Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa một chiều hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc đĩa tròn

Một trong những vấn đề then chốt đó là tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc đơn giản để thuận lợi cho việc chế tạo, đặc biệt là tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ không phụ thu

ỜI

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tôi đã nghiên cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Đình Lãm các số liệu và kết quả là trung thực chưa được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận văn

GƯỜI

PHẠM HẢI

ỜI Ả Ơ

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS TS Vũ

Đình Lãm, người thầy đã dành rất nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn tôi

nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn CN.Vũ Đình Quý, CN Lê Đình Hải, CN Trịnh

Thị Giang, NCS Đặng Hồng Lưu, TS Nguyễn Thị Hiền, NCS Phạm Thị Trang,

TS Nguyễn Thanh Tùng…và các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial -

Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm

KH&CN Việt Nam đã giúp đỡ, tương trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài

nghiên cứu tại nhóm

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện ITIMS đã tận tình giảng dạy,

đào tạo và tạo điều kiện trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu luận văn này

Luận văn này được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài cấp Viện Hàn

lâm KH&CN Việt Nam mã số VAST 03.02(15-16)

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi

trong quá trình học tập và nghiên cứu

Hà nội, ngày 27 tháng 9 năm 2016

HỌC VIÊN

PHẠM HẢI

Ụ Ụ

ỜI

ỜI Ả Ơ Ụ Ụ D H Ụ Á KÝ HIỆU VIẾT TẮT D H Ụ Á HÌ H VẼ Ở ẦU 1

HƯƠ G I: TỔ G QU 2

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa 2

1.2 Khái niệm cơ bản của vật liệu biến hóa 5

1.3 Các hướng nghiên cứu chính của vật liệu biến hóa 7

1.3.1.Vật liệu có chiết suất âm 7

1.3.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ 8

1.4 Mô hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu biến hóa 11

1.5 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ 13

1.6 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa 15

HƯƠ G II: PHƯƠ G PHÁP GHIÊ ỨU 18

2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu 18

2.2 Phương pháp mô phỏng 20

2.3 Phương pháp thực nghiệm 21

2.3.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu 21

2.3.2 Quy trình chế tạo mẫu 22

2.3.3 Phương pháp đo 24

HƯƠ G III KẾT QUẢ VÀ THẢ UẬ 25

3.1 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc đĩa tròn 25

3.1.1 Cấu trúc đĩa tròn 25

3.1.1.1 Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa tròn 25

3.1.1.2 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn 29

3.1.2 Cấu trúc nhẫn tròn 33

3.2 Cấu trúc kết hợp Đĩa-Nhẫn tròn (Dish-ring) 34

3.3 Cấu trúc Đĩa-Nhẫn tròn có rãnh (Dish-split ring) 37

3.4 Hấp thụ dải rộng 42

KẾT UẬ 47

Ô G TRÌ H Ã Ô G BỐ IÊ QU Ế HƯỚ G GHIÊ ỨU Ủ UẬ VĂ 48

TÀI IỆU TH KHẢ 49

D H Ụ Á HÌ H VẼ

Hình 1.1 Sự tương tự về mặt cấu tạo giữa vật liệu biến hóa và vật liệu truyền thống

3

Hình 1.2 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3 7

Hình 1.3 (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 SRR 8

Hình 1.4 (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt, gồm 3 lớp: hai lớp kim loại hai bên và lớp điện môi ở giữa, (b) mạch tương đương LC 11

Hình 1.5 Vật liệu biến hóa hoạt động ở tần số THz 16

Hình 1.6 Hình minh họa sử dụng vật liệu biến hóa làm vật liệu tàng hình 16

Hình 2.1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu 18

Hình 2.2 Sơ đồ tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc vòng cộng hưởng 19

Hình 2.3 Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2015 21

Hình 2.4 Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa 22

Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng GHz 22

Hình 2.6 (a) Cấu trúc ô cơ sở có các tham số cấu trúc: a = 15 mm, R=2.4 mm, độ dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ dày lớp đồng tm = 0.036 mm; (b) Mẫu chế tạo 23

Hình 2.7 Hệ thiết bị Vector Network Analyzer đặt tại Viện Khoa học và kỹ thuật Quân sự - Việt Nam 24

Hình 3.1.Cấu trúc đĩa tròn, (a) Ô cơ sở, phân cực sóng điện từ, (b) Mẫu chế tạo, có các tham số cấu trúc a = 15 mm, R = 2.4 mm, độ dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ dày lớp đồng là tm = 0.036 mm 25

Hình 3.2 (a) Phổ hấp thụ vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa tròn (b) So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm 26

Hình 3.3 Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc đĩa tròn, (a) Sự phân bố dòng tại mặt trước, (b) Sự phân bố dòng tại mặt sau 27

Hình 3.4 (a) Mặt cắt của cấu trúc theo phương H-k; (b)Mặt cắt của cấu trúc theo phương E-H; (c) Mạch điện tương đương của cấu trúc đĩa tròn 27

Hình 3.5 (a) Ảnh hưởng của góc phân cực , (b) Ảnh hưởng của góc tới θ, (c) Ảnh hưởng của góc tới ψ 30

Hình 3.6 Cấu trúc đĩa tròn có các tham số cấu trúc: R = 2.4 mm, td = 0.8 mm, a = 15 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực 30

Hình 3.7 (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới θ 31

Hình 3.8 (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới ψ 33 Hình 3.9 Cấu trúc nhẫn tròn, (a) Các tham số cấu trúc: a = 15 mm, Ro = 3.3 mm, Ri

=3 mm, td = 0.8 mm, tm = 0.036 mm; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng của cấu trúc nhẫn tròn, (c) Kết quả mô phỏng 33 Hình 3.10 (a) Ô cơ sở của cấu trúc Dish-ring có các tham số cấu trúc a = 15 mm, R

= 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm; (b) Mẫu chế tạo (c), (d) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc Dish-ring 35 Hình 3.11 Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-ring tại 8.9 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring 36 Hình 3.12 Sự phân bố dòng điện của cấu trúc Dish-ring tại 15.8 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring 37 Hình 3.13 (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring với các tham số a = 15 mm, 38

R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm,g=0.8 mm, (b) Mẫu chế tao, (c) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng của cấu trúc Dish- Split ring, (d) kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc Dish-Split ring 38 Hình 3.14 Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-split ring 39 Hình 3.15 Sự phân bố điện trường của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz 40 Hình 3.16 (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring, (b) Mẫu chế tạo, (c), (d) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ khi khoảng cách (g) thay đổi từ 0.2 đến 1.4 mm 42 Hình 3.17 Cấu trúc có 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn: (a) cấu trúc ô cơ sở, (b) mẫu chế tạo 43 Hình 3.18 Phổ hấp thụ dải rộng của vật liệu dựa trên cấu trúc Đĩa tròn-Nhẫn tròn 43 Hình 3.19 Từ trường cảm ứng tại các tần số cộng hưởng (f1=12.32 GHz, f2=13.12 GHz, f3=13.8 GHz, f4=14.68 GHz, f5=15.16 GHz, f6=16 GHz, f7=17 GHz và

f8=17.84) 44 Hình 3.20 Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn 45 Hình 3.21 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc gồm

4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn 45

Ở ẦU

Năm 2008, Landy và cộng sự [35] đã phát hiện một tính chất hết sức thú vị của vật liệu biến hóa Metamaterials (MMs), đó là khả năng siêu hấp thụ Chính vì thế, MMs ngày càng được các nhà khoa học quan tâm sâu sắc hơn vì khả năng ứng dụng to lớn của nó

Tấm hấp thụ dựa trên nền MMs được k vọng có khả năng hấp thụ gần như tuyệt đối và hầu như không bị phản xạ, với công nghệ chế tạo đơn giản, khả năng điều khiển vùng hấp thụ linh hoạt Với tính chất chất này, MMs có thể được ứng dụng hết sức ý nghĩa trong các thiết bị khoa học, y tế, pin năng lượng và trong lĩnh vực quân sự Mục đích hiện tại của các nhà khoa học là sớm đưa vật liệu này vào ứng dụng trong thực tế đối với các thiết bị hoạt động ở vùng tần số GHz đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu này hoạt động ở tần số cao hơn như THz, hồng ngoại phục vụ cho các ứng dụng mới trong quang học Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu này vào ứng dụng, vẫn còn tồn đọng khá nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ và giải quyết một cách thỏa đáng Một trong những vấn đề then chốt đó là tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc đơn giản để thuận lợi cho việc chế tạo, đặc biệt là tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ

để dễ dàng hơn trong ứng dụng thực tế Đây là lý do chính cho việc chọn đề tài luận văn nghiên cứu của chúng tôi

Mục đích nghiên cứu của luận văn:

(i) Tối ưu hóa cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ có dạng đơn giản dễ dàng

chế tạo ở vùng tần số GHz

(ii) Nghiên cứu mở rộng vùng tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa

Luận văn được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô hình hóa và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm

Với các mục tiêu đó, luận văn được chia thành 3 chương như sau:

hương I: Tổng quan về vật liệu biến hóa (Metamaterial – Meta)

hương II: Phương pháp nghiên cứu

hương III: Kết quả và thảo luận

HƯƠ G I: TỔ G QU

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa

Xét sự tương tác của ánh sáng với một vật liệu bất k Ánh sáng là một dạng

sóng điện từ được đặc trưng bởi các đại lượng tần số hoặc bước sóng Bước sóng của ánh sáng thường có kích thước lớn gấp hàng trăm lần kích thước của các nguyên tử cấu thành vật liệu cũng như khoảng cách giữa chúng Vì thế, ánh sáng không thể nào phân giải được chi tiết hình ảnh của từng nguyên tử độc lập Nhờ đó,

ta có thể tính trung bình tất cả các nguyên tử và coi vật liệu như một khối đồng nhất được đặc trưng bởi hai tham số điện từ ɛ và µ Trên thực tế, điều này không nhất thiết phải bị giới hạn ở các nguyên tử hay phân tử Lý thuyết môi trường hiệu dụng (effective medium theory– EMT), cho phép bất k vật chất không đồng nhất nào mà kích thước và khoảng cách giữa các vật chất này nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng của sóng điện từ đều có thể được mô tả thông qua các tham số ɛ và µ hiệu dụng

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 đó [37] Một ví dụ đơn giản cho thấy, kim cương và than chì đều được cấu tạo từ các bon nhưng do sự sắp xếp trong cấu trúc mạng tinh thể khác nhau dẫn đến sự khác biệt về tính chất vật lý giữa kim cương và than chì Từ kết quả đó, ý tưởng về sự tồn tại của những nguyên tử nhân tạo cùng loại hoặc khác loại được sắp xếp có chủ ý 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 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 như ống nano các bon [22], và gần đây là graphene [25]

Tuy nhiên, thú vị hơn cả là sự ra đời của vật liệu điện từ nhân tạo “vật liệu biến hóa”, bởi khả năng sở hữu những tính chất khác lạ trong hầu như toàn bộ dải tần [50] Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những "giả nguyên tử" là những

biệt của vật liệu biến hóa 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

Hình 1.1 đưa ra hình ảnh so sánh cấu tạo giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa cho thấy có sự hoàn toàn tương tự giữa hai cấu trúc này khi coi nguyên tử tương đương như mạch cộng hưởng điện từ LC

Hình 1.1 Sự tương tự về mặt cấu tạo giữa vật liệu biến hóa và vật liệu

Một điểm cần chú ý về mặt cấu tạo đó là vật liệu biến hóa có cấu trúc tương

tự như một loại vật liệu nhân tạo khác là tinh thể photonic Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của hai loại vật liệu này hoàn toàn khác nhau về bản chất Cấu trúc cơ sở của tinh thể photonic 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 loại bỏ các hiện tượng nhiễu xạ Gần đây, giá trị của giới hạn bước sóng dài trong 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 [43] 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 [50] Lý thuyết này có thể phù hợp cho trường hợp sóng tới có bước sóng lớn hơn 1, 3 lần kích thước ô cơ sở của vật liệu biến hóa

Ưu điểm của vật liệu biến hóa là tạo ra các vật liệu nhân tạo với những tính chất lạ thường không có trong vật liệu truyền thống Để điều khiển tính chất này, về

cơ bản dựa trên việc điều khiển các tham số cấu trúc của mạch cộng hưởng dẫn đến việc điều khiển sóng điện từ Vật liệu chiết suất âm ra đời đã mở ra một cánh cửa mới với những tính chất khác lạ, mà hầu như không thể tiếp cận được từ trước đến nay Từ nền tảng đó, sự kiểm soát sóng điện từ cũng như sự hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ dựa trên việc điều khiển thành phần vật liệu ra đời hứa hẹn những ứng dụng

mà nó mang lại

Do vật liệu biến hóa có kích thước ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động nên khi sóng điện từ chiếu đến vật liệu sẽ tách thành ba thành phần: thành phần phản xạ (reflection - R) do không phối hợp trở kháng tốt giữa vật liệu với môi trường ngoài, thành phần hấp thụ (absorption - A) do bản chất của vật liệu và thành phần truyền qua (T), bỏ qua các thành phần nhiễu xạ và tán xạ Như vậy, ta dễ dàng

có thể nhận thấy tổng năng lượng của ba tín hiệu phản xạ, truyền qua và hấp thụ phải bằng tổng năng lượng của tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R +

suy ra được giá trị còn lại Trong thực tế việc xác định độ phản xạ (R) và truyền qua

(T) rất dễ dàng thông qua các hệ số phản xạ S 11 và truyền qua S 21 bằng cách sử dụng

các ăng ten ghi nhận tín hiệu đặt ở các vị trí thích hợp (với R = (S 11)2 và T = (S 21)2),

còn độ hấp thụ được tính toán qua công thức: A = 1 - R - T = 1- (S 11)2 - (S 21)2

1.2 Khái niệm cơ bản của vật liệu biến hóa

Về mặt lý thuyết, hai tham số cơ bản của vật liệu là hằng số điện môi ε và độ

từ thẩm µ là hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu Đây là hai tham số đặc trưng của vật liệu trong phương trình tán sắc:

Phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa tần số ω của sóng ánh sáng đơn sắc và vectơ sóng ⃗ Đối với các vật liệu một chiều đẳng hướng thì phương trình tán sắc ánh sáng (1.1) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản sau:

với:

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

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

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

⃗ ⃗

⃗⃗ ⃗⃗

⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗

(1.6)

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

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

tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải) Trong trường hợp ε và μ đồng thời

âm, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗⃗ , ⃗ sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái) Cùng lúc đó, hướng của dòng năng lượng được xác định bởi vectơ Poynting không phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:

⃗ ⃗⃗

⃗ ⃗⃗

(1.7)

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

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

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

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

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

Hình 1.2 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 (góc

phần tư thứ nhất) Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị còn lại dương như ở trong miền không gian góc phần tư thứ hai và thứ tư, khi đó sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt và không thể lan truyền trong môi trường Trong trường hợp cả ε và μ cùng âm nhưng tích của chúng mang giá trị dương (góc phần

tư thứ 3), khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu Môi trường này được gọi là vật liệu chiết suất âm

Hình 1.2 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm

(n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3

1.3 ác hướng nghiên cứu chính của vật liệu biến hóa

Dựa trên những tính chất và khả năng ứng dụng, vật liệu biến hóa có thể được chia trên một số hướng nghiên cứu khác nhau Trong đó có hai hướng đang được đặc biệt quan tâm:

i) Vật liệu biến hóa có chiết suất âm

ii) Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối

1.3.1.Vật liệu có chiết suất âm

Dựa trên ý tưởng ban đầu của Veselago [44], vật liệu 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 và độ điện thẩm âm (µ < 0, ɛ < 0) trên cùng một dải tần số Từ đó dẫn đến

những tính chất điện từ và quang học bất thường, trong đó có sự nghịch đảo của định luật Snell [39], sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler [20], hay sự nghịch đảo của phát xạ Cherenkov [51] Một trong những tính chất thú vị nữa của vật liệu chiết suất âm là 3 vector của sóng điện từ ⃗ , ⃗⃗ , ⃗ tuân theo quy tắc bàn tay trái

(Left-hand set) Do vây, vật liệu chiết suất âm còn được gọi là vật liệu left-handed

material – LHM Nhờ vào các tính chất kì diệu này, vật liệu biến hóa có chiết suất

âm hứa hẹn rất nhiều tiềm năng ứng dụng như: siêu thấu kính [18], antena [38, 33],

và là một trong những thành phần chế tạo " áo khoác tàng hình" [17]

Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hiện vẫn chưa được tìm thấy tồn tại trong tự nhiên nhưng được chế tạo và kiểm chứng đầu tiên bởi nhóm Smith [10] dựa trên mô hình lưới dây kim loại (thành phần điện) và vòng cộng hưởng có rãnh (thành phần từ) được đề xuất bởi Pendry [19, 16] Hình 1.3 là mẫu chế tạo và phổ truyền qua thực nghiệm của mẫu ở vùng tần số GHz Kết quả cho thấy khi lưới dây kim loại

(tạo ɛ < 0) được thêm vào, vùng không truyền qua của SRR (tạo µ < 0) chuyển

thành vùng truyền qua

Hình 1.3 (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 SRR [10]

Để đưa vật liệu biến hóa có chiết suất âm vào những ứng dụng trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách thỏa đáng Cũng như vật liệu biến hóa khác, vật liệu biến hóa có chiết suất âm đều được tạo ra khi vật liệu tương tác với các thành phần điện ⃗ và từ ⃗⃗ của sóng điện từ trường chiếu đến Kết quả là vùng có chiết suất âm thường rất hẹp và phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ [1]

1.3.2 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 Do MPA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện khi có tương tác với điện, từ trường ngoài nên nguyên lí

hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng Tại tần số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ đều bị triệt tiêu [35] Hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa

có thể được phân chia thành hai cấp độ: hấp thụ cộng hưởng và hấp thụ trên một vùng tần số rộng Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ có 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

có dải tần rộng có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số cụ thể và do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn

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 với lợi thế độ dày nhỏ như đã được chứng minh là /40 [13] , /69 [27]

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 Landy đề xuất [36] có độ hấp thụ tốt (A 99% tại tần số 11.65 GHz) (xem hình 1.1), nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi, với độ chính xác về kích thước có sai số 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 một năm sau đó [35] 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 có dạng vòng hở kết hợp với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis ở đại học Iowa đề xuất [4] 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 Vì thế 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 [48, 5,

3, 26, 7, 34]

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 [40, 12] 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 ô cơ sở 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 tần số 2.4 GHz với độ rộng dải tần hấp thụ lên tới 30% Một hướng tiếp cận khác

là 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 [14] Ngoài ra, kỹ thuật

sử dụng phần tử 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 [49]

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 [14, 28]

Việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiệt kế, các phòng chắn bức

xạ công nghiệp, pin mặt trời hiệu suất cao…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…) Về lĩnh vực nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu do PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thu

được nhiều kết quả thú vị ở vùng sóng GHz, trong đó đã có 02 NCS Đỗ Thành Việt

và NCS Nguyễn Thị Hiền bảo vệ thành công luận án Tiến sĩ

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

Các nghiên cứu tương tác của sóng điện từ với vật liệu biến hóa nói chung thường được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán thông qua mô hình mạch điện LC, mô hình hóa bằng mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm Sau đây luận văn sẽ trình bày một số phương pháp chính mà các nhà nghiên cứu vật liệu biến hóa đã và đang thực hiện

Các tính chất của vật liệu biến hóa xuất hiện là do sự tương tác của vật liệu với sóng điện từ Sự tương tác này sẽ xuất hiện các cộng hưởng điện từ Do vậy các tính chất của vật liệu biến hóa có thể được giải thích dựa trên mô hình mạch điện tương đương LC Mỗi một cấu trúc hình học sẽ có mạch điện LC tương ứng

Cấu trúc đầu tiên được đề cập đến là cấu trúc CWP Sự tương tác của cấu trúc này với sóng điện từ được giải thích dựa trên mô hình mạch điện LC đề xuất bởi Zhou và cộng sự [23] Dựa vào mô hình này, tần số mà tại đó xảy ra cộng hưởng điện, cộng hưởng từ hay chiết suất âm có thể dễ dàng được tính toán

Hình 1.4 (a) trình bày cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc CWP (giữa là lớp điện môi, hai bên là hai thanh kim loại CW) Sơ đồ mạch điện tương

đương được trình bày trên hình 1.4 (b) Ở đây, tụ điện C xuất hiện ở hai đầu của CWP, cuộn cảm L m tương ứng với mỗi thanh CW

Hình 1.4 (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt, gồm 3 lớp:

hai lớp kim loại hai bên và lớp điện môi ở giữa, (b) mạch tương đương LC

* Trong trường hợp cộng hưởng từ:

Độ tự cảm tổng cộng của CWP được xác định từ năng lượng từ trường có công thức:

Trong đó l là chiều dài của CW, t s là chiều dày lớp điện môi, w là độ rộng của

thanh CW Chú ý rằng, khi hoạt động ở vùng tần số cao (THz) kích thước của ô cơ

sở cỡ 10 µm đến 100 nm thì động năng của các điện tử cuốn điện tử chuyển động dưới tác dụng của điện trường ngoài trở nên đáng kể so với năng lượng từ Vì vậy, khi đó vế phải của phương trình (1.8) phải được cộng thêm thành phần độ tự cảm

động L k

Điện dung của mỗi tụ C m (hình thành ở hai đầu của CW) được bởi công thức:

Do các điện tích phân bố không đều trên toàn bộ thanh CW mà chủ yếu tập

trung ở hai đầu thanh nên l ’ = c 1 l, hệ số c 1 phụ thuộc vào chiều dài CW có điện tích phân bố ở đó

C e là điện dung được sinh ra do hai cặp dây liên tiếp theo phương ⃗ và được xác định bằng công thức:

Trong đó t m là chiều dày của thanh kim loại CW, b là khoảng cách giữa hai

thanh CW liên tiếp theo chiều điện trường ⃗

Trở kháng tương đương của mạch điện:

r

c f

Tuy nhiên, một nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng chiều rộng w của CWP

cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng từ [38, 32] Một cách định tính, tần số cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc như trong biểu thức dưới đây:

01

2

m

c f

Từ biểu thức (1.14) chúng ta thấy rằng tần số cộng hưởng từ phụ thuộc mạnh

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

độ điện thẩm (ε)

* Trường hợp cộng hưởng điện:

Một cách tương tự tần số cộng hưởng điện được xác định:

ln( / )1

s e

Như vậy, từ các công thức tính toán tần số cộng hưởng điện, cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc ở trên chúng ta có thể tính toán sơ bộ và thiết kế

để chế tạo vật liệu hoạt động ở vùng tần số mong muốn khác nhau

1.5 ơ chế hấp thụ sóng điện từ

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 vật liệu MPA, tại tần số xảy ra hấp thụ thì tán xạ và hiện tượng sóng bề mặt không đáng kể Vì vậy, chúng ta có thể tính độ hấp thụ như sau:

A = 1 – R – T (1.17)

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 phân cực TE và TM:

r r

A = 1 – R = 1 –

2 2

0

n

n Z

Z

Z Z

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 toàn bộ năng lượng sóng điện từ chiếu đến chuyển thành năng lượng từ Năng lượng này được tiêu tán trên lớp kim loại và lớp điện môi của vật liệu, đó là nguyên nhân dẫn đến tính chất hấp thụ tuyệt đối của vật liệu

Trong vùng vi sóng (1 GHz – 30 GHz), tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong vật liệu MPA chủ yếu tập trung ở lớp điện môi Tiêu tán trong lớp điện môi lớn hơn tiêu tán trong kim loại một bậc (khoảng gấp 10 lần) Điều này đã được chứng minh trong cấu trúc của Landy [36] Năng lượng này được tiêu tán trên lớp kim loại và

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

1.6 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa

Vật liệu biến hóa thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ mà không xuất hiện trong những vật liệu tồn tại sẵn trong tự nhiên Chính vì vậy việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn

sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống Sự linh hoạt của vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm ứng, các thiết bị quang học Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế

Một trong những tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến hóa là "tàng hình" [17]

và "siêu thấu kính" [18] Trong việc thiết kế vật liệu biến hóa ô cơ sở tạo thành phải nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng của sóng Như thế, sóng không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất Ví dụ, vi ba có bước sóng vài centimet, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimet Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomet), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng tinh vi của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomet

Sử dụng vật liệu biến hóa có thể bẻ cong sóng điện từ theo ý muốn khi đi qua môi trường vật liệu biến hóa Bẻ cong đường đi ánh sáng là sự kiện bình thường trong thiên nhiên khi ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất khác nhau như sự khúc xạ giữa nước và không khí, trong lăng kính, hay giữa không khí nóng và lạnh gây ảo ảnh trên mặt đường Việc làm "tàng hình" một vật chẳng qua là việc bẻ cong đường đi của sóng điện từ xung quanh vật đó khiến cho sự phản xạ đến người quan sát không xảy ra, do đó vật tàng hình

Năm 2006, nhóm nghiên cứu liên trường của giáo sư John Pendry (Imperial College, London, Anh quốc) và David Smith (Duke University, Mỹ) [11] lần đầu tiên đã chế tạo một vật liệu biến hóa làm tàng hình một vật trong vi ba (bước sóng centimet) Kết quả nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong khoa học quốc phòng vì vi ba được sử dụng cho radar

Trong nỗ lực nhằm làm tàng hình trong vùng ánh sáng thấy được, nhóm của giáo sư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley, Mỹ) làm tàng hình một vật trong tia hồng ngoại (bước sóng 1.600 nanomet) ( xem hình 1.5 và hình 1.6 ) [21] Nhưng trong các thí nghiệm dùng vật liệu biến hóa, vật bị tàng hình có kích thước rất nhỏ ở cấp micromet (0,001 mm)

Hình 1.5 Vật liệu biến hóa hoạt động ở tần số THz [21]

Hình 1.6 Hình minh họa sử dụng vật liệu biến hóa làm vật liệu tàng hình [21]

Vật liệu biến hóa có chiết suất âm ứng dụng chế tạo ra "siêu thấu kính" (superlens) Các thấu kính quang học bình thường không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng do sự nhoè nhiễu xạ Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomet) thì ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè Tuy nhiên, siêu thấu kính có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhòe ảnh Điều này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho một dụng cụ quang học để quan sát một vật có

độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng

Với những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu biến

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa trên thế giới cực kì sôi động và đã thu được nhiều kết quả thú vị Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu do PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam là một trong những nhóm nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này và

đã có nhiều công trình đăng trên các tạp chí có uy tín [45, 46, 29, 31] Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Hu nh 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 cũng đã và đang nghiên cứu về lĩnh vực này

HƯƠ G II: PHƯƠ G PHÁP GHIÊ ỨU

Luận văn được tiến hành dựa trên sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng và thực nghiệm Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn được trình bày dưới hình 2.1 Xuất phát từ các ý tưởng vật lý, cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết kế, mô phỏng

để thu được các đặc tính của sóng điện từ khi đi qua vật liệu như: phổ truyền qua, phản

xạ, pha…Thông qua các phổ này, vị trí các tần số cộng hưởng điện từ (nơi mà các tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện) hoàn toàn có thể xác định được Song song với quá trình mô phỏng, quá trình tính toán lý thuyết thông qua mô hình mạch điện LC được thực hiện cũng nhằm mục đích là tìm ra được các vị trí tần số cộng hưởng điện từ nhưng độc lập với quá trình mô phỏng Thông thường, để tiết kiệm chi phí chế tạo, trước tiên kết quả của hai phương pháp này được so sánh với nhau, từ đó tìm ra các cấu trúc tối ưu để đưa vào chế tạo và đo đạc Cuối cùng, các kết quả của cả

ba phương pháp này sẽ được so sánh với nhau từ đó đánh giá và đi đến kết luận

Hình 2.1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu

2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu

Năm 2000, vật liệu nhân tạo gọi là "vật liệu biến hóa " được khám phá và đang trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng" trong các Trường Đại học, Viện nghiên cứu

và Quốc phòng Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô cơ (chất bán

liệu có cấu trúc nhân tạo gồm những cấu trúc cộng hưởng nhỏ hơn bước sóng được sắp xếp tuần hoàn theo một quy luật nhất định, nhằm điều khiển tùy ý các tính chất điện từ vĩ mô Một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí những đơn vị cấu trúc sao cho các đặc tính điện từ quan trọng như độ từ thẩm và độ điện thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm

Trong luận văn này, chúng tôi trình bày quá trình tối ưu hóa cấu trúc vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số GHz Cho đến nay vật liệu biến hóa có tính hấp thụ đã trải qua nhiều giai đoạn hình thành và phát triển Được phát triển từ cấu trúc ban đầu đề xuất bởi Landy, lần lượt các cấu trúc đơn giản hơn như cấu trúc hình chữ I và cấu trúc CW cho thấy sự tối giản về mặt hình học nhưng vẫn đảm bảo khả năng tạo cộng hưởng từ tương đối mạnh [2] Tuy nhiên, do bị hạn chế bởi tính bất đối xứng hình học, các cấu trúc này chỉ làm việc với sóng phân cực TE Để cải thiện nhược điểm này, chúng tôi tiếp tục đề xuất cấu trúc đĩa tròn và tiếp theo là cấu trúc nhẫn tròn cho phép làm việc với mọi phân cực sóng

Hình 2.2 Sơ đồ tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc vòng cộng hưởng

Ưu điểm của cấu trúc đĩa tròn là đơn giản, dễ dàng trong chế tạo và đo đạc, tính đối xứng cao và độ hấp thụ không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ Do vậy, cấu trúc đĩa tròn được quan tâm nhiều nhất và đây cũng là cấu trúc được luận văn lựa chọn để nghiên cứu và khảo sát, cấu trúc này bao gồm ba lớp: hai lớp kim loại ở hai bên và một lớp điện môi ở giữa

Về mặt lựa chọn vật liệu để chế tạo mẫu, trong các nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số GHz, lớp kim loại được sử dụng là đồng (Cu) và lớp điện môi thường sử dụng là vật liệu FR4 Lý do chọn Cu vì trong vùng GHz ảnh hưởng của các kim loại khác nhau lên tính chất điện từ của vật liệu biến hóa không đáng kể, trong khi đó Cu là kim loại rẻ tiền so với các kim loại quí hiếm khác, đặc biệt phù hợp điều kiện chế tạo sẵn có Với điện môi FR4 tuy tổn hao khá lớn nên

có hạn chế trong việc nghiên cứu hiện tượng lai hóa, nhưng nó vẫn đáp ứng được hầu hết các điều kiện nghiên cứu trong vùng GHz, giá thành rẻ và đặc biệt phù hợp với điều kiện chế tạo ở Viện Khoa học vật liệu nơi học viên thực hiện luận văn

2.2 Phương pháp mô phỏng

Nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trong lĩnh vực tin học, việc tính toán mô phỏng sự tương tác giữa sóng điện từ và vật liệu có cấu trúc phức tạp trở nên đơn giản và chính xác hơn Điều này cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán, phân tích các tính chất của vật liệu và các hiện tượng vật lý một cách chính xác Mô phỏng thực sự là một công cụ đắc lực, giúp các nhà khoa học định hướng và hạn chế đáng kể sai sót khi tiến hành quá trình thực nghiệm Đối với lĩnh vực vật liệu điện từ nói chung cũng như lĩnh vực nghiên cứu vật liệu biến hóa nói riêng, các nhà khoa học thường chia làm làm hai xu hướng Một số các nhà nghiên cứu tự xây dựng các chương trình mô phỏng Cách làm này có ưu điểm là chủ động và dễ dàng kiểm soát các thông số đưa vào trong quá trình tính toán Mặc dù vậy, nó thường đòi hỏi trong một nhóm nghiên cứu phải có nhiều thành viên và am hiểu không chỉ

về kiến thức vật lý mà cả kiến thức trong lĩnh vực toán và tin học Hiện tại các nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa trên thế giới chủ yếu dựa vào hai phương pháp

cơ bản để tự phát triển chương trình mô phỏng Đó là phương pháp ma trận truyền qua (Transfer Matrix Method – TMM) và phương pháp đạo hàm hữu hạn trong miền thời gian (Finite Diference Time Domain FDTD) Bên cạnh đó, các phần mềm thương mại mô phỏng sự tương tác của sóng điện từ cũng được các nhà khoa học lựa chọn vì sự đơn giản trong sử dụng cũng như có độ chính xác cao Trong đó thì

CST Microwave Studio [8], HFSS [15] và Comsol [9] là những phần mềm phổ biến

và đang được sử dụng rộng rãi nhất

Các kết quả mô phỏng của luận văn đều được thực hiện trên phần mềm mô phỏng CST Microwave Studio Nhờ phương pháp mô phỏng, chúng ta sẽ thu được các thông tin về các thông số tán xạ (truyền qua, phản xạ và pha của chúng) cũng như các đặc trưng về dòng và năng lượng Cuối cùng, các thông số tán xạ thu được kết hợp với phương pháp tính toán của Chen [47] sẽ cho ta biết giá trị của các tham

số điện tử hiệu dụng và n

Hình 2.3 Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2015

2.3 Phương pháp thực nghiệm

2.3.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu

Để chế tạo mẫu hoạt động ở vùng vi sóng, chúng tôi sử dụng phương pháp quang khắc Hình 2.4 trình bày hệ chế tạo mẫu được lắp đặt tai phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hệ thiết bị được chia làm 4 phần chính:

Hình 2.4 Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa

Tính năng của hệ thiết bị:

o Có thế chế tạo vật liệu biến hóa có cấu trúc bất k

o Có độ phân giải 0.01 mm

o Có độ lặp lại cao

2.3.2 Quy trình chế tạo mẫu

Để chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở dải tần viba, vật liệu ban đầu là tấm mạch in gồm một lớp điện môi có độ điện thẩm khoảng  = 4, độ dày lớp điện môi

có thể thay đổi t d = 0.4 mm ÷ 1.6 mm, lớp điện môi thường là FR4 Hai mặt được

phủ kim loại đồng (Cu), có độ dày khoảng 0.036 mm Qui trình chế tạo vật liệu biến hóa được trình bày trên hình 2.5 Các tấm mạch in, chất ăn mòn và rửa lớp cảm quang đều do công ty Cheme Muse Execute (SME) của Hàn Quốc sản xuất

Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng GHz

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:

- Sử dụng chất rửa cảm quang DP-60 , với một gói hóa chất rửa cảm quang 200g, lượng nước pha thích hợp là 1 lít và dùng được cho khoảng 20 mẫu có kích thước (100x150mm)

- Thời gian: 2 phút ngâm trong dung dịch developer

- Nhiệt độ: 40-500C

Bước 3: Ăn mòn, tạo cấu trúc:

- Sử dụng chất ăn mòn EPP-15, với một gói hóa chất rửa cảm quang 300g, lượng nước pha thích hợp là 2 lít và dùng được cho khoảng 20 đến 30 mẫu có kích thước (100x150mm)

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

- Nhiệt độ : 30-400C

Bước 4: Tẩy rửa lớp cảm quang còn lại:

- Chiếu sáng: 10 phút

- Thời gian tẩy rửa: 2 phút ngâm trong dung dịch developer

Bằng công nghệ này, hệ đã được sử dụng để chế tạo thành công vật liệu biến hóa có các cấu trúc mong muốn khác nhau Những mẫu điển hình được trình bày trên hình 2.6 dưới đây:

Hình 2.6 (a) Cấu trúc ô cơ sở có các tham số cấu trúc: a = 15 mm, R=2.4 mm, độ dày

lớp điện môi t d = 0.8 mm, độ dày lớp đồng t m = 0.036 mm;

(b) Mẫu chế tạo