Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)

Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ 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

Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: (ghi tên các thư viện nộp luận án: Thư viện quốc gia, Thư viện Học viện

Khoa học và Công nghệ, Thư viện Viện….)

1

MỞ 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 vật liệu có cấu trúc nhân tạo được hình thành bằng cách sắp xếp và quy luật hóa trật tự các ô cấu trúc 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

Có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về vật liệu biến hóa, trong đó vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là một trong những đối tượng đang được quan tâm rất mạnh mẽ 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 bằng tác động ngoại vi [4] Bằng cách khai thác tính nhân tạo cấu trúc, 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

để đưa vào 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]

Dựa trên những tính chất thú vị và khả năng ứng dụng đầy triển vọng 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 Vật liệu biến hóa nói chung đều hoạt động dựa trên tính chất cộng hưởng từ và cộng hưởng điện từ khi tương tác với các thành phần điện trường E và từ trường Hcủa sóng điện từ chiếu đến Tuy nhiên các tính chất cộng hưởng thường xảy ra trong vùng tần số hẹp và phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ Do đó trước khi 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,

dễ dàng trong việc chế tạo, triển khai ứng dụng, không phụ thuộc phân cực sóng điện từ; vật liệu có dải tần số hoạt động rộng hay vật liệu nhận sóng điện từ đẳng hướng cũng đang được quan tâm sâu sắc

Trong lĩnh vực vật liệu biến hóa của nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa họcVật liệu, NCS Đỗ Thành Việt đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về vật liệu

2

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 có 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

Đối 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, vớ i nhiều ứng du ̣ng thú vi ̣ trong thực tiễn

Luận án chia thành 4 chương

Chương 1: Tổng quan vật liệu biến hóa

3

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

Bố cụ của luận án: Luận án gồm 117 trang, bao gồm: phần mở đầu, 4

chương nội dung với 86 hình vẽ, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo, danh sách tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố và phụ lục Các kết quả chính của luận án đã được công bố trên 6 bài báo trên các tạp chí trong nước, quốc tế và kỷ yếu hội nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA 1.1 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

Theo 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

1.2 Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ

1.2.2 Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa

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

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

Ở đây T là độ truyền qua, R là độ phản xạ, A là độ hấp thụ

Trường hợp nếu chiếu sóng điện từ vuông góc với mẫu ta có độ phản xạ:

0 0

r r

A = 1 – R = 1 –

0 0

từ, đó là nguyên nhân dẫn đến tính chất hấp thụ tuyệt đối của vật liệu

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 [42]

Hình 1.15: Mô hình đường truyền ánh sáng đến MPA [42]

5

1.2.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu biến hóa

Cấu trúc MPA 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 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 [45-50] điển hình tập trung vào một số cấu trúc như cấu trúc vòng xuyến, 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 với phân cực sóng Sự không phụ thuộc với 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 tạo ra một đỉnh cộng hưởng Các đỉnh cộng hưởng này gần nhau, chồng chập lên nhau tạo ra dải hấp thụ rộng [26-27]

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về vật liệu biến hóa: khái niệm vật liệu biến hóa, phân loại vật liệu biến hóa và một số ứng dụng của vật liệu biến hóa Đặc biệt luận án tập trung trình bày MPA hoạt động ở các dải tần khác nhau với những ứng dụng của loại vật liệu này Ngoài ra luận án trình bày chi tiết về cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa để giải thích vai trò từng lớp cấu trúc của MPA, cũngnhư đưa ra các phương pháp thiết kế và chế tạo vật liệu với các dải tần số khác nhau

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu vật liệu biến hóa

Các nghiên cứu tương tác của vật liệu biến hóa với sóng điện từ sử dụng trong luận án được thực hiện dựa trên sự kết hợp của ba phương pháp đó là phương pháp mô hình vật lí dựa trên mạch LC tương đương, phương pháp mô phỏng và phương pháp thực nghiệm

2.3 Phương pháp mô hình vật lí dựa trên mạch LC tương đương

6

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

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

bởi Zhou và cộng sự [59] Từ mô hình này, ta có thể tính được tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng hấp thụ tuyệt đối hay tính chất chiết suất âm của vật liệu theo các tham số cấu trúc

2.4 Phương pháp mô phỏng vật lý

Luận án sử dụng phần mềm CST để nghiên cứu sự tương tác trường điện

từ với vật liệu bởi phần mềm CST được nhiều công trình quan trọng trên các tạp chí uy tín sử dụng, hơn nữa Viện Khoa học Vật liệu đã mua bản quyền phần mềm này

Một trong các bước quan trọng khi sử dụng phần mềm CST là thiết lập các tham số đầu vào gồm: vật liệu (có thể lấy từ ngân hàng vật liệu có sẵn hoặc đưa các thông số của vật liệu mới không có sẵn trong chương trình mô phỏng), hình dạng, kích thước và các tham số cấu trúc của ô cơ sở, điều kiện biên, môi trường xung quanh vật liệu Các tham số đầu ra thu được bao gồm: các tham số tán xạ

dưới dạng phức như hệ số truyền qua S 21 , hệ số phản xạ S 11, từ đó độ phản xạ

R(ω) và độ truyền qua T(ω) có thể thu được tương ứng từ T(ω) = |S 21|2 và R(ω) =

|S 11|2 và các pha của sóng điện từ khi đi qua cấu trúc vật liệu biến hóa vừa cho ta

có thể tính toán được độ hấp thụ của vật liệu A = 1 – (T + R)

2.5 Phương pháp thực nghiệm

Vật liệu luận án lựa chọn hoạt động trong dải tần 12 – 18 GHz vì vậy luận

án tiến hành chế tạo vật liệu bằng phương pháp quang khắc

Quy trình chế tạo mẫu: Vật liệu ban đầu để chế tạo mẫu đó là một tấm phôi thương mại (SME, Hàn Quốc) gồm lớp điện môi FR -4 hai bên được phủ đồng (Cu)

Hình 2.13: Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa

Bước 1: Chiếu sáng

- Chiếu sáng, nguồn ánh sáng là đèn halogel công suất 45W

- Mặt nạ được đặt sát mẫu

7

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

- Thời gian chiếu sáng từ 15 ÷18 phút

Bước 2: Tẩy rửa lớp cảm quang

Sử dụng chất rửa cảm quang SME, với một gói hóa chất rửa cảm quang 200g, lượng nước pha thích hợp là 1 lít và dùng được trong khoảng 20 mẫu có kích thước 10 x15 cm

- Thời gian: 2 ÷ 5 phút ngâm trong dung dịch chất rửa cảm quang SME

- Nhiệt đô: 40 - 50 0C

Bước 3: Ăn mòn, tạo cấu trúc

Sử dụng chất ăn mòn SME, một gói hóa chất rửa cảm quang 300g, lượng nước pha thích hợp là 2 lít và dùng được trong khoảng 20 đến 30 mẫu có kích thước 10 x15 cm

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

- Nhiệt độ: 30 - 4 0 0C

Bước 4: Hiện hình cấu trúc

- Chiếu sáng: 10 - 15 phút

Thời gian tẩy rửa: 2 phút ngâm trong dung dịch chất rửa cảm quang SME

Đo đạc mẫu: Để nghiên cứu các tính chất của vật liệu, chúng tôi tiến hành

đo phổ truyền qua và phổ phản xạ của vật liệu bằng hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ Thiết bị này được trang bị tại Viện Radar - Viện KHCN quân sự

Tính toán tham số hiệu dụng: Rất khó để xác định độ điện thẩm, độ từ thẩm,

chiết suất, trở kháng bằng phương pháp thực nghiệm Chính vì vậy để xác định các thông số này, chúng tôi sử dụng thêm phương pháp tính toán của Chen[57]

2.6 Kết luận chương 2

Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận

án như phương pháp mô phỏng, phương pháp thực nghiệm và mô hình lý thuyết dựa trên mạch LC cho nghiên cứu tương tác giữa sóng điện từ và MM Đối với phương pháp mô phỏng, luận án sử dụng phần mềm mô phỏng thương mại CST Trong khi đó mô hình lý thuyết được tính toán dựa trên mô hình mạch LC của Zhou Phương pháp thục nghiệm, luận án sử dụng công nghệ quang khắc cho chế tạo mẫu, việc đo đạc tính chất điện từ của vật liệu thông qua máy phân tích mạng véc tơ Ngoài ra luận án sử dụng thêm thuật toán của Chen để tính toán thêm các tham số hiệu dụng khác như  , , ,n z

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ RỘNG VÙNG TỪ THẨM ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA

Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu MMs bắt đầu từ cấu trúc CWP Đây là cấu trúc truyền thống, cơ bản của vật liệu biến hóa với ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, dễ ứng dụng thực tiễn

8

Trước tiên, luận án nghiên cứu mở rộng vùng từ thẩm âm thông qua việc hiệu chỉnh độ dày lớp điện môi Đặc biệt trong phần này, luận án nghiên cứu xây dựng biểu thức tổng quát xác định tần số cộng hưởng từ, độ mở rộng vùng từ thẩm âm dựa trên việc tính đến tương tác nội (tương tác giữa hai thanh CW trong một cấu trúc cộng hưởng) Ngoài ra, với mong muốn tìm ra một phương pháp khác để mở rộng vùng từ thẩm âm, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tính đối xứng và tính bất đối xứng của cấu trúc CWP theo phương điện trường, từ trường

và theo cả hai phương Đây cũng là một ý tưởng mới để nghiên cứu mở rộng vùng cộng hưởng từ

3.2 Vai trò của độ dày lớp điện môi lên mở rộng vùng từ thẩm âm

3.2.1 Mô hình lí thuyết

Tần số cộng hưởng từ trong cấu trúc CWP đã được Zhou và cộng sự [59] tính toán qua mô hình mạch điện LC trong công thức (2.6) (trình bày ở chương 2) Trong công thức này, tần số cộng hưởng từ chỉ phụ thuộc vào chiều dài của

một thanh CW và hằng số điện môi ɛ của lớp điện môi ở giữa hai CW Tuy nhiên

một số kết quả thực nghiệm cho thấy độ dày lớp điện môi có ảnh hưởng mạnh đến tần số cộng hưởng từ [60, 61, 79] Vì vậy, luận án đề xuất mô hình mới tính

độ tự cảm L m và điện dung C m trong mô hình mạch LC khi tính đến tương tác

tương hỗ giữa các thanh CW Khi đó điện dung C m và độ tự cảm L m được tính toán bởi công thức:

 0 2 2 2

t



với l là chiều dài thanh CW, w là bề rộng thanh CW, 𝑡𝑠 là độ dày thanh CW,

𝑡𝑑 là độ dày lớp điện môi, c1 là hệ số 0,2 ≤ 𝑐1 ≤ 0,3

Do vậy tần số cộng hưởng từ trong trường hợp này là:

CW cũng như độ dày của lớp điện môi 𝑡𝑑 Cần chú ý, khi độ dày thanh CW 𝑡𝑠

rất nhỏ so với bề rộng w của thanh( 𝑡𝑠 ≪ 𝑤), t s rất nhỏ so với độ dày lớp điện

môi t d (𝑡𝑠 ≪ 𝑡𝑑) thì biểu thức (3.2) trở về biểu thức (2.6) của Zhou Nói cách khác tương tác hỗ cảm không được tính đến trong công thức của Zhou

Tiếp theo, với mục đích tập trung nghiên cứu vai trò của độ dày lớp điện môi lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm Độ mở rộng tương đối vùng tần số có độ

từ thẩm âm:

0

1 1 1

f

3.2.2 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Hình 3.4(a) và (b) trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ truyền

qua của sóng điện từ tương ứng với các giá trị độ dày t d = 0.4, 0.8 và 1 mm

Hình 3.4: Phổ truyền qua theo bề dày t d = 0.4, 0.8, 1.0 mm

(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm

Để có sự so sánh giữa về kết quả mô phỏng, thực nghiệm và tính toán lý thuyết, bảng 3.1 trình bày các giá trị tần số cộng hưởng tại độ dày từ 0.4 mm đến

1 mm

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

(b) (a)

10

án đưa ra là phù hợp Đặc biệt, kết quả mô phỏng và thực nghiệm còn cho thấy

vùng cộng hưởng từ được mở rộng ra với cường độ mạnh hơn khi tăng t d Để

quan sát rõ hơn hiện tượng này, hình 3.5 trình bày kết quả phổ truyền qua theo

độ dày lớp điện môi tăng liên tục từ 0.1 – 1.0 mm Kết quả cho thấy độ rộng phổ

truyền qua rất hẹp, cường độ yếu khi độ dày lớp điện môi nhỏ Tuy nhiên khi

tăng độ dày lớp điện môi lên tới 1 mm, bề rộng phổ truyền qua rộng hơn với

cường độ mạnh hơn

Hình 3.5: Phổ truyền qua phụ thuộc bề dày điện môi

Dựa trên thuật toán truy hồi của Chen [57], hình 3.6 (a) trình bày sự phụ

thuộc độ từ thẩm theo độ dày điện môi Kết quả thu được cho thấy sự cải thiện

đáng kể vùng từ thẩm âm khi độ dày t d tăng Cụ thể: khi độ dày lớp điện môi tăng

từ 0.2 đến 1.0 mm tương ứng với độ từ thẩm âm được mở rộng từ 3.6% (0.55

GHz ở tần số trung tâm 13.79 GHz) lên 17% (2.42 GHz ở tần số trung tâm 14.26

GHz) Tiếp đó luận án tiến hành tính toán độ rộng vùng từ thẩm âm theo độ dày

điện môi dựa theo biểu thức 3.13 của mô hình tính toán lý thuyết Kết quả thu

được từ hai phương pháp nêu trên được trình bày trên bảng 3.2

Hình 3.6: Sự phụ thuộc độ từ thẩm tại t d = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm

11

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

Kết quả một lần nữa cho thấy sự khá đồng nhất giữa mô phỏng và tính toán

lý thuyết Như vậy, độ dày lớp điện môi đóng vai trò rất quan trọng trong việc

mở rông dải tần số làm việc của vật liệu biến hóa Khi tăng độ dày lớp điện môi,

độ rộng dải tần làm việc cũng tăng

3.3 Ảnh hưởng của tính bất đối xứng lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm của cấu trúc CWP

3.3.1 Mô hình mạch LC tương đương

Hình 3.7(a) trình bày cấu trúc CWP bất đối xứng theo phương điện trường thông qua việc tăng chiều dài một thanh CW và giữ cố định kích thước của thanh còn lại Hình 3.7(b) trình bày mô hình mạch điện LC tương đương của cấu trúc CWP bất đối xứng Sự bất đối xứng cấu trúc dẫn đến sự thay đổi phân bố điện tích trên hai đầu cặp CW, tạo ra các giá trị điện dung khác nhau một lượng nhỏ

C

 (do bề dày lớp điện môi t dnối giữa hai đầu điện tích trái dấu thay đổi) Các giá trị điện dung này tạo ra các cộng hưởng từ rất gần nhau Chính nhờ sự kết hợp như vậy mà vùng từ thẩm âm được mở rộng

Hình 3.7: (a) Cấu trúc CWP chuyển từ đối xứng sang bất đối xứng (phương

điện trường E), (b) Mạch điện tương đương của cấu trúc CWP bất đối xứng

12

Dựa trên biểu thức thức (2.2) và (2.6) ta xác định được biểu thức độ mở rộng tương đối vùng từ thẩm âm của cấu trúc bất đối xứng so với cấu trúc đối xứng

d

t f



   

Với ∆C/C là tỉ số giữa độ thay đổi điện dung so với giá trị điện dung ban

đầu Tỉ số này được xác định dựa vào các thông số của cấu trúc CWP bất đối xứng như sau:

t t

 theo

d

l t

, khi  l 0 hay 0

d

l t

   

Hình 3.8 cho thấy khiltăng bề dày lớp điện môi nối hai điện tích tăng, kết quả

độ mở rộng tương đối vùng cộng hưởng từ tăng Đặc biệt khi l 2t d, độ mở rộng

vùng từ thẩm âm có thể lên tới 50%

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của , d

d

t f



Để có cái nhìn tổng quát về sự ảnh hưởng của tính bất đối xứng trong cấu trúc CWP lên khả năng mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu Chúng tôi tiếp tục nghiên cứu phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc CWP theo phương từ trường của

sóng điện từ bằng cách tăng chiều rộng w của một thanh và giữ nguyên kích thước

thanh CW còn lại Hình 3.9 trình bày cấu trúc CWP đối xứng chuyển sang cấu

trúc CWP bất đối xứng theo phương w (phương chiều rộng của thanh) Khi tăng kích thước w, tương tự như trường hợp tăng chiều dài l, tuy nhiên điện trường

hình thành giữa hai thanh CW của cấu trúc có phương vuông góc với điện trường

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8