp thụ lớn nhất [41]
Hình 1.15: Mô hình đường truyền ánh sáng đến MPA [41]
Hiện nay hai cơ chế hấp thụ nêu trên được áp dụng song song, tuy nhiên hai
cơ chế trên vẫn chưa giải quyết triệt để được các vấn đề nghiên cứu tương tác của MPA với sóng điện từ, có trường hợp thì sử dụng cơ chế này, có trường hợp sử dụng
cơ chế kia
Trang 401.2.3 Một số phương pháp thiết kế vật liệu biến hóa
Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ đầu tiên được đề xuất bởi Landy và các cộng sự vào năm 2008 là cấu trúc khá phức tạp dựa trên vòng cộng hưởng Do vậy cấu trúc này gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo và đo đạc
Từ đó đến nay có rất nhiều cấu trúc khác nhau đã được đề xuất để cải tiến cấu trúc của Landy Một trong những cấu trúc có thể kể đến là cấu trúc “dấu cộng” do chính Landy đề xuất một năm sau đó [42] Cấu trúc này tuy đơn giản và dễ chế tạo hơn, nhưng độ hấp thụ giảm mạnh, chỉ còn 78% Bằng cách kết hợp mạch cộng hưởng điện có dạng vòng hở với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis ở Đại học Iowa đề xuất có nhiều ưu điểm nổi trội hơn [43] Kết quả thu được, cho thấy độ hấp thụ cao, không ảnh hưởng bởi phân cực sóng, có khả năng hấp thụ với góc tới trên diện rộng, tuy nhiên vẫn đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp Quá trình tìm kiếm một cấu trúc MPA tối ưu vẫn đang tiếp diễn mạnh mẽ trong mọi dải tần từ GHz, THz đến vùng tần số quang học [44-49], điển hình tập trung vào một số cấu trúc như cấu trúc nhẫn tròn, cấu trúc đĩa tròn… bởi tính đối xứng hình học của cấu trúc
Vật liệu hấp thụ tại một tần số xác định nên chỉ có thể ứng dụng trong một số trường hợp giới hạn Đối với phần lớn ứng dụng, vật liệu cần được thiết kế có đặc tính hấp thụ dải tần rộng, không phụ thuộc vào phân cực sóng Sự không phụ thuộc vào phân cực sóng có thể đạt được bằng các cấu trúc đối xứng của các phần tử kim loại mặt trên Để đạt được hấp thụ dải rộng, một số phương pháp đã được đề xuất như đặt nhiều hơn một cấu trúc cộng hưởng trên một siêu ô cơ sở
Về cơ bản, có 2 phương pháp để thiết kế vật liệu biến hóa có dải tần làm việc rộng: (i) các cấu trúc được xếp trên cùng mặt phẳng tạo ra siêu ô cơ sở và (ii) các cấu trúc được đặt trên trục vuông góc với mặt phẳng mẫu Trong trường hợp các cấu trúc cộng hưởng có kích thước khác nhau được sắp xếp trên cùng mặt phẳng tạo thành siêu ô cơ sở sẽ thu được nhiều đỉnh hấp thụ tại tần số khác nhau Khi các đỉnh này gần nhau sẽ thu được dải hấp thụ rộng Trong trường hợp các ô đặt trên trục vuông góc với mặt phẳng mẫu, mẫu tạo ra cấu trúc dạng kim tự tháp, mỗi một lớp mẫu sẽ
