Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện tử ở vùng tần số THz

Vương quốc Bỉ, Viện nghiên cứu Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản NIMS nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công siêu vật liệu hoạt động ở vùng tần số THz.Đối với vùng tần số Terahertz T

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Vũ Đình Lãm

2 TS Lê Đắc Tuyên

Hà Nội - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫncủa PGS.TS Vũ Đình Lãm và TS Lê Đắc Tuyên Các số liệu, kết quả nêu trongluận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác

NGHIÊN CỨU SINH

ĐẶNG HỒNG LƯU

LỜI CẢM ƠN

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

Vũ Đình Lãm và TS Lê Đắc Tuyên Các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, địnhhướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Bùi Xuân Khuyến, TS Bùi Sơn Tùng, TS.Hoàng Vũ Chung và TS Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và động viên tôi trong quátrình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa– Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, NCS.Nguyễn Hoàng Tùng, TS Nguyễn Thị Hiền, NCS Nguyễn Văn Cường, NCS BùiHữu Nguyên, NCS Nguyễn Văn Dũng đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian tôithực 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 Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ vàđộng viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học vàCông nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủtục hành chính trong suốt quá trình học tập nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Sỹ quan Lục quân 1, Khoa Khoa học Tựnhiên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơquan trong suốt quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạođiều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án

NGHIÊN CỨU SINH

ĐẶNG HỒNG LƯU

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 14

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa 14

1.2 Phân loại vật liệu biến hóa 17

1.3 Lý thuyết môi trường hiệu dụng 22

1.4 Vật liệu biến hóa chiết suất âm 24

1.5 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 25

1.5.1 Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 25

1.5.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở tần số THz 27

1.5.3 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa ở tần số THz 28

1.6 Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa (EIT) 30

1.7 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa 33

1.7.1 Siêu thấu kính (super lens) 33

1.7.2 Vật liệu biến hóa ứng dụng trong tàng hình 34

1.7.3 Vật liệu biến hóa ứng dụng trong cảm biến 35

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu 37

2.2 Phương pháp mô phỏng 38

2.3 Phương pháp tính toán mạch LC tương đương 40

2.4 Xử lý và phân tích số liệu 43

2.5 Phương pháp thực nghiệm 44

2.5.1 Phương pháp chế tạo mẫu 45

2.5.2 Đo hình thái học của mẫu 45

2.5.3 Đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 46

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ 48

3.1 Tối ưu hóa cường độ hấp thụ sử dụng cấu trúc hốc cộng hưởng 50

3.1.1 Cấu trúc hốc cộng hưởng 50

3.1.2 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ của vật liệu biến

hóa có cấu trúc MAC 53

3.2 Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa 56

3.2.1 Mở rộng dải tần hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng hiệu ứng tương tác 56 3.2.2 Mở rộng dải tần hấp thụ bằng sử dụng hàng rào khuyết mạng 64

3.3 Kết luận 67

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA LÀM CẢM BIẾN 68

4.1 Điều khiển tính chất hấp thụ sóng điện từ bằng kích thích quang 69

4.1.1 Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh 70

4.1.2 Cấu trúc đĩa tròn bị khoét 72

4.1.3 Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ 75

4.2 Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ bằng kích thích nhiệt 77

4.2.1 Tính chất nhiệt của vật liệu InSb 77

4.2.2 Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ của cấu trúc vòng cộng hưởng 78

4.3 Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ định hướng làm cảm biến 80

4.3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz 81

4.3.2 Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân tử bò 82

4.3.3 Tính chất quang của vật liệu biến hóa 83

4.3.4 Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa 84

4.4 Kết luận 89

CHƯƠNG 5 VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC TRƯỜNG GẦN VÀ HIỆU ỨNG BABINET 90

5.1 Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong hiệu ứng EIT 90

5.2 Hấp thụ đa đỉnh dựa trên khuyết mạng 94

5.3 Nguyên lý Babinet cho ứng dụng hấp thụ dựa trên hiện tượng EIT 98

5.4 Kết luận 103

KẾT LUẬN CHUNG 104

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bovin serum albumin BSA Phân tử protein bò

Computer simulation CST Công nghệ mô phỏng bằng máy

Defect metamaterial perfect DMPA Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt

Electromagnetically induced EIT Trong suốt cảm ứng điện từtransparency

Fourier-transform infrared FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourierspetroscopy

Guided-mode resonance GMR Cộng hưởng dẫn sóng

Metamaterial absorber MA Vật liệu biến hóa hấp thụ

Metamaterial absorber cavity MAC Vật liệu biến hóa hấp thụ dựa

trên hốc cộng hưởngMetamaterial perfect absorber MPA Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt

đốiScanning electron microscope SEM Kính hiển vi điện tử quét

Split-disk resonator SDR Đĩa cộng hưởng bị khuyếtSplit-ring resonator SRR Vòng cộng hưởng có rãnh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật liệu biếnhóa: (a) Vật liệu truyền thống được cấu tạo từ nguyên tử; (b) vật liệu biến hóa đượchình thành từ các cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi là các “giả nguyên tử” [3] 15Hình 1.2 Số bài báo nghiên cứu vật liệu biến hóa công bố hàng năm (11/2018) 17Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ 19

Hình 1.4 Sự phân bố điện trường khi chùm sáng tương tác với vật liệu chiết suấtâm[2] 22Hình 1.5 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ truyềnqua Tính chất chiết suất âm (n < 0) của vật liệu thể hiện ở vùng tần số 11 đến

Hình 1.9 (a) Giản đồ năng lượng của môi trường EIT; (b) Phổ hấp thụ của một môi trường EIT; (c) Chiết suất của một môi trường EIT với sự tán sắc mạnh tại tần số ứng

với cực tiểu độ hấp thụ [71] 30Hình 1.10 (a) Cấu trúc của vật liệu MM; (b) Phần thực và phần ảo của một đầu dòđiện trường Ex được đặt ở khoảng cách 10 nm cách đầu của thanh CW dọc (mũi tênmàu đỏ trong hình 1.15a) [80] 32Hình 1.11 Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [31] 33Hình 1.12 Sự truyền ánh sáng trong môi trường (a) chiết suất dương thông thường;(b) chiết suất âm; (c) chiết suất âm và hội tụ ánh sáng [31] 34Hình 1.13 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng hình;(b) Nguyên lý hoạt động của của áo choàng tàng hình [9] 34Hình 2.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa 37

Hình 2.2 (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP; (b) Mạch điện LC tương đương; (c) và (d)Chiều dòng điện tương ứng trong trường hợp cộng hưởng từ và cộng hưởng điện [91] 42Hình 2.3 (a) Mặt cắt và (b) ảnh SEM của mẫu chế tạo 46

Hình 3.1 Quá trình tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 48Hình 3.2 (a) Cấu trúc ô cơ sở với các tham số cấu trúc (b) Sự phụ thuộc của tần sốhấp thụ vào bán kính đĩa tròn 49Hình 3.3 (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc MAC; (c) So sánh phổ hấp thụ của cấu trúc

MA và MAC 50Hình 3.4 Phân bố từ trường trên MAC; (a) Tại tần số 15.77 THz; (b) 18.43 THz 51Hình 3.5 Phân bố mật độ dòng điện của MAC; (a, c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (b,d) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz (a, b) và 18,43 THz (c, d) 52Hình 3.6 Phân bố năng lượng tổn hao của MAC: (a, e) Trên lớp kim loại thứ nhất;(b, f) Trên lớp điện môi thứ hai; (c, g) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz(a- d) và 18,43 THz (e- h) 53Hình 3.7 Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ vào sự thay đổi giátrị của (a) w1 và (b) w2 54Hình 3.8 Sự phụ thuộc của tỷ lệ bán kính đĩa tròn tại tâm đến tần số cộng hưởng vàcường độ hấp thụ 55Hình 3.9 (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc 5 đĩa tròn, chu kỳ a = 24 µm; chiều dày lớpvàng tm = 0,1 µm; chiều dày lớp điện môi td = 0,8 µm; độ điện thẩm = 3,1 57

Hình 3.10 Phổ hấp thụ của MPA (5 đĩa tròn) so với MA (9 đĩa tròn) tại bán kính cácđĩa là R = RC = 2,7µm 57Hình 3.11 Sự phân bố mật độ dòng điện bề mặt; (a-c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (d-f) Lớp kim loại thứ ba, tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz 58Hình 3 12 (a-c) Phân bố từ trường trên MPA; (d-f) Phân bố điện trường trên MPAtại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz 59Hình 3.13 Mạch điện tương đương của MPA; (a) tương ứng với tần số f2, f3 theophân bố điện trường ở hình 3.12(e)-(f); (b) tương ứng với tần số f1 theo phân bố điệntrường ở hình 3.12(d) 60Hình 3.14 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ MPA vào bán kính: (a) Bán kính các đĩaxung quanh R; (b) Bán kính của đĩa trung tâm RC 61Hình 3.15 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vật liệu MPA vào khoảng cách:(a) w1; (b)

w2 63Hình 3 16 Phổ hấp thụ của MPA ứng với R = RC = 3 µm, w1 = 8 µm và w2 = 7,5 µm63

Hình 3.17 (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) phổ hấp thụ cấu trúc MA với kích thước khácnhau 64

Hình 3.18 (a) và (b) Cấu trúc với các hàng rào khuyết mạng khác nhau và phổ hấpthụ của các cấu trúc tương ứng 65Hình 3.19 Phổ hấp thụ thực nghiệm, tính toán và mô phỏng của cấu trúc hàng ràokhuyết mạng 66Hình 3.20 Phổ hấp thụ của cấu trúc MA ở tần số THz với hai hàng rào khuyết mạng66

Hình 4.1 Sự phụ thuộc của độ dẫn và phần thực của độ điện thẩm của VO2 vào tần

số plasma 69Hình 4.2 (a) Hình ảnh mô tả MPA cấu trúc SRR; (b) Sơ đồ mạch điện tương đươngcủa cấu trúc SRR 71Hình 4.3 (a) Hình ảnh mô phỏng dòng điện trên hai lớp kim loại của cấu trúc SRR;(b) Kết quả tính toán mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc SRR khi mặt kim loại phía

đế là kim loại vàng 72Hình 4.4 (a) Cấu trúc đĩa tròn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương 73Hình 4.5 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của cấu trúc SDR vào bán kính phần đĩa bị khuyết73

Hình 4.6 Phân bố dòng điện bề mặt ở mặt trên (a) và mặt dưới (b) tại 10,8 THz Phân

bố điện trường (c) và từ trường (d) của MMA tại 10,8 THz của MPA cấu trúc SDRkhi R2 = 0 74Hình 4.7 Phân bố dòng điện bề mặt, cường độ điện trường và từ trường của các đĩa

bị khuyết trong MPA tại 15,6 THz (a-c) và 22,6 THz (d-f) khi R2=4,8 µm 75Hình 4 8 Cường độ hấp thụ của MPA cấu trúc SRR phụ thuộc vào độ dẫn của VO2

76

Hình 4 9 Cường độ hấp thụ và tần số hấp thụ của MPA có cấu trúc SDR phụ thuộcvào độ dẫn của VO2 76Hình 4 10 Sự phụ thuộc của tần số plasma và nồng độ hạt tải vào nhiệt độ của vậtliệu InSb 78Hình 4 11 (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) Sơ đồ mạch điệntương đương 79Hình 4 12 Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ 80Hình 4 13 (a) Minh họa mẫu MM; (b) Mặt cắt của mẫu; (c) Ảnh SEM của mẫu 83Hình 4.14 Kết quả (a) đo đạc; (b) Mô phỏng phổ truyền qua của MM; (c) Mô phỏngphân bố điện từ trong MM ở mode kích thích M1 và M2 Thang đo màu trong hình4.14(c) biểu diễn sự tăng cường của trường điện và trường từ so với trường điện từ

ban đầu; các mũi tên đánh dấu giá trị cực đại của sự tăng cường ở mode kích thích

M1 84Hình 4.15 (a) Phổ truyền qua của lớp BSA (vòng đen) đo trước thí nghiệm cảm biến,

độ lớn tín hiệu truyền qua cỡ 25% Phổ này được trình bày cùng với phổ truyền qua củamẫu MM (vòng tròn đỏ) để trùng khớp giữa tín hiệu của protein và cộng hưởng của

MM Đường màu đỏ thể hiện đường nội suy Fano cho tín hiệu của BSA với độ dày nhỏhơn micromet; (b) Phổ truyền qua tương đối của lớp BSA siêu mỏng hấp phụ trên mẫu

MM và trên đế saphia; (c) Phổ cho phân tử DTTCI và RH6G đo cùng

điều kiện 86Hình 4.16 Phụ thuộc của phổ truyền qua tương đối mô phỏng vào (a) tấn số cộnghưởng và (b) hệ số dập tắt của BSA 87Hình 5.1 Ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên hiệu ứng tương tác trường gần 91Hình 5.2 Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của các cấu trúc ở hình 5.1 92

Hình 5.3 Mô phỏng phân bố điện trường mặt trước và sau của cấu trúc hấp thụ tuyệtđối tại vùng tần số hấp thụ 93Hình 5.4 Giản đồ cấu tạo của ô cơ sở trong cấu trúc hấp thụ khuyết mạng 95

Hình 5.5 So sánh phổ hấp thụ giữa cấu trúc hấp thụ tuần hoàn (MPA) và cấu trúc hấpthụ khuyết mạng (DMPA) 95Hình 5.6 Phân bố cường độ điện trường tại mặt kim loại phía sau (cấu trúc siêu ô cơ sở

3 3) và cường độ từ trường phía trong lớp điện môi (cấu trúc siêu ô cơ sở 6x6) tại

vị trí cộng hưởng 96Hình 5.7 Giản đồ siêu ô cơ sở của cấu trúc nối tắt (a) MPA; (b) DMPA; (c) phổ hấpthụ tương ứng khi nối tắt 98

Hình 5.8 Cấu trúc ô cơ sở của MPA nhìn (a) góc nghiêng và (b) góc trực diện từ trên xuống Sóng điện từ được phân cực như trong hình vẽ và tham số s là độ dịch chuyển

của lỗ trống ngang khỏi vị trí đối xứng 100Hình 5.9 (a) Phổ hấp thụ của MPA khi s = 0 Phân bố dòng điện ở (b) lớp trên và (c)lớp dưới của MPA tại tần số hấp thụ 101Hình 5.10 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dịch chuyển s của lỗ trống ngang 101Hình 5.11 Phân bố dòng điện ở lớp trên của MPA tại các tần số hấp thụ (a) 0,32 và(b) 0,34 THz 102Hình 5.12 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào khoảng cách d giữa lỗ trống ngang và

lỗ trống dọc khi s = 80 µm 103

MỞ ĐẦU

Sóng điện từ đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong công nghệ hiện đại

từ sóng radio đến tia X, là căn bản cho sự phát triển của công nghệ thông tin vàtruyền thông Vì vậy, các nhà khoa học luôn muốn tìm cách điều khiển sóng điện từmột cách tùy biến để phục vụ những mục đích khác nhau của con người Điều nàyđến nay đã không còn nằm ngoài sức tưởng tượng với sự xuất hiện và phát triểnnhanh chóng của một loại vật liệu nhân tạo mới có tên gọi là vật liệu biến hóa(metamaterials)

Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo với một số tính chất đặctrưng chưa được tìm thấy trong vật liệu tự nhiên Vật liệu biến hóa được cấu trúcbởi các giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa, meta-atoms), chúng tương tác với cả haithành phần điện trường và từ trường của sóng điện từ theo cách hoàn toàn khác sovới các loại vật liệu truyền thống Do vậy, vật liệu biến hóa có thể tạo ra những tínhchất mới lạ không tìm thấy trong tự nhiên Hiện nay, nhiều tính chất của vật liệubiến hóa đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm bởi nhiều nhómnghiên cứu trên thế giới Mặc dù vậy, những phát hiện về các tính chất mới của vậtliệu biến hóa vẫn xuất hiện mỗi ngày và có tác động lớn đến cả ngành vật lý nóiriêng và các ngành khoa học trên thế giới nói chung Các nghiên cứu đột phá chođến nay thường tập trung vào vật liệu có chiết suất âm, vật liệu hấp thụ sóng điện từ,hay kết hợp hai loại vật liệu này cho những ứng dụng cụ thể Vật liệu biến hóa hấpthụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ hoàn toàn sóng điện từ với kích thước rất nhỏ

so với bước sóng nên có nhiều ứng dụng trong thực tế

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu biến hóa tập trung trong vùng tần sốviba (GHz) do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc các tính chất của vật liệu Cóthể kể đến nhóm nghiên cứu của PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu, ViệnHàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; PGS TS Trần Mạnh Cường, Khoa Vật lý,Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; PGS TS Vũ Văn Yêm, Khoa Điện tử viễn thông,Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; PGS TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Trường Đạihọc Vinh Từ năm 2009 đến nay, nhóm nghiên cứu về vật liệu biến hóa của PGS TS

Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ ViệtNam đã cộng tác với Đại học Hanyang, Hàn Quốc và Đại học Leuven,

Vương quốc Bỉ, Viện nghiên cứu Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công siêu vật liệu hoạt động ở vùng tần số THz.

Đối với vùng tần số Terahertz (THz), sự tương tác của sóng điện từ với cáccấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước micro mét và nano mét phức tạp hơn do cáchiệu ứng lượng tử mạnh hơn, bên cạnh đó công nghệ chế tạo và đo đạc tính chất cũngphức tạp hơn Hiện nay, công nghệ THz đang được triển khai ứng dụng trong nhiềulĩnh vực như: quân sự, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y khoa, đánhgiá không phá hủy, kiểm tra an ninh, kiểm soát chất lượng thực phẩm và nông sản,giám sát môi trường Vì vậy, vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz thu hútđược rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, với một số kết quảđáng chú ý trong chế tạo laser xung tần số THz, máy quét an ninh thế hệ mới, côngnghệ bảo mật và an ninh quốc phòng Ngoài ra, đây còn là một bước đệm quan trọng

để triển khai các nghiên cứu trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Trong thời gian qua, nhóm của chúng tôi đã phát triển, chế tạo và nghiên cứutính chất của vật liệu chiết suất âm và vật liệu hấp thụ sóng điện từ hoạt động trongvùng tần số GHz [1-3] Để mở rộng phạm vi và phát triển hướng nghiên cứu tại dảitần số cao hơn, luận án này tập trung nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện

từ hoạt động vùng tần số THz, đề xuất và tối ưu một số cấu trúc mới, giải thích cơchế hoạt động và tìm kiếm khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế

Mục tiêu của luận án:

- Xây dựng cơ sở vật lý, nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng tần số THz

- Thiết kế mô hình, mô phỏng và nghiên cứu tính chất của vật liệu biến hóahấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm mở rộngdải hấp thụ và tăng độ hấp thụ của chúng

- Nghiên cứu và lý giải hiệu ứng tương tác trường gần, điều chỉnh tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng yếu tố ngoại vi như nhiệt độ hoặc độ dẫn

- Chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz Khảo sát tính chấtđiện từ, bước đầu nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong vùngtần số THz

Đối tượng nghiên cứu của luận án: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

vùng tần số THz

Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận án được hoàn thành dựa trên

sự kết hợp giữa xây dựng mô hình vật lý, thiết kế cấu trúc bằng phần mềm môphỏng Một số kết quả mô phỏng được so sánh với thực nghiệm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Luận án là một công trình nghiên

cứu cơ bản về khoa học vật liệu trình bày các kết quả nghiên cứu và khảo sát bước đầu

về thiết kế, chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng

tần số THz Kết quả chỉ ra khả năng điều khiển các tính chất của vật liệu biến hóamột cách khoa học và lý giải cơ chế hoạt động bằng nhiều mô hình tương tác khácnhau Từ đó điều khiển tính chất của chúng bằng các tác động ngoại vi hay tươngtác vật lý Đây là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo ở vùng tần số cao, tiến tớilàm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz,hồng ngoại và nhìn thấy, định hướng cho các ứng dụng trong tương lai như cảmbiến đo protein

Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đề xuất cấu trúc vật liệu biến

hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng tần số THz: 1) Đã tối ưu được cấu trúc vậtliệu biến hóa để tăng độ hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc; 2) Đã đề xuất mô hìnhđiều khiển tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng kích thích quang và nhiệt độ

ở vùng tần số THz; 3) Đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa hoạt động ở vùngTHz và đã chứng tỏ vật liệu biến hóa có khả năng tăng cường tín hiệu dao động củacác phân tử, bước đầu đã thử nghiệm sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến dòphân tử protein bò

Luận án được chia thành 5 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Chương 4 Điều khiển tần số hoạt động của vật liệu biến hóa hấp thụ sóngđiện từ và ứng dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến

Chương 5 Hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở hiệu ứng tương tác trường gần vàhiệu ứng Babinet

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa

Năm 1968, bằng tính toán lý thuyết, Viktor G Veselago đã đề xuất vật liệu biến

hóa chiết suất âm khi có đồng thời độ điện thẩm và độ từ thẩm âm (ε < 0, μ < 0) [4].

Tuy nhiên, phát hiện của Veselago chưa nhận được nhiều sự quan tâm do chưa tìmđược vật liệu có đồng thời độ điện thẩm và độ từ thẩm âm tại cùng một dải tần số Sau

30 năm, John Pendry và cộng sự đã công bố những kết quả của việc tạo ra vật liệu có

độ điện thẩm âm (ε < 0) với cấu trúc lưới dây kim loại năm 1996 và vật liệu có độ từ thẩm âm (μ < 0) với cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh năm 1999 [5,6] Bằng cách kết

hợp hai mô hình lưới dây kim loại và vòng cộng hưởng có rãnh Năm 2000, Smith vàcộng sự đã chế tạo thành công vật liệu chiết suất âm (n < 0) [7]

Vật liệu biến hóa (metamaterial) là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, được xây dựngdựa trên những giả nguyên tử (cấu trúc cộng hưởng) sắp xếp theo một trật tự nhất địnhtương tự như ô cơ sở (unit-cell) trong mạng tinh thể của vật liệu thông thường, trong đókích thước của nguyên tử trong vật liệu biến hóa nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hoạtđộng Các đặc tính mới của vật liệu biến hóa được quyết định bởi hình dạng của cấutrúc cộng hưởng mà ít phụ thuộc vào tính chất của vật liệu tạo thành Tiền tố “meta”nguyên gốc từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là vươn xa hơn Như vậy, tên “vật liệu biến hóa”được sử dụng cho vật liệu có tính năng thông minh và thay đổi được so với vật liệu tựnhiên Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã phát triển rấtnhanh, liên quan đến các nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý cơbản, quang học, khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật điện [8–18]

Vật liệu biến hóa có những tính chất và hiệu ứng điện từ phi tự nhiên như chiếtsuất âm [19-28], hiệu ứng Doppler ngược [29], phát xạ Cherenkov ngược [30] và siêuthấu kính [8,31] Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu biến hóa khôngchỉ tạo ra những hiệu ứng thú vị trên dải tần rộng của sóng điện từ mà còn đang dần mở

ra kỷ nguyên mới trong sự phát triển của các thiết bị điện từ và quang tử bằng cách khaithác hiện tượng mới [32-35] Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ được sửdụng để tăng cường hiệu suất của pin mặt trời [36-38], làm cảm biến plasmon [39-42]

vi nhiệt kế [43] và truyền năng lượng không dây [44]

Sự tương tác của vật liệu tự nhiên với sóng điện từ bị chi phối chủ yếu bởi sự

tương tác với điện trường Trong thực tế, đa số vật liệu tự nhiên tương tác yếu với từtrường của sóng điện từ Tuy nhiên, vật liệu biến hóa đã vượt qua giới hạn này,chúng có thể tương tác mạnh với cả hai thành phần điện trường và từ trường Hơnnữa, sự lựa chọn tương tác có thể được thiết kế trong quá trình chế tạo tuân theo cácđịnh luật vật lý, mở rộng các khả năng tương tác với sóng điện từ.

Hình 1.1 So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật liệu biến hóa: (a) Vật liệu truyền thống được cấu tạo từ nguyên tử; (b) vật liệu biến hóa được hình thành từ các cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi là các “giả nguyên tử” [3]

Hình 1.1 so sánh cấu trúc nguyên tử của vật liệu tự nhiên và vật liệu biếnhóa Tương tự như nguyên tử của vật liệu tự nhiên, vật liệu biến hóa được xây dựngdựa trên các cấu trúc cộng hưởng gọi là “giả nguyên tử” và mô hình hóa bằng mạchdao động riêng LC, như trình bày trên hình 1.1 (b) Tính chất của vật liệu tự nhiênđược quyết định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử và sự sắp xếp của các nguyên tửtrong mạng tinh thể Đối với vật liệu biến hóa, tính chất được tạo ra bằng cách thiết

kế cấu trúc mới Hình dạng, cấu trúc, kích thước, sự định hướng và sắp xếp các giảnguyên tử mang lại những tính chất đặc biệt trong việc điều khiển sóng điện từ.Bằng cách chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc bẻ cong đường đi của sóng điện từ, vậtliệu biến hóa có những tính chất và hiệu ứng vượt ra ngoài những gì có thể làm vớicác vật liệu tự nhiên

Các tính chất quang của vật liệu có thể được đặc trưng bởi một đại lượng

quan trọng được gọi là chiết suất n Chiết suất cho phép hiểu được các quá trình

khúc xạ để thiết kế thấu kính và lăng kính dẫn đến sự hiểu biết về màu sắc và tánsắc Trong một thời gian dài, chiết suất thể hiện mật độ quang học của môi trường

và được định nghĩa:

n = c v (1.1)

Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không và v là vận tốc ánh sáng

trong môi trường

Cùng với sự phát triển của quang học, thế kỷ 19 cũng chứng kiến sự xuấthiện của các lý thuyết điện và từ Rất nhiều các quan sát thực nghiệm đã thách thứccác nhà vật lý tìm kiếm cách giải thích nền tảng và sự ra đời của các định luật cơbản như định luật Ampere, Gauss hay Faraday Tuy nhiên, tính chất điện, từ vàquang học được coi là các lĩnh vực độc lập, phù hợp với các định luật độc lập vànhững ứng dụng độc lập Sau đó Maxwell đã thống nhất cả ba lĩnh vực này bằngmột lý thuyết duy nhất đơn giản và hoàn chỉnh Với nghiên cứu của mình, Maxwell

đã chỉ ra rằng điện và từ là những hiện tượng liên quan đến nhau không thể tách rời

và có thể chuyển hóa lẫn nhau tuân theo bốn phương trình mà hiện nay gọi là hệ

phương trình Maxwell Các khái niệm độ điện thẩm (ε) và độ từ thẩm (μ) trở thành

đại lượng cơ bản để mô tả sự tương tác của điện trường và từ trường với môitrường Hơn nữa, khi nghiên cứu sự lan truyền sóng điện từ, Maxwell đã phát hiện

ra rằng ánh sáng là một sóng điện từ Sự kết nối giữa hai lĩnh vực, quang học vàđiện từ được tóm tắt bằng phương trình rất đơn giản (còn gọi là quan hệ Maxwell):

Phương trình (1.2) thể hiện sự liên hệ giữa chiết suất (một đại lượng quang học)với độ điện thẩm và từ thẩm của môi trường (hai đại lượng điện từ) Các môi trườngđược mô tả bằng độ điện thẩm và độ từ thẩm có tính khái quát hoá, nên sự hấp thụ ánh

sáng trong vật liệu được mô tả bằng tổ hợp giá trị ε và μ Một hạn chế trong việc kiểm

soát sự lan truyền của ánh sáng trong môi trường là chiết suất chỉ có giá trị dương Trênthực tế, môi trường chiết suất âm thường được coi là không tương thích với mật độquang học và không thể truyền tải ánh sáng Do đó, thường được xem là phi vật lý Tuynhiên, những hệ quả của tính toán lý thuyết cho thấy rằng chiết suất âm hoàn toàn cóthể xảy ra với điều kiện môi trường và yếu tố cần thiết khác [4]

Cho đến nay, vật liệu biến hóa là hướng nghiên cứu mới mẻ và có nhiều hứahẹn với nhiều ứng dụng Mỗi năm, hàng nghìn bài báo khoa học được công bố với

cụm từ “vật liệu biến hóa - metamaterials” trong tiêu đề hoặc từ khóa Số liệu bàibáo thống kê với từ khóa “metamaterial” tính đến tháng 10/2018 theo Googlescholar được trình bày trên hình 1.2 Các công bố nghiên cứu về lĩnh vực vật liệubiến hóa ngày càng tăng, hiện nay có trên 10.000 bài báo trong một năm.

Hình 1.2 Số bài báo nghiên cứu vật liệu biến hóa công bố hàng năm (11/2018)

1.2 Phân loại vật liệu biến hóa

Tương tác với sóng điện từ của một vật liệu phụ thuộc vào các tham số điện

thẩm và từ thẩm Về mặt lý thuyết, độ điện thẩm ε và độ từ thẩm µ đặc trưng cho sự

lan truyền sóng điện từ trong vật liệu Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệuđược biểu diễn bởi phương trình tán sắc sau [45]:

2

c2Phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa tần số góc ω của sóng ánh sáng

đơn sắc và vector sóng k của nó Đối với các vật liệu đẳng hướng và không tổn hao

thì phương trình tán sắc ánh sáng (1.3) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản sau:

c2

Từ phương trình (1.3) và (1.4) 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 Domôi trường không tổn hao nên ij = ij và ij = ij , với , là các số thực Từ phương trình(1.4), dễ thấy khi , trái dấu nhau, giá trị k hoàn toàn là ảo Khi đó, sóng điện từkhông thể truyền trong môi trường và sẽ tắt dần Mặc dù vậy, phương trình (1.4)

không cho ta biết sự khác biệt giữa hai trường hợp ε và μ cùng dương hoặc cùng

Hai biểu thức đầu của hệ phương trình (1.6) giúp chúng ta hiểu rõ nguồn gốc

của vật liệu chiết suất âm Nếu cả ε và μ cùng dương, ba vector E, H, k tạo thành

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

thời âm, ba vector E, H, k 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 vector

Poynting S không phụ thuộc vào dấu của ε và μ:

4

Vector Poynting S luôn hướng ra ngoài nguồn phát xạ Đối với vật liệu có ε

và μ cùng dương, vector sóng k hướng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai vector S và k

song song với nhau) Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có ε và μ cùng âm, khi đó

vector sóng k hướng vào nguồn phát xạ (hai vector k và S đối song), hiện tượng này

còn được gọi là sóng ngược (backward wave) 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 Nói chung, vật liệu có thể được phân loại theo giá trị của

các tham số điện thẩm và từ thẩm như giản đồ hình 1.3 [46]

Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ

Theo đó, tại góc phần tư thứ nhất là các vật liệu thông thường có cả hai thànhphần độ điện thẩm và độ từ thẩm dương ( 0, 0 ) Sóng điện từ có thể lan truyền

được trong vật liệu này với ba vector E, H, k lập thành một tam diện thuận theo quy

tắc bàn tay phải (right-handed rule) Độ tổn hao của sóng điện từ phụ thuộc vàothành phần và cấu tạo của vật liệu Mỗi vật liệu có chiết suất không đổi với các tínhchất vật lý và hóa học là do cấu trúc điện tử của nguyên tử Các tính chất quang,nhiệt, điện từ, … của từng vật liệu cũng như hợp chất của chúng đã được biết vànghiên cứu trong nhiều năm qua Tuy nhiên, bằng cách sắp xếp tuần hoàn các vậtliệu có chiết suất khác nhau theo một trật tự nhất định như tinh thể quang tử(photonic crystals), chúng ta có thể tạo ra môi trường với những tính chất mới lạ cókhả năng điều khiển ánh sáng

Góc phần tư thứ hai của giản đồ thể hiện vật liệu có độ điện thẩm âm và độ từthẩm dương ( < 0, > 0), đó là plasma của điện tích Chúng được biết là một màn chắnplasma không cho sóng điện từ truyền qua Thật vậy, tất cả các sóng điện từ đều bị dậptắt trong plasma và không cho phép các mode lan truyền Điều này được thể

hiện trực tiếp bằng mối liên hệ cấu thành được rút gọn cho sóng phẳng

c 2

Bên trong môi trường có độ điện thẩm âm, không có lời giải cho vectơ sóng,

độ tổn hao của sóng điện từ rất lớn Mặc dù vật liệu điện môi có thể biễu diễn dưới

dạng triển khai Lorentz gần một cộng hưởng phonon hoặc exciton, ε < 0 trong một dải tần số nhỏ trên tần số cộng hưởng Độ điện thẩm ε của vật liệu kim loại phụ thuộc vào tần số ω của sóng điện từ truyền qua được biểu diễn theo mô hình Drude:

Trong đó, N là nồng độ điện tử, e là giá trị điện tích, ε 0 là độ điện thẩm của

chân không và me là khối lượng của điện tử Tần số plasma của các kim loại thường

ở vùng khả kiến hoặc tử ngoại

Góc phần tư thứ tư của giản đồ thể hiện tính chất của môi trường có độ điệnthẩm dương và độ từ thẩm âm ( > 0, < 0) Tương tự như góc phần tư thứ hai, tại đây,sóng truyền trong môi trường bị dập tắt rất nhanh và không có mode lan truyền nàotồn tại Do không có các đơn cực từ, nên không có lời giải chính xác tương tự nhưtrường hợp plasma Tuy nhiên, một số vật liệu phản sắt từ, vật liệu sắt từ có độ từthẩm âm tại tần số cộng hưởng ở dải tần số thấp (microwave) và hầu hết bị dập tắt

ở vùng tần số lớn hơn GHz Đặc biệt trong lĩnh vực quang học, theo Landau và Lifshitzviệc đề cập đến tính chất từ được coi là không có ý nghĩa vật lý [47] Điều này đượcgiải thích là do thành phần từ của sóng điện từ tương tác với nguyên tử yếu

hơn rất nhiều so với thành phần điện tại tần số quang học Tương tác từ với nguyên

tử tỉ lệ thuận với từ trường Bohr B = 2 e me c = ea0 , trong khi tương tác điện là ea0

với hằng số cấu trúc tinh tế α ≈ 1/137 Như vậy, hiệu ứng của sóng điện từ tác dụng

lên độ từ thẩm yếu hơn α2 lần so với thành phần điện Một lý do quan trọng khác làcác dịch chuyển lưỡng cực từ chỉ được phép giữa các trạng thái với cùng chỉ sốkhông gian trong hàm sóng [48] Hiệu năng lượng giữa hai trạng thái như vậy lạinhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của photon

Khi truyền trong môi trường có một trong hai thành phần từ thẩm hoặc điệnthẩm có giá trị âm và thành phần còn lại có giá trị dương, sóng điện từ nhanh chóng

bị dập tắt do bị hấp thụ tổn hao năng lượng Trong luận án này, chúng tôi tập trungnghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu hấp thụ tuyệt đối dựa trên cơ sở hấp thụcộng hưởng điện và cộng hưởng từ

Tại góc phần tư thứ ba, độ điện thẩm và độ từ thẩm của môi trường đều cógiá trị âm ( 0, 0 ) Giống như môi trường chiết suất dương, sóng điện từ cũng có thểlan truyền và có tổn hao Hiện tượng khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường

được mô tả bằng định luật Snell, mối liên hệ giữa góc tới θi, góc khúc xạ θr và chiếtsuất:

trong đó ni và nr lần lượt là chiết suất của môi trường tới và môi trường khúc xạ.Với một tia sáng hẹp, định luật Snell tương đương với kết quả của việc áp dụngnguyên lý Fermat cho môi trường đồng nhất có chiết suất dương So với lý thuyếtsóng ánh sáng của Fresnel và lý thuyết sóng điện từ của Maxwell thì định luật Snellchưa thể hiện kết quả về kết hợp pha Hơn nữa, lý thuyết của Maxwell cũng chỉ ra

sự khác biệt giữa khúc xạ của pha liên quan đến vector truyền sóng k và khúc xạ

dòng năng lượng của sóng

Trong lời giải tổng quát, cả hai trường hợp khúc xạ dương và âm đều là nghiệmcủa phương trình khúc xạ Tuy nhiên, khúc xạ âm của dòng năng lượng cần có điều

kiện khúc xạ âm về pha và ba vector E, H, k sẽ tạo thành một tam diện nghịch hay tuân

theo quy tắc bàn tay trái (left-handed rule) như mô tả trên hình 1.4 Khi sóng điện từ(ánh sáng) truyền từ môi trường chiết suất dương sang môi trường chiết suất âm thì tiakhúc xạ nằm cùng phía pháp tuyến với tia tới Tương tự như vậy, khi sóng điện từtruyền từ môi trường chiết suất âm sang môi trường chiết suất dương thì tia

khúc xạ cũng nằm cùng phía pháp tuyến với tia tới.

Hình 1.4 Sự phân bố điện trường khi chùm sáng tương tác với vật liệu chiết suất

âm[2] 1.3 Lý thuyết môi trường hiệu dụng

Vật liệu biến hóa là sự sắp xếp một cách có chủ ý của các thành phần riêngbiệt trong không gian Vì vậy, về bản chất, vật liệu biến hóa không phải là vật liệuđồng nhất ở cấp độ vi mô Tuy nhiên, kích thước của các thành phần tạo thành nàycũng như khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với vùng bước sóng hoạt động Dựavào lý thuyết môi trường hiệu dụng, ta có thể coi vật liệu biến hóa như một khốiđồng nhất với các thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng đặc trưng cho toàn khối.Việc coi vật liệu biến hóa là các thành phần riêng lẻ hay một khối đồng nhất thựcchất là hai mặt của cùng một vấn đề được liên kết với nhau bởi thuật toán truy hồi(retrieval algorithms) Trong nghiên cứu vật liệu biến hóa, ta giả thiết rằng tương táccủa môi trường không đồng nhất với sóng điện từ có thể được mô tả chỉ bằng hai

thông số phức ε và μ Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích thước của các thành

phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng hoạt động, từ đó tươngtác của sóng tới với môi trường truyền được tính bằng trung bình của các thànhphần tạo thành trong không gian Tính trung bình được chia thành hai cấp Ở cấpthứ nhất, các ô cơ sở của vật liệu là tương đối lớn so với kích thước các phân tử, dovậy ta có hệ phương trình Maxwell đối với từng vật liệu thành phần:

c t

H = 1 D

c t

D = 0

B = 0

Trong đó D = 0 rEvà B = 0 rH với r và r là độ điện thẩm và từ thẩm của

các vật liệu thành phần Tuy nhiên, ở cấp độ thứ hai, kích thước các ô cơ sở là rất bé

so với kích thước mà ở đó trường điện từ biến thiên do tác động của các dòng cảmứng điện từ trong cấu trúc đóng góp gây nên sự phân cực Hay nói cách khác, khôngtồn tại một cấu trúc rõ ràng của sự phân bố các hạt mang điện hay các dòng trên cảvật liệu mà chỉ có thể lấy giá trị trung bình của một số trường lưỡng cực (hay đôikhi là các trường tứ cực) tương ứng Do vậy ta có các giá trị trường trung bình:

thể hiện các giá trị điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng của vật liệu biến hóa

Các giá trị hiệu dụng này được tính toán dựa trên mô hình môi trường hiệudụng Maxwell-Garnett Theo đó, độ điện thẩm hiệu dụng eff của môi trường gồm: m

môi trường hình cầu có độ điện thẩm của từng môi trường là i được bao quanh bởimôi trường khác có độ điện thẩm m có thể được xác định từ điều kiện [49]:

hiệu dụng có thể được áp dụng khi sóng điện từ chiếu đến có bước sóng chỉ lớn hơn1,3 lần hằng số mạng.

1.4 Vật liệu biến hóa chiết suất âm

Dựa trên ý tưởng ban đầu của Veselago [4], vật liệu chiết suất âm là sự kếthợp 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, ε < 0) Tuy nhiên việc tìm ra các loại vật liệu

có giá trị âm của các thông số này trên cùng một dải tần số lại không hề đơn giản và

đã làm nản lòng các nhà khoa học trong suốt một thời gian dài khiến cho phát hiệncủa Veselago không nhận được nhiều sự quan tâm Cho tới khi Pendry và cộng sựcông bố những kết quả của việc tạo ra môi trường có độ điện thẩm âm và độ từ thẩm

âm bằng cách cấu trúc lại các vật liệu sẵn có, sự tồn tại của vật liệu chiết suất âmđược khẳng định và mở ra một hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn Từ đây, với mỗigiá trị của các tham số điện thẩm và từ thẩm, các vật liệu đều có thể được phân loạidựa theo giản đồ hình 1.1 như đã trình bày ở phần trên

Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hiện vẫn chưa được tìm thấy tồn tại trong tựnhiên nhưng đã được chế tạo và kiểm chứng đầu tiên bởi nhóm của Smith [7] dựa trên

mô hình lưới dây kim loại (thành phần điện) và vòng cộng hưởng có rãnh (thành phầntừ) được đề xuất bởi Pendry [6] Hình 1.5 trình bày 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 ra ɛ < 0) được thêm vào, vùng không truyền qua của vòng cộng hưởng có rãnh (tạo ra µ < 0)

chuyển thành vùng truyền qua Mô hình trên đã chứng minh cho giả thuyết củaVeselago về sự tồn tại của môi trường có đồng thời độ điện thẩm và từ thẩm âm Tuynhiên, giả thuyết này sau đó được mở rộng khi chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra vật liệuchiết suất âm mà không cần đồng thời điện thẩm và từ thẩm âm Hơn nữa cấu trúc kếthợp giữa sợi dây bị cắt và vòng cộng hưởng có rãnh có chiết suất âm theo ba phươngchiếu đến của sóng điện từ Hình 1.5b là phổ năng lượng truyền qua của cấu trúc theocác phương Năng lượng trong dải tần số từ 10,3 GHz đến 11,1 GHz không truyền quađược do vật liệu biến hóa có chiết suất âm trong dải tần số này

Hình 1.5 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ truyền qua Tính chất chiết suất âm (n < 0) của vật liệu thể hiện ở vùng tần số 11

đến 11,6 GHz [15]

Kể từ năm 2000 cho đến nay, dựa trên cấu trúc của Smith và cộng sự đã córất nhiều cấu trúc biến đổi khác được đề xuất và kiểm chứng có thể tạo ra vật liệubiến hóa có chiết suất âm Có thể kể tên một trong các cấu trúc đó là: cấu trúc kếthợp, cấu trúc fishnet, cấu trúc chữ Φ Để tạo ra chiết suất âm, các cấu trúc trên đều

được cấu tạo từ hai thành phần: 1) thành phần từ để tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0); 2) thành phần điện để tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0) dưới tần số plasma.

1.5 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

1.5.1 Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ là vật liệu có khả năng hấp thụ nănglượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng

điện từ có thể được chia thành hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorber) vàhấp thụ có dải rộng (broadband absorber) Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tươngtác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác định 0 , ở đâybước 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 dải rộng dựa trên vật liệu biến hóa có tính chất hấp thụsóng điện từ không phụ thuộc vào tần số trên một dải tần nào đó Do vật liệu biếnhóa hấp thụ được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ, nên nguyên lí hoạt độngcủa chúng là hấp thụ cộng hưởng Tại tần số cộng hưởng, năng lượng được lưu trữ

và tiêu tán dần dưới dạng điện trở hay mất mát điện môi

Hình 1.6 So sánh kết quả thực nghiệm (đường màu xanh) với mô phỏng (đường màu đỏ) và sai số xấp xỉ bình quân (nét đứt màu xám) Đồ thị nhỏ thể hiện kết quả sự phụ

thuộc vào góc của sóng đến tới sự hấp thụ tại tần số cộng hưởng [36]

Năm 2008, vật liệu biến hóa hấp thụ lần đầu tiên được đề xuất bởi Landy vàcộng sự [36] Từ kết quả của Landy và cộng sự, nhiều nghiên cứu vật liệu biến hóahấp thụ đã được đề xuất cho những ứng dụng khác nhau như ảnh nhiệt [52], pin mặttrời [37,38], cảm biến [53], cùng với đó những tối ưu nhằm đạt được hấp thụ đa dảitần [54-56], hấp thụ dải rộng và không phụ thuộc phân cực sóng điện từ [57-60].Tuy nhiên, vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ thường được thiết kế chomột tần số xác định Do vậy sẽ hạn chế khả năng ứng dụng của chúng Việc nghiêncứu về vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối ở dải tần rộng, không phụ thuộc phân cựcsóng điện từ và có thể điều khiển tần số là rất cần thiết

Hiện nay, các nghiên cứu về vật liệu biến hóa hấp thụ thường có cấu tạo gồm

3 lớp: lớp thứ nhất là cấu trúc kim loại được sắp xếp tuần hoàn được điều chỉnh đểthỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng với môi trường tới nhằm triệt tiêu sóng phảnxạ; lớp thứ hai là điện môi, có tác dụng tạo không gian để tiêu tán hay kéo dài thờigian của sóng điện từ bên trong vật liệu để tăng độ hấp thụ; lớp thứ ba là một tấmkim loại liên tục, đóng vai trò ngăn chặn sự truyền qua của sóng chưa tiêu tán Hailớp kim loại thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc, đồng Tạitần số xác định, vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với vật liệuhấp thụ truyền thống, có thể hấp thụ tuyệt đối và không phản xạ sóng điện từ Một

số tính chất như mở rộng dải tần hoạt động, không thụ thuộc phân cực sóng tới vàkhả năng tùy biến về cơ bản được quyết định bởi cấu trúc của vật liệu Bên cạnh đó,tính linh hoạt được quyết định bởi vật liệu chế tạo Hiện nay, vật liệu biến hóa hấpthụ sóng điện từ hoạt động ở các dải tần khác nhau từ GHz đến THz thậm chí vùngnhìn thấy đã được nghiên cứu và chế tạo [61-63] Các tính chất điện từ của vật liệubiến hóa có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh khéo léo các thông số hìnhhọc Tối ưu cấu trúc nhằm nâng cao độ hấp thụ và khả năng điều khiển tính chất cótính ứng dụng cao trong thực tế được quan tâm nghiên cứu

1.5.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở tần số THz

Thời gian gần đây, dải tần số THz thu hút được rất nhiều sự quan tâm bởinhững ứng dụng đầy tiềm năng như trong chuẩn đoán y học và an ninh quốc phòng[64] Sóng điện từ tần số THz cho phép phát hiện tín hiệu quang phổ đặc hiệu cho mộtchất với độ phân giải kích thước tán xạ giới hạn ở mức dưới mm [65] Vùng sóngđiện từ tần số THz nằm giữa tần số sóng điện từ (sóng vi ba) và sóng ánh sáng (hồngngoại) [66] Khi sóng điện từ chiếu vào vật liệu, sự tương tác của trường điện từ với cácđiện tử tạo ra các hiệu ứng, tính chất tạo nền móng cho phần lớn các thiết bị điện Tuynhiên, bản chất của sự tương tác sóng điện từ trong các loại vật liệu thay đổi theo tần

số Tại tần số vài trăm GHz và thấp hơn, thiết bị hoạt động nhờ vào sự di chuyển củacác điện tử tự do Tuy nhiên, trong vùng bước sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy,các thiết bị hoạt động theo nguyên lý của photon Ở giữa hai vùng này là sự tồn tại của

“khoảng THz”, nơi hiệu quả trong sự ảnh hưởng của sóng điện và sóng hạt có xuhướng giảm chậm Do sự thiếu hụt những thiết bị đáng tin cậy trong việc chế tạo và đođạc là một rào cản chính cho việc khai thác công nghệ THz [67]

Cho đến nay, phần lớn thiết kế của vật liệu biến hóa hấp thụ hoạt động ở mộtkhoảng tần số xác định Vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh đã đuợc chứng minh vớinhững khoảng tần số hấp thụ hẹp và riêng lẻ Tuy nhiên, dải hấp thụ của vật liệu biếnhóa ở tần số THz vẫn là một thách thức và mới chỉ có một số ít nghiên cứu gần đây.Hình 1.7 cho thấy cấu trúc cộng hưởng dạng dấu ngoặc với các kích thước khác nhaucho hấp thụ đa đỉnh với dải tần số tương đối rộng, nhưng độ hấp thụ chưa cao [68].

Vật liệu biến hóa đã được chứng minh có tiềm năng quan trọng trong vùngtần số THz Những tiến bộ trong việc chế tạo nguồn phát và đầu thu ở vùng tần sốTHz đã mở ra triển vọng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ THz trong thực tế.Nhiều thiết bị dựa trên vật liệu biến hóa ở vùng này đã được công bố bao gồm hấpthụ tuyệt đối, điều chỉnh cường độ và pha của sóng, thiết bị cảm ứng sóng điện từtruyền qua, phát sóng và thu sóng dải tần rộng THz và ăng-ten [16]

Hình 1.7 (a) Cấu trúc cộng hưởng; (b) Kết quả mô phỏng; (c) Kết quả thực

nghiệm [68]

1.5.3 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa ở tần số THz

Để tìm hiểu các cơ chế hấp thụ tuyệt đối trong vùng tần số THz, chúng ta cóthể xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa có hình dạng vòng dây bị cắt, như hai hìnhnhỏ trên hình 1.8 Cụ thể, cấu trúc SRR có thể được xem xét như các cấu trúc cộnghưởng hoạt động theo mô hình dao động mạch điện LC và lưỡng cực điện [70] Do

đó, trở kháng của vật liệu biến hóa được viết lại dưới dạng tổng quát sau [69]:

lưỡng cực điện, được tính toán theo công thức [69]:

(1.18)

Trong đó, ε r và ε i tương ứng là phần thực và phần ảo của độ điện thẩm

RLC,dipole LLC,dipole và CLC,dipole lần lượt là điện trở, độ tự cảm và điện dung nội tại của

cấu trúc SRR (khi không có đế điện môi) Dễ thấy, số hạng thứ nhất trong vế phải

của công thức (1.18) liên quan đến tổn hao kim loại và sinh ra nhiệt lượng trên cấutrúc SRR Số hạng thứ hai liên quan đến tổn hao điện môi của lớp vật liệu nền, vàhai số hạng còn lại là điện kháng sinh ra bởi các tụ điện hiệu dụng và cuộn cảm hiệudụng của cấu trúc SRR Trong trường hợp này, tần số hấp thụ được đánh giá là nằmtại vị trí gần với tần số cộng hưởng nội tại của cấu trúc SRR tính toán từ công thức(1.17) và (1.18) Đặc biệt, từ hình 1.8(a) và 1.8(b), khi tăng chiều dày lớp điện môi

từ 3.8 đến 6.0 µm, hiện tượng phổ hấp thụ bị dịch về phía tần số thấp cũng bắt

nguồn từ sự thay đổi giá trị tổn hao kim loại (RLC,dipole) và tổn hao điện môi (ε i)

Như đã bàn luận ở trên, vì kim loại được coi là vật dẫn tuyệt đối khi hoạtđộng trong vùng tần số GHz dẫn tới sự hấp thụ năng lượng trong vật liệu biến hóachủ yếu do tổn hao của điện môi tại vùng này Có thể nhận xét rằng, tổn hao điệnmôi và tổn hao trên kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) là hai cơ chế tiêu tánnăng lượng chính đối với các vật liệu biến hóa (kim loại – điện môi – kim loại) hoạtđộng trong vùng tần số THz

Hình 1.8 Phổ hấp thụ mô phỏng (nét đứt) và thực nghiệm (nét liền) của cấu trúc SRR

theo sự thay đổi của chiều dày lớp điện môi [69]

1.6 Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến hóa (EIT)

Hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ có nguồn gốc là một hiệu ứng lượng tửkhiến cho một môi trường hấp thụ sóng điện từ trở thành trong suốt trong một vùng tần

số hẹp với độ hấp thụ không đáng kể [71] Hiện tượng này xảy ra trong các hệ nguyên

tử ba mức, ở đó, sự giao thoa triệt tiêu giữa hai dịch chuyển bức xạ sẽ tạo ra một trạngthái chồng chập mà không chứa bất kỳ momen lưỡng cực điện nào [72-74]

Hình 1.9 (a) Giản đồ năng lượng của môi trường EIT; (b) Phổ hấp thụ của một môi trường EIT; (c) Chiết suất của một môi trường EIT với sự tán sắc mạnh tại

tần số ứng với cực tiểu độ hấp thụ [71]

Một mô hình đơn giản và phổ biến nhất là hệ ba mức có cấu hình lamda(hình 1.9a) Hệ nguyên tử này có hai trạng thái cơ bản riêng biệt và một trạng tháikích thích chung Một chùm laser (chùm dò) kích thích trạng thái cơ bản lên trạngthái kích thích sinh ra một phổ hấp thụ đặc trưng dạng Lorentzian Khi chùm laserthứ hai (chùm điều khiển) kích thích trạng thái cơ bản còn lại lên mức kích thích,một hiện tượng đặc biệt có thể được quan sát thấy đó là sự giao thoa triệt tiêu giữahai quãng đường kích thích xảy ra làm tiêu tán mật độ trạng thái của hệ nguyên tử ởtrạng thái kích thích Vật liệu bị tách biệt khỏi trường ngoài được tạo bởi chùm dò;

và ở tần số giao thoa này, vật liệu trở nên giống như chân không Hệ quả là một cửa

sổ truyền qua hiện ra trong phổ hấp thụ nền được tạo bởi chùm dò (hình 1.9b) Tạitần số truyền qua này, tồn tại một sự tán sắc rất mạnh dẫn đến sự tăng cường đáng

kể của sự trễ nhóm trong mẫu (hình 1.9c)

Hiện tượng EIT lượng tử có rất nhiều tiềm năng ứng dụng ví dụ như tronglàm chậm ánh sáng [75] và lưu trữ năng lượng [76,77] Tuy nhiên, thời gian liên kếttương đối ngắn của trạng thái chồng chập đòi hỏi điều kiện thí nghiệm rất phức tạpnhư nhiệt độ làm lạnh và từ trường Gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng cácđặc trưng cơ bản của EIT, hấp thụ thấp và tán sắc mạnh, có thể được tạo ra một cáchtương tự trong các hệ thuần túy cổ điển như các hệ dao động cộng hưởng điện từhoặc cơ học [78] mà không cần đến các hiệu ứng lượng tử Mặc dù, bản chất vật lýcủa các hệ EIT cổ điển khác với hệ nguyên tử trong hiệu ứng EIT lượng tử, cơ chếhoạt động là tương tự nhau Sự giao thoa triệt tiêu giữa hai cộng hưởng loại bỏ ảnhhưởng của trường ngoài và tạo ra một cửa sổ truyền qua

Về mặt bản chất, vật liệu biến hóa được cấu tạo từ các cấu trúc cộng hưởng điện

từ Do vậy, vật liệu biến hóa hoàn toàn có thể tạo ra được hiệu ứng EIT mà không cầnđến bất kỳ điều kiện lượng tử phức tạp nào Cho đến thời điểm hiện tại, hai phươngpháp cơ bản thường được áp dụng để tạo ra vật liệu biến hóa có hiệu ứng EIT Phươngpháp thứ nhất thường được gọi là tương tác sáng - sáng, mà ở đó cả hai cộng hưởng đều

có thể được kích thích bởi trường điện từ ngoài Dựa trên phương pháp này, Fedotov vàcác cộng sự đã tạo ra vật liệu biến hóa có hiệu ứng EIT với hệ số phẩm chất lớn ở vùng

vi sóng [79] Bằng cách phá vỡ sự đối xứng của cấu trúc MM, gồm hai vòng cộnghưởng hở, các dòng điện bất đối xứng được sinh ra và các trường bức xạ sẽ giao thoatriệt tiêu lẫn nhau Hệ quả là sóng tới sẽ truyền qua mà

không bị tổn hao và một vùng truyền qua hẹp được quan sát thấy trên phổ điện từ.Cách tiếp cận thứ hai là dựa trên tương tác sáng - tối, ở đó chỉ có một cộng hưởng

có thể được kích thích bởi sóng tới và cộng hưởng còn lại thì được kích thích thôngqua tương tác trường gần sinh ra bởi cộng hưởng ban đầu [80-83] Do bản chất của

sự kích thích cộng hưởng khác nhau, cộng hưởng ban đầu thường được gọi là modesáng còn cộng hưởng sau thì được gọi là mode tối Một trong những cấu trúc EIT-

MM đầu tiên hoạt động dựa trên tương tác sáng - tối này đã được đề xuất bởi Zhang

và cộng sự [80] Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu bao gồm một thanh cut-wire (CW)

song song và hai thanh CW vuông góc với chiều của điện trường ngoài E (Hình 1.10a) Thanh CW dọc theo E ngoài đóng vai trò như là nguyên tử biến hóa mode sáng, trong khi hai thanh CW vuông góc với E hoạt động như là nguyên tử mode

tối Tồn tại hai quãng đường tương tác khác nhau trong cấu hình vật liệu này

Hình 1.10 (a) Cấu trúc của vật liệu MM; (b) Phần thực và phần ảo của một đầu

(mũi tên màu đỏ trong hình 1.15a) [80]

Tương tác đầu tiên là sự kích thích trực tiếp của nguyên tử biến hóa mode sángbởi sóng tới Tương tác thứ hai là sự kích thích gián tiếp của nguyên tử biến hóa modetối được tạo ra bởi trường gần từ cộng hưởng của nguyên tử biến hóa mode sáng Sau

đó, cộng hưởng mode tối sẽ tương tác trở lại với cộng hưởng mode sáng Sự giao thoa

giữa hai quãng đường tương tác khác nhau tại cùng một tần số sẽ làm triệt tiêutrường điện từ sinh ra bởi nguyên tử biến hóa mode sáng Hệ quả là vật liệu trở nêntrong suốt đối với sóng điện từ tới (hình 1.10b).

1.7 Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa

1.7.1 Siêu thấu kính (super lens)

Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa là khả năng điều khiển sóng điện có rấtnhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế Một trong những ứng dụng nổi bật nhất củavật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi Pendry như trình bày trên hình 1.11[31] Ý tưởng là sử dụng một tấm vật liệu biến hóa có = = n = −1 làm việc giống như là một thấu kính

Hình 1.11 Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [31]

Chúng ta biết với vật liệu thông thường chiết suất dương, ánh sáng khúc xạ tạimặt phân cách của hai môi trường tuân theo định luật Snell như trên hình 1.12(a) Tuynhiên, với vật liệu chiết suất âm, ánh sáng khúc xạ ngược mặt phân cách của hai môitrường như hình 1.12(b) Một môi trường chiết suất âm khúc xạ ánh sáng ngược lại sovới môi trường bình thường Trên hình 1.12(c) mô tả ánh sáng phân kỳ từ một nguồnđiểm bị khúc xạ ngược và hội tụ tại một điểm trong môi trường sau đó hội tụ lần thứhai tại môi trường bên ngoài Hơn nữa, do chiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồikhông chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt của sóng tới Đây

là khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thường Do đó, độ phângiải của siêu thấu kính được tăng lên gấp nhiều lần Tuy nhiên, cũng như các nghiêncứu ứng dụng dựa trên cơ sở vật liệu biến hóa khác, để đưa siêu thấu kính vào sảnxuất thực tế vẫn còn một số vấn đề phải nghiên cứu tiếp như có thể chế tạo kính

hoạt động ở vùng tần số cao, không phụ thuộc vào sự phân cực hay có n = -1 trên

một dải rộng

Hình 1.12 Sự truyền ánh sáng trong môi trường (a) chiết suất dương thông

thường; (b) chiết suất âm; (c) chiết suất âm và hội tụ ánh sáng [31]

1.7.2 Vật liệu biến hóa ứng dụng trong tàng hình

Hình 1.13 (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng

hình; (b) Nguyên lý hoạt động của của áo choàng tàng hình [9]

Ý tưởng về vật liệu tàng hình đã có từ rất lâu đời Từ xa xưa, rất nhiều người

đã mong muốn tạo ra một loại vật liệu giúp vật thể trở nên vô hình dưới mắt ngườiquan sát Điều này trở thành một mong muốn có phần viễn tưởng của con người Tuynhiên, kể từ năm 2006, khi nhóm nghiên cứu của John Pendry và David Smith đãchứng minh bằng lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm vật liệu biến hóa có thểđiều khiển đường đi của ánh sáng [9] Bằng cách thay đổi chiết suất của môi trường,

vật liệu biến hóa có thể uốn cong đường đi của sóng điện từ xung quanh một vật(hình 1.12).

Vật liệu tự nhiên thường chỉ tương tác với thành phần điện trường của sóngđiện từ với các hiện tượng quang học mà chúng ta đã quen thuộc Hình 1.13(a) mô

tả hiện tượng sóng điện từ chiếu đến một hình trụ thông thường, điện trường bị tán

xạ mạnh Tuy nhiên, vật liệu biến hóa lại có tương tác mạnh với thành phần từtrường Do vậy, vật liệu biến hóa đã mở rộng khả năng tương tác với sóng điện từ

và có thể tạo ra những tính chất đặc biệt Các nhà khoa học đã có những thành côngbước đầu trong việc sử dụng vật liệu biến hóa để chế tạo “áo choàng điện từ” Đó làthiết bị làm cho một đối tượng trở nên “vô hình” trước bức xạ điện từ trong một dảitần số nhất định Khi bao quanh hình trụ bằng một áo choàng tàng hình như hình1.13(b), điện từ trường bên ngoài áo choàng không thay đổi và hình trụ trở nên vôhình Nếu có thể chế tạo áo choàng điện từ trong quang phổ khả kiến, đó sẽ là mộtứng dụng thú vị nhất của vật liệu biến hóa “áo choàng tàng hình” Một vật thể trởnên “vô hình” nếu nó không phản xạ sóng tới người quan sát, đồng thời không tán

xạ sóng theo những hướng khác Như vậy nó không được tạo ra bất kỳ cái “bóng”nào, nghĩa là không có sự tán xạ theo phương truyền sóng Tuy nhiên, việc chế tạo

áo choàng tàng hình trên cơ sở vật liệu biến hóa còn nhiều thách thức và giới hạn lýthuyết Thách thức lớn nhất chính là khoảng cách giữa các phần tử của vật liệu biếnhóa phải nhỏ hơn bước sóng ánh sáng mà chúng ta muốn “bẻ cong” Bên cạnh đó,vẫn chưa có giải pháp nào chế tạo được áo choàng tàng hình trong không gian 3chiều Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng là vật liệu tàng hình

1.7.3 Vật liệu biến hóa ứng dụng trong cảm biến

Trong các kỹ thuật dò tìm dựa trên hiệu ứng plasmonic, phương pháp phổ daođộng tăng cường bề mặt (SEVS), bao gồm tán xạ raman tăng cường bề mặt (SERS) vàphổ hấp thụ hồng ngoại tăng cường bề mặt (SEIRA) đã được nghiên cứu rộng rãi vàđược minh chứng là một trong những ứng dụng thành công nhất của hiệu ứngplasmonic cho tới hiện tại Lợi ích của SEVS là tận dụng sự tăng cường trường điện từmạnh trên bề mặt cấu trúc nano plasmonic, có nguồn gốc từ các dao động siêu nhanhcủa khí điện tử mật độ cao được kích thích trên bề mặt kim loại Trong SEIRA, trườngđiện từ sinh bởi dao động phân tử tương tác (giao thoa hoặc tán xạ) mạnh với trườnggần tăng cường bởi hiệu ứng plasmonic, do đó làm tăng cường mạnh sự hấp

thụ ánh sáng tại các tần số dao động của chúng, hệ quả là sinh ra độ nhậy siêu caotrên cả cấp độ đơn lớp.

Trong vùng THz, kim loại được coi là vật dẫn lý tưởng với độ phản xạ gần100% và độ thẩm thấu điện từ rất nhỏ Tỉ số giữa độ thẩm thấu điện từ và bước sóngcủa bức xạ tới vùng THz nhỏ hơn nhiều hơn so với vùng quang Do đó, sóng điện từ

bề mặt THz, hoặc sóng polariton bề mặt cũng khó điều khiển và hội tụ hơn so vớisóng tần số quang Tuy nhiên, sóng THz bề mặt có thể lan truyền mà không bị hấpthụ đáng kể trong đa số vật liệu, do đó chúng có một số lợi ích trong phân tích phổ

và ứng dụng thiết bị ảnh học Ví dụ, cảm biến phân tử trong vùng THz đã trở thànhmột hướng trọng điểm và được nghiên cứu rất rộng rãi hiện nay Phương pháp phổbiến sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến trên cơ sở cộng hưởng plasmon bề mặtđiện môi vùng THz, trong đó phân tử có thể được dò ra nhờ sự dịch phổ do sự hấpthụ của phân tử trên các thiết bị [84,85]

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của luận án được trình bày tóm tắt trên hình 2.1.Trên cơ sở các kết đã đạt được của nhóm nghiên cứu và những kết quả đã đượccông bố trên các tạp chí, chúng tôi đề xuất những ý tưởng mới về vật liệu biến hóa.Các ý tưởng khả thi và phù hợp sẽ được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềmthương mại CST (công nghệ mô phỏng bằng máy tính) Bên cạnh đó, chúng tôi xây

dựng mô hình mạch điện tương đương LC và tính toán lý thuyết so sánh với mô

phỏng Phần mềm mô phỏng CST cho những hình ảnh trực quan mô tả sự phân bốcủa dòng điện, điện từ trường và những tương tác giữa các phần tử cộng hưởng Môhình tính toán lý thuyết giải thích bản chất vật lý, từ đó tham khảo để điều chỉnh cáctham số mô phỏng cho phù hợp Sau khi tối ưu được các tham số cấu trúc, một sốmẫu thực nghiệm được chế tạo để kiểm chứng các kết quả tính toán và mô phỏng

So sánh các kết quả thu được giữa thực nghiệm, mô phỏng và tính toán lý thuyết cóthể kết luận về sự tồn tại các tính chất, đặc tính mới của vật liệu biến hóa

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến

hóa 2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu

Các đặc tính kỳ diệu của vật liệu biến hóa được quyết định bởi hình dạng của cáccấu trúc cộng hưởng mà không phụ thuộc nhiều vào tính chất vật liệu tạo nên cấu trúc đó

Do đó, các nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn đang tìm kiếm và tối ưu các cấu trúc siêu vậtliệu biến hóa hoạt động hiệu quả trong những dải tần số khác nhau từ GHz tới THz haytrong vùng ánh sáng nhìn thấy Ví dụ, trong lĩnh vực nghiên cứu về chiết suất âm, các nhàkhoa học đặc biệt quan tâm đến việc tối ưu cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh nhằm tạo rađồng thời độ từ thẩm âm < 0 và độ điện thẩm âm < 0 (khi kết hợp với cấu trúc dây

kim loại liên tục) dưới sự phân cực của sóng điện từ Khi nghiên cứu về tính chấthấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa, các nhà khoa học thường dựa trên sự cảitiến các cấu trúc cơ bản như cấu trúc cặp dây bị cắt, cấu trúc vòng cộng hưởng córãnh hay các cấu trúc đối xứng Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu các môhình cấu trúc ô cơ sở tạo bởi các cấu trúc đối xứng (hình vuông, cấu trúc vòng cộnghưởng, đĩa tròn…) do chúng hoạt động ổn định dưới sự phân cực khác nhau củasóng điện từ Từ đây, chúng tôi cũng sẽ cải tiến dạng hình học để tạo ra các hốccộng hưởng và khuyết mạng để tăng độ rộng dải tần hấp thụ và cường độ hấp thụtrên vùng tần số THz Cấu trúc cộng hưởng trong các vật liệu biến hóa được nghiêncứu trong luận án này được xây dựng dựa trên các lớp kim loại – điện môi.

2.2 Phương pháp mô phỏng

Trong mô phỏng, mô hình vật liệu biến hóa được xây dựng tương tự như cácvật liệu nhân tạo khác, được thiết kế từ các ô cơ sở tuần hoàn (hoặc không tuầnhoàn) trong không gian 2 hoặc 3 chiều Điều này được thực hiện dễ dàng bằng cách

mô phỏng tính chất điện từ của vật liệu biến hóa dựa trên một ô cơ sở duy nhất vớiđầy đủ các tham số, đặc tính vật liệu, bố trí thí nghiệm và thiết lập các điều kiệnbiên trong các chương trình mô phỏng thương mại như: CST Microwave studio[86], HFSS [87] và Comsol [88]

Trong luận án này đã sử dụng phần mềm mô phỏng thương mại CSTMicrowave Studio (Computer Simulation Technology) để mô phỏng tính chất điện từcủa vật liệu biến hóa vì tính hiệu quả và độ chính xác cao, phù hợp với nhiều kết quảthực nghiệm đã được công bố Chương trình CST mô phỏng tương tác trường điện từvới cấu trúc vật liệu dựa trên kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration technique -FIT), xây dựng dựa trên lý thuyết của Weiland [89] Về mặt bản chất, bằng cách đặt ápđiện trên cạnh của một lưới và áp từ trên cạnh của một lưới kép, lý thuyết FIT biến đổicác phương trình Maxwell và các phương trình tán sắc của vật liệu từ không gian liêntục đến không gian rời rạc Do đó, FIT tạo ra hệ phương trình lưới Maxwell (Maxwell’sGrid equations) từ các phương trình Maxwell, từ đó đảm bảo các tính chất vật lý củatrường được duy trì trong không gian rời rạc và dẫn đến một nghiệm duy nhất Chi tiếtviệc chia lưới và tính toán được trình bày trong phần mềm CST tại thư mục OnlineHelp/Advanced [86] Với lợi thế này, FIT giải các

phương trình Maxwell dưới dạng tích phân thay vì dạng vi phân và các phương trìnhMaxwell có dạng như sau:

ở vùng tần số cao (vùng hồng ngoại hay quang học) tính chất điện từ của kim loạiđược mô tả theo mô hình Drude Trong đó, độ dẫn điện phụ thuộc vào tần số theocông thức:

A(ω) =1– R(ω)– T(ω) Trong đó, R(ω) biểu thị độ phản xạ tại bề mặt MPA và T(ω))

đặc trưng cho độ truyền qua Hai tham số tán xạ của độ phản xạ và truyền qua được