Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp vật liệu điện môi la1,5sr0,5nio4 với các hạt nano từ

Khả năng hấp thụ sóng vi ba của vật liệu có thể được xác định dựa vào các thông số đặc trưng như độ từ thẩm tương đối r, độ điện thẩm tương đối r và sự phù hợp trở kháng của vật liệu v

CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……… ………

CHU THỊ ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA TRÊN CƠ SỞ TỔ HỢP VẬT LIỆU

Chuyên Ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - NĂM 2018

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……… ………

CHU THỊ ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA TRÊN CƠ SỞ TỔ HỢP VẬT LIỆU

Chuyên Ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS Đào Nguyên Hoài Nam

2 GS.TSKH Nguyễn Xuân Phúc

HÀ NỘI - NĂM 2018

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu – Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS Đào Nguyên Hoài Nam và GS.TSKH Nguyễn Xuân Phúc Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Chu Thị Anh Xuân

Đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới TS Đào Nguyên Hoài Nam và GS TSKH Nguyễn Xuân Phúc Các Thầy là người ra đề tài và trực tiếp hướng dẫn em Các Thầy luôn quan tâm, động viên em, giúp em vượt qua mọi khó khăn Qua thầy, em đã học được rất nhiều kiến thức quý báu không chỉ trong khoa học mà ở

cả trong đời sống hàng ngày

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả các cán bộ trong phòng Từ và Siêu dẫn Những người rất nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp và cho em những kinh nghiệm và bài giảng về khoa học rất đáng quý trong suốt thời gian em làm khóa luận tại phòng

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo Trường Đại học Khoa học đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình làm thực nghiệm tại trường

Qua đây, em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn của mình tới Viện Khoa học Vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên

và toàn thể các Thầy Cô trong Khoa Vật lý và Công nghệ, ĐH Khoa học – ĐHTN đã tạo cho em điều kiện thuận lợi nhất để có thể học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án này

Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ em rất nhiều Cuối cùng, em xin được cảm ơn cha mẹ và những người thân của em Những người luôn sát cánh, động viên em, đưa em vượt qua tất cả khó khăn để có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, năm 2018

Tác giả luận án

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA 5 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu hấp thụ sóng vi ba 5

1.2 Cơ sở lý thuyết và các ứng dụng của sóng điện từ 8

1.3 Sự tán xạ và phản xạ sóng điện từ bởi môi trường vật chất 10

1.3.1 Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng 11

1.3.2 Kỹ thuật khử phản xạ chủ động 12

1.3.3 Kỹ thuật khử phản xạ bị động 12

1.3.4 Kỹ thuật khử phản xạ bằng vật liệu hấp thụ 13

1.4 Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số vi ba 13

1.4.1 Cơ chế tổn hao trong các chất dẫn điện 14

1.4.2 Cơ chế tổn hao điện môi 15

1.4.3 Cơ chế tổn hao từ ……… 16

1.5 Một số cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng vi ba 19

1.5.1 Đa lớp điện môi hấp thụ sóng vi ba 20

1.5.1.1 Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury 20

1.5.1.2 Lớp hấp thụ Dallenbach 21

1.5.1.3 Lớp hấp thụ Jaumann 22

1.5.2 Vật liệu hấp thụ từ tính 24

1.5.3 Các vật liệu hấp thụ bất đồng nhất 26

1.5.4 Vật liệu hấp thụ sóng vi ba hỗn hợp 27

1.6 Một số hệ vật liệu liên quan đến đối tượng nghiên cứu của đề tài 29

1.6.1 Hệ vật liệu La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO) 29

1.6.2 Hệ vật liệu ferrite spinel MFe2O4 (M = Co, Ni) 31

1.6.3 Hệ vật liệu sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) 33

1.6.4 Hệ hạt nano kim loại sắt 35

1.7 Kết luận chương 36

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 38

2.1 Qui trình chế tạo các hạt nano 38

2.2 Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu 40

2.2.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 40

2.2.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 41

2.2.3 Phổ tán sắc năng lượng (EDX) 42

2.2.4 Các phương pháp đo tính chất từ của vật liệu 43

2.3 Một số phương pháp đo các thông số điện từ của vật liệu hấp thụ sóng vi ba 43 2.3.1 Qui trình trải các lớp vật liệu hấp thụ 44

2.3.2 Sơ lược về phương pháp đo thông số điện từ của vật liệu hấp thụ sóng vi ba

44 2.3.2.1 Kỹ thuật hốc cộng hưởng 45

2.3.2.2 Kỹ thuật bản cực song song 46

2.3.2.3 Kỹ thuật đầu dò đồng trục 46

2.3.2.4 Kỹ thuật đường truyền 47

2.3.2.5 Kỹ thuật không gian tự do 48

2.3.3 Phép đo phản xạ/truyền qua sóng vi ba trong không gian tự do 50

2.3.4 Lý thuyết đường truyền và thuật toán Nicolson–Ross–Weir (NRW) 52

CHƯƠNG 3 TÍNH CHẤT HẤP THỤ SÓNG VI BA CỦA HỆ HẠT

NANO ĐIỆN MÔI La 1,5 Sr 0,5 NiO 4

56 3.1 Các đặc trưng cơ bản của hệ hạt nano điện môi La1,5Sr0,5NiO4 56

3.1.1 Đặc trưng cấu trúc và kích thước hạt 57

3.1.2 Tính chất từ của vật liệu 59 3.2 Khả năng hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano La1,5Sr0,5NiO4 theo độ dày lớp

hấp thụ

60

3.3 Kết luận chương 66

CHƯƠNG 4 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ

SÓNG VI BA CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Fe

68 4.1 Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên cấu trúc, kích thước hạt tính chất từ

của vật liệu nano kim loại Fe

thụ sóng vi ba của các lớp hấp thụ Fe/paraffin

79 4.3 Kết luận chương 82

CHƯƠNG 5 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ

SÓNG VI BA CỦA MỘT SỐ HỆ HẠT NANO TỔ HỢP ĐIỆN MÔI/SẮT

TỪ, FERRITE

84 5.1 Công nghệ chế tạo và các đặc trưng cơ bản của các vật liệu CoFe2O4,

NiFe2O4 và La0,7Sr0,3MnO3

84 5.1.1 Hệ hạt nano ferrite CoFe2O4 85 5.1.2 Hệ hạt nano ferrite NiFe2O4 88

5.2 Khả năng hấp thụ sóng vi ba của một số hệ hạt nano tổ hợp 95

5.2.1 Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xCoFe2O4 ( x = 0; 2; 4; 6; 8; 10)

95 5.2.2 Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xNiFe2O4 (x = 0; 8; 15; 20; 30; 35)

102 5.2.3 Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xLa0,7Sr0,3MnO3 (x = 0; 4; 8; 10)

108 5.3 Kết luận chương 114

KẾT LUẬN 116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 118

PHỤ LỤC 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

NRL Naval Research Laboratory

Hình 1.1 Thành phần điện và từ của trường điện từ tại sát mặt phân cách

giữa hai môi trường

9 Hình 1.2. Trường điện bằng không tại bề mặt và đạt cực đại tại một phần tư

bước sóng trên một lớp vật dẫn, trong khi trường từ đạt cực đại tại bề mặt 9 Hình 1.3. Cấu trúc đa lớp và cấu trúc dạng kim tự tháp 12 Hình 1.4. Sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi 16 Hình 1.5. Phổ hồi phục Debye cho một chất điện môi lý tưởng 16 Hình 1.6. Sự phụ thuộc tần số của các thành phần độ từ thẩm phức của vật

liệu sắt từ

17 Hình 1.7 Cấu tạo của màn chắn Salisbury cổ điển và mạch tương đương

theo lý thuyết đường truyền

20 Hình 1.8 Lớp hấp thụ Dallenbach và mạch tương đương 21 Hình 1.9 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của lớp hấp thụ Dallenbach 22 Hình 1.10 Cấu tạo của màn chắn Jaumann 22 Hình 1.11 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các lớp Jaumann 23 Hình 1.12 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của cấu trúc Jaumann sáu

lớp

23 Hình 1.13 Cấu trúc hấp thụ đa lớp điện môi dạng kim tự tháp 24 Hình 1.14 Mô hình thiết kế của cấu trúc Jaumann bốn lớp điện môi 24 Hình 1.15 Giản đồ minh họa sự phụ thuộc tần số của µr và εr cho một chất

ferrite điển hình

25 Hình 1.16 Đường đặc trưng độ tổn hao phản xạ của MAM gồm bốn lớp vật

liệu ferrite có cấu trúc tinh thể lục giác

25 Hình 1.17 Sự phụ thuộc của độ tổn hao phản xạ vào tần số của một tấm vật

liệu hấp thụ bất đồng nhất có độ dày 4,08 cm

27

Hình 1.19 Cấu trúc MPA ba lớp lần đầu tiên được đề xuât bởi I Landy 28

Hình 1.20 (a) Nhiệt độ chuyển pha trật tự điện tích và trật tự spin (TCO và TSO) xác định từ phép đo điện trở suất theo nhiệt độ của LSNO; (b) Hằng số điện môi phụ thuộc tần số ở các nhiệt độ khác nhau của vật liệu LSNO

30 Hình 1.21 Đường cong từ trễ của các mẫu (a) NiFe2O4 và (b) CoFe2O4 31

Hình 1.22 Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các lớp hấp thụ (a) NiFe2O4/paraffin và (b) NiFe2O4/polypyrrole với độ dày khác nhau

32 Hình 1.23 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các MAM dựa trên (a) hệ hạt nano CoFe2O4 và (b) vật liệu CoFe2O4 hình bầu dục với độ dày khác nhau

33 Hình 1.24 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc vào tần số của các lớp vật liệu hấp thụ (a) LSMO/epoxy; (b) LSMO/CNTs; (c) LSMO/polyaniline và (d) hệ hạt nano LSMO

34 Hình 1.25 Đường cong RL(f) trong vùng tần số từ 2-18 GHz của (a) hệ hạt nano kim loại Fe và (b)vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-Fe/Graphene

36 Hình 2.1 Sơ đồ máy nghiền hành tinh 38

Hình 2.2 Nguyên lý nghiền bột bằng phương pháp nghiền bi 38

Hình 2.3 Quy trình chế tạo và xử lý mẫu 39

Hình 2.4 Sơ đồ nhiệt trong giai đoạn ủ nhiệt cho các mẫu 40

Hình 2.5 Mô hình minh họa dẫn đến định luật nhiễu xạ Bragg 40

Hình 2.6 Sơ đồ thể hiện các tín hiệu nhận được từ mẫu 42

Hình 2.7 Hình ảnh một tấm vật liệu hấp thụ thực tế 44

Hình 2.8 Mô hình đo sử dụng kỹ thuật bản cực song song 45

Hình 2.9 Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo hốc cộng hưởng 45

Hình 2.10 Mô hình phép đo đầu dò đồng trục 47

Hình 2.12 Sơ đồ khối của phương pháp truyền qua trong không gian tự do 48 Hình 2.13 Mô hình sóng tới và sóng phản xạ từ các bề mặt của MAM 50 Hình 2.14 Sơ đồ lắp đặt của phép đo phản xạ (a) và truyền qua (b) trong

không gian tự do

51 Hình 2.15 Mô hình lắp đặt mẫu và đường đi của tín hiệu bên trong ống dẫn

sóng đồng trục

53 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của vật liệu

La1,5Sr0,5NiO4

57 Hình 3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu La1,5Sr0,5NiO4 58 Hình 3.3 Đường cong từ trễ của vật liệu La1,5Sr0,5NiO4 dạng bột đo tại nhiệt

độ phòng

59 Hình 3.4 Độ từ thẩm tương đối, |μR|(f), và hằng số điện môi tương đối, |εR|(f)

của các lớp hấp thụ La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với độ dày khác nhau

60 Hình 3.5 Đường cong RL(f) và Z(f) của các lớp hấp thụ

La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với độ dày khác nhau: (a) d = 1,5 mm; (b) d = 2,0 mm;

d = 3,0 mm và d = 3,5 mm (fz1 và fz2 tương ứng là các tần số tại đó |Z| = Z0

= 377 Ω)

61 Hình 3.6 Sự biến thiên của độ tổn hao phản xạ RL và tần số cộng hưởng

hấp thụ fr theo độ dày d của tất cả các mẫu 63

Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ghi tại nhiệt độ phòng của các mẫu

bột sau khi được nghiền từ 1 giờ đến 20 giờ

69 Hình 4.2 Ảnh SEM của các mẫu (a) Fe-10h và (b) Fe-20h 70 Hình 4.3 Đường cong từ hóa ban đầu đo tại nhiệt độ phòng (a); sự phụ thuộc

của từ độ bão hòa MS theo thời gian nghiền (b) của các mẫu và đường cong

từ hóa của mẫu Fe-10h (hình nhỏ)

71

EDX (hình nhỏ) theo thời gian bảo quản trong môi trường không khí

73 Hình 4.5 Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các mẫu Fe/paraffin với độ

dày d khác nhau trong hai vùng tần số (a) từ 4-12 GHz và (b) từ 14-18

GHz………

74 Hình 4.6 Đường cong RL(f) và |Z|(f) của các mẫu với các độ dày khác nhau:

(a) d = 1,5 mm; (b) d = 2 mm; (c) d = 3 mm và (d) d = 3,5 mm

75 Hình 4.7 Sự phụ thuộc của |S11| và RL vào tần số của các tấm vật liệu

Fe/paraffin với độ dày khác nhau với các mẫu được gắn đế Al phản xạ toàn

phần phía sau

77 Hình 4.8 Đường cong RL(f) của tất cả các mẫu khi không có đế kim loại Al

gắn phía sau trong vùng tần số từ 4-18 GH

79 Hình 4.9 Độ tổn hao phản xạ RL và trở kháng Z phụ thuộc tần số của tất cả

các lớp Fe/paraffin khi không có đế kim loại Al gắn phía sau với tỉ lệ khối

lượng r khác nhau: r = 3/1 (a); r = 4/1; r = 4,5/1 và r = 5/1

80 Hình 4.10 Giá trị tuyệt đối của hệ số phản xạ |S11| (a) và RL(f) (b) của tất cả

các lớp hấp thụ Fe/paraffin khi được gắn đế Al phẳng

81 Hình 5.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của các mẫu CoFe2O4

tại các công đoạn khác nhau của quá trình chế tạo

85 Hình 5.2 Ảnh SEM của các mẫu CFO ở từng công đoạn chế tạo khác nhau:

(a) CFO-MK, (b) CFO-MB và (c) CFO-M900

86 Hình 5.3 Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu CoFe2O4 ở

các công đoạn chế tạo khác nhau

87 Hình 5.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của tất cả các mẫu

NiFe2O4

88

(a) NFO-MK, (b) NFO-MB và (c) NFO-M900

89 Hình 5.6 Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu NiFe2O4 ở

các công đoạn chế tạo khác nhau

90 Hình 5.7 Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu

La0,7Sr0,3MnO3 ở các công đoạn chế tạo khác nhau

91 Hình 5.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của tất cả các mẫu

La0,7Sr0,3MnO3

93 Hình 5.9 Ảnh SEM của các mẫu LSMO ở từng công đoạn chế tạo khác

nhau: (a) LSMO-MK, (b) LSMO-MB và (c) LSMO-M900

94 Hình 5.10 Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) của các tấm hấp thụ

(100-x)LSNO/xCFO trong khoảng tần số từ 4-18 GHz

96 Hình 5.11 Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) và Z(f) của các mẫu

trong vùng tần số cộng hưởng gần 14 GHz (a) x = 0; (b) x = 2; (c) x = 4; (d)

x = 6; (e) x = 8 và (f) x =10

99 Hình 5.12 Các mẫu có đế kim loại Al: (a) Giá trị tuyệt đối của hệ số phản

xạ |S11| và (b) RL của các mẫu (100-x)LSNO/xCFO trong dải tần số từ 4-18

GHz

101 Hình 5.13 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các tấm vật liệu hấp thụ

LSNO/paraffin và NFO/paraffin có độ dày 3 mm

103 Hình 5.14 Các đường cong RL(f) và Z(f) của các lớp hấp thụ (100-

x)LSNO/xNFO trong paraffin

104 Hình 5.15 Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng (fr) tại đỉnh hấp thụ vào nồng

độ của các hạt nano từ tính NFO (x) trong hệ hạt nano tổ hợp

(100-x)LSNO/xNFO

106

phù hợp pha được tăng cường đáng kể bởi đế kim loại)

107 Hình 5.17 Các đường cong RL(f) và |Z/Z0|(f) cho các mẫu trong dải tần số

từ 4-18 GHz: (a) x = 0; (b) x = 4; x = 8; x = 10

109 Hình 5.18 Sự biến thiên của tần số hấp thụ cộng hưởng fr1 theo nồng độ x

của các hệ hạt nano tổ hợp x)LSNO/xNFO (đường màu xanh) và

(100-x)LSNO/xLSMO (đường màu đỏ)

112 Hình 5.19 Các mẫu có đế kim loại Al: (a) giá trị tuyệt đối của hệ số phản

xạ, |S11|,và (b) tương ứng là độ tổn hao phản xạ RL

113

Bảng 1.1 Các dải tần số sóng vi ba và ứng dụng tương ứng 10 Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa số tấm trở kháng, độ rộng dải tần và tổng độ dày

của các lớp Jaumann

23 Bảng 1.3 Các tham số đặc trưng của MAM bốn lớp vật liệu ferrrite 26 Bảng 3.1 Các tham số đặc trưng của các lớp hấp thụ La1,5Sr0,5NiO4/paraffin

với độ dày khác nhau

62 Bảng 4.1 Kích thước hạt tinh thể trung bình D và từ độ bão hòa MS tại từ

trường 10 kOe của các mẫu Fe sau khi được nghiền cơ năng lượng cao từ 1

giờ đến 20 giờ

69 Bảng 4.2 Giá trị độ từ hóa bão hòa (tại 10 kOe) và % nguyên tố của bột

nano Fe được bảo quản trong không khí trong những khoảng thời gian khác

nhau

73 Bảng 4.3 Các tham số đặc trưng của các tấm vật liệu Fe/paraffin với d khác

nhau

75 Bảng 4.4 Giá tri fp tính toán theo mô hình lý thuyết và quan thực nghiệm

của tất cả các mẫu có tỷ lệ khối lượng khác nhau

80 Bảng 5.1 Kích thước hạt tinh thể <D>, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường

10 kOe và giá trị lực kháng từ HC của CFO ở mỗi công đoạn chế tạo

87 Bảng 5.2 Kích thước hạt tinh thể D, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường 10

kOe và giá trị lực kháng từ HC của NFO ở mỗi công đoạn chế tạo

88 Bảng 5.3 Kích thước hạt tinh thể D, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường 10

kOe và giá trị lực kháng từ HC của LSMO ở mỗi công đoạn chế tạo

93 Bảng 5.4 Các tham số đặc trưng cho tính chất hấp thụ sóng vi ba của các

mẫu (100-x)LSNO/xCFO.(x là phần trăm thể tích, fr là tần số cộng hưởng

tại đỉnh hấp thụ của RL, fz là tần số phù hợp trở kháng, fp là tần số phù hợp

pha)

Bảng 5.5 Các tham số đặc trưng của tất cả các mẫu hấp thụ

(100-x)LSNO/xNFO

105 Bảng 5.6 Các tham số đặc trưng hấp thụ sóng vi ba của các lớp hấp thụ

(100-x)LSNO/xLSMO trong paraffin 110

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sóng điện từ trong dải tần số GHz đã

và đang trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển ngày càng cao của các thiết bị truyền thông không dây, phát sóng vệ tinh, điều trị y tế và các ứng dụng trong quân sự, … [48,

55, 90] Cùng với đó, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của sóng điện từ cũng đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Vì vậy, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ trong dải tần

số GHz ngày càng thu hút được sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên cả hai lĩnh

vực khoa học cơ bản và công nghệ Để loại bỏ nhiễu điện từ (Electromagnetic

Interference-EMI), giảm thiết diện phản xạ sóng điện từ và đảm bảo tính bảo mật cho

các hệ thống hoạt động dựa trên sóng điện từ, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ

đã được phát triển, trong đó, vật liệu hấp thụ sóng vi ba (Microwave Absorption

Materials - MAM) được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu với các ứng dụng đa

dạng và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong lĩnh vực quân sự, vật liệu hấp

thụ sóng radar (Radar Absorption Materials - RAM) trong dải tần số từ 8-12 GHz là

yếu tố quan trọng của công nghệ tàng hình cho các phương tiện chiến đấu như: máy bay chiến đấu, tàu chiến, tên lửa tầm xa, …

Các nghiên cứu về vật liệu sóng điện từ chủ yếu được thực hiện theo ba hướng chính: (1) hoàn thiện khả năng chống phản xạ; (2) tăng cường khả năng hấp thụ và (3)

mở rộng vùng tần số hoạt động Trong đó, sự hấp thụ đồng thời cả hai thành phần năng lượng điện trường và năng lượng từ trường được hi vọng sẽ làm gia tăng độ tổn hao và

do đó tăng hiệu suất hấp thụ điện từ của vật liệu Hơn nữa, công nghệ nano ra đời mở ra một hướng phát triển mới cho các nghiên cứu về vật liệu hấp thụ ứng dụng trong che chắn và chống nhiễu điện từ Các MAM có cấu trúc nano ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu do các đặc tính hấp dẫn cũng như khả năng hấp thụ mạnh hơn sóng vi ba so với các vật liệu cùng loại ở dạng khối hoặc có cấu trúc micro Tính chất thú vị của vật liệu nano được bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng Khi kích thước hạt giảm xuống đến giới hạn nano, các hiệu ứng bề mặt đóng góp chủ yếu vào vào sự thay đổi tính chất đặc trưng của vật liệu Mặt khác, vật liệu nano còn có hoạt tính cao, dễ phân tán và do đó thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng [25, 149]

Khả năng hấp thụ sóng vi ba của vật liệu có thể được xác định dựa vào các thông

số đặc trưng như độ từ thẩm tương đối (r), độ điện thẩm tương đối (r) và sự phù hợp

trở kháng của vật liệu với môi trường truyền sóng Độ tổn hao phản xạ RL (Reflection

Loss) là đại lượng thường được dùng để đánh giá chất lượng của các vật liệu hấp thụ

sóng vi ba được tính toán theo công thức RL = 20log|(Z - Z 0 )/(Z + Z 0 )|, trong đó, Z =

Z 0 (r /r ) 1/2 là trở kháng đầu vào của chất hấp thụ, Z 0 là trở kháng của không khí Khả

năng hấp thụ sóng vi ba tối ưu tương ứng với một giá trị âm rất lớn của RL có thể đạt

được khi (i) trở kháng đầu vào của các chất hấp thụ gần bằng với trở kháng của môi

trường truyền sóng tới, |Z| = Z 0 , (cơ chế phù hợp trở kháng - Z Matching), hoặc (ii) độ dày lớp hấp thụ thỏa mãn điều kiện phù hợp pha (Phase Matching), hay hiệu ứng một phần tư bước sóng (quarter-wavelength) với d = (2n+1)c/[4f(|r ||r |) 1/2 ], n = 0, 1, 2, …

Hai hiệu ứng trên thường được quan sát thấy nhiều nhất tại các tần số hấp thụ cộng

hưởng của nhiều chất hấp thụ và đều cho giá trị âm rất lớn của RL Do điều kiện |Z| = Z 0

có thể đạt được khi r = r, một phương pháp hữu hiệu để tăng khả năng hấp thụ của vật liệu đó là thiết lập sự cân bằng giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm, điều này hoàn toàn

có thể thực hiện được bằng cách pha trộn các vật liệu điện môi và vật liệu sắt từ hoặc ferrite theo một tỷ lệ thích hợp Vì vậy, trong những năm gần đây đã có rất nhiều các công bố khoa học về khả năng hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số GHz của các vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp các hạt nano từ và điện môi Theo đó, độ tổn

hao phản xạ, RL tại đỉnh hấp thụ có thể đạt giá trị âm rất thấp dưới -50 dB [45, 66, 175]

Các nghiên cứu trên thế giới đã có những bước tiến dài trong việc phát triển các vật liệu có khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba Ngoài carbon đen (carbon black- C) và carbonyl sắt (carbonyl- Fe) là những vật liệu hấp thụ truyền thống được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay và có độ tổn hao phản xạ không cao (thường chỉ đạt trung bình cỡ -

10 dB đến -15 dB) [57, 100, 173], các nghiên cứu về khả năng hấp thụ sóng vi ba của

các hệ hạt nano hoặc các vật liệu nano tổ hợp cho thấy giá trị của RL cộng hưởng có thể

đạt từ -50 dB đến -60 dB Ví dụ như các hệ hạt nano tổ hợp Fe3O4/GCs cho RL ~ -52 dB

tại đỉnh hấp thụ 8,76 GHz [66], vật liệu nano tổ hợp BaFe9Mn0.75Co0.75Ti1.5O19/

MWCNTs cho RL ~ -56 dB tại gần 17 GHz [45], vật liệu tổ hợp C/CoFe-CoFe2O4 trong

paraffin với độ tổn hao phản xạ RL đạt xuống đến ~ -71,73 dB tại 4,78 GHz [50], vật liệu nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Fe/HCNTs (RL ~ -50 dB tại 7,41 GHz) [122], vật liệu nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Co-C trong paraffin (RL ~ -62,12 dB tại 11,85 dB) [159],

… Tại Việt Nam, vật liệu hấp thụ sóng điện từ đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Năm 2011, nhóm các cán bộ của viện kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc Phòng) đã bắt đầu các nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar băng tần X của vật liệu nano multiferroic BiFeO3-CoFe2O4 (RL ~ -35,5 dB tại 10,2 GHz) hay các hạt nano

Mn0.5Zn0.5Fe2O4 trong nhựa thông và vật liệu tổ hợp chứa các hạt nano ferrite Ba-Co [2,

4, 58] PGS TS Vũ Đình Lãm và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiện tượng hấp thụ và khả năng tàng hình sóng vi ba của các siêu vật liệu (metamaterials) trong những năm gần đây và đã có nhiều công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thế giới [79, 154, 155]

Dựa trên khả năng và xu thế ứng dụng của vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong tương lai, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, chúng tôi đề xuất đề tài

“Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp vật liệu điện

môi La 1,5 Sr 0,5 NiO 4 với các hạt nano từ” Đề tài này được lựa chọn để thay thế cho đề tài

đã đăng ký trong thuyết minh hồ sơ nghiên cứu sinh “Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu

hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp các hạt nano từ và điện môi”, nhằm phù hợp hơn

với điều kiện thực hiện luận án và các kết quả đã thu nhận được của nghiên cứu sinh

Chúng tôi tin tưởng rằng đề tài sẽ có những đóng góp đáng kể không chỉ cho sự hiểu biết về các cơ chế tương tác của sóng điện từ với vật liệu, tìm kiếm và phát triển một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở các hạt nano ferrite, sắt từ, điện môi và các

hệ hạt nano tổ hợp của chúng, mà còn mở ra khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu này trong che chắn và chống nhiễu điện từ

Các nội dung chính trong luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Các hiện tượng và vật liệu hấp thụ sóng vi ba

Chương 2 Kỹ thuật thực nghiệm

Chương 3 Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano điện môi La1,5Sr0,5NiO4

Chương 4 Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của các hạt nano

kim loại Fe

Chương 5 Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của một số hệ hạt nano tổ hợp điện môi/sắt từ, ferrite

Mục tiêu của luận án:

- Chế tạo các hệ hạt nano (điện môi, ferrites, sắt từ, kim loại) và các hệ hạt nano

tổ hợp của chúng Tìm quy trình công nghệ tối ưu, phù hợp cho việc chế tạo các mẫu hấp thụ Khảo sát các tính chất cơ bản của các vật liệu nano chế tạo

- Đo đạc và nghiên cứu các hiệu ứng hấp thụ sóng vi ba trong các hệ hạt nano điện môi, các cơ chế hấp thụ và sự phụ thuộc của tính chất hấp thụ vào các thông số của vật liệu, từ đó tìm giải pháp nâng cao khả năng hấp thụ cũng như điều chỉnh các tham

từ-số hấp thụ

- Tìm kiếm và phát triển những vật liệu mới (hấp thụ đồng thời nhiều cơ chế) với

khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba, bắt kịp các thành tựu của thế giới (RL tại đỉnh hấp

thụ đạt -40 dB đến -60 dB, tương ứng với khả năng hấp thụ trên 99,99% công suất sóng điện từ tại tần số cộng hưởng trong vùng vi ba)

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

- Các hạt nano sắt từ và ferrites có µ và M s cao như gốm sắt từ La0.3Sr0.7MnO3, các ferrite CoFe2O4, NiFe2O4, hệ hạt nano kim loại Fe

- Các hạt nano của vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ La1,5Sr0,5NiO4

- Các hạt nano tổ hợp của sắt từ/ferrite từ và điện môi

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:

- Cách tiếp cận: Dựa trên những kết quả nghiên cứu sẵn có của nhóm nghiên cứu kết hợp với một số bài báo, công bố của các tác giả trong và ngoài nước về vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói chung và vật liệu hấp thụ sóng vi ba, sóng radar nói riêng để làm nền tảng và cơ sở nghiên cứu Từ đó, xây dựng phương pháp nghiên cứu thích hợp trong điều kiện thí nghiệm trong nước, từ việc chế tạo vật liệu, xây dựng các phép đo, áp dụng các mô hình lý thuyết phù hợp để phân tích và xử lý số liệu, cho đến việc đánh giá các kết quả thực nghiệm thu được và định hướng các nghiên cứu tiếp theo

- Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sẽ được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm Mẫu bột có kích thước hạt nanomet được chế tạo chủ yếu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao kết hợp với các công đoạn xử lý nhiệt thích hợp Cấu trúc vật liệu, hình thái pha, hình dạng và kích thước hạt được khảo sát, phân tích và đánh giá trên cơ sở phân tích nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM Các phép

đo đánh giá tính chất từ của vật liệu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung (PPMS, VSM) Cuối cùng, các phép đo phản xạ và truyền qua sóng vi ba trong vùng tần số từ 4-

18 GHz được thực hiện trong không gian tự do (môi trường không khí) và ở nhiệt độ phòng Từ các số liệu thực nghiệm thu được, tính toán hệ số tổn hao phản xạ (RL) sử dụng lý thuyết đường truyền [162] và thuật toán NRW [115, 164] Kết quả thực nghiệm

sẽ được biện luận và phân tích nhằm giải thích các hiện tượng vật lý và tìm kiếm cơ chế hấp thụ Trên cơ sở đó, đưa ra các giải pháp phát triển các tính năng hấp thụ sóng điện

từ của vật liệu, điều chỉnh các tham số công nghệ và đánh giá khả năng ứng dụng

Các kết quả mới đã đạt được của luận án:

- Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu dạng tấm bằng phương pháp bột nhồi nano với chất mang paraffin

- Lần đầu tiên phát hiện ra khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba trong vùng tần số

từ 4-18 GHz trên các tấm vật liệu La1,5Sr0,5NiO4/paraffin Giá trị độ tổn hao phản xạ thấp nhất vào khoảng -36,7 dB, đạt hiệu suất hấp thụ 99,98%, được quan sát trên tấm

Trong quá trình thực hiện và viết luận án, mặc dù tác giả đã rất cố gắng nhưng vẫn không thể tránh được những sai sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản biện của các nhà khoa học, các nhóm nghiên cứu lĩnh vực liên quan cũng như những người quan tâm đến đề tài

CHƯƠNG 1 CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu hấp thụ sóng vi ba

Vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM) và vật liệu hấp thụ sóng rada (RAM) đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong các lĩnh vực thương mại, kỹ thuật phòng tối và

kỹ thuật làm giảm tín hiệu phản xạ từ vật thể quanh các trạm radar quan sát Gần đây, những ứng dụng ngày càng phổ biến của các công nghệ sử dụng sóng vi ba đang thúc đẩy sự phát triển của các loại vật liệu hấp thụ Trong phần này, chúng tôi đưa ra tổng quan ngắn gọn về lịch sử phát triển của MAM/RAM làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tìm hiểu các loại vật liệu và cấu trúc hấp thụ được giới thiệu trong các phần tiếp theo

Vào những năm 1930, vật liệu hấp thụ sóng vi ba, đặc biệt là vật liệu hấp thụ trong dải tần số sóng radar (8-12 GHz) đã bắt đầu được nghiên cứu, phát triển và công

bố trong một số các công trình khoa học [98, 135] Các tấm hấp thụ được thiết kế dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa vật liệu với các cơ chế tổn hao khác nhau nhằm tối ưu hóa

sự hấp thụ trên một dải tần rộng Do đó, chúng có thể có hình dạng và cấu trúc khác nhau trải rộng từ các cấu trúc kim tự tháp dày đến các lớp phủ mỏng dạng đơn lớp và đa lớp Công trình nghiên cứu đầu tiên về các lớp hấp thụ gồm hai thành phần than carbon (carbon black - C), và TiO2, đã được đăng ký sáng chế ở Pháp năm 1936 [109] Hiện tượng hấp thụ được quan sát trong loại vật liệu này là loại cộng hưởng một phần tư bước sóng, sử dụng than Carbon để tăng độ dẫn (thành phần tổn hao điện trở) và TiO2 để tăng hằng số điện môi (thành phần tổn hao điện môi) nhằm giảm độ dày lớp hấp thụ

Trong Chiến tranh thế giới lần thứ 2, tại Đức, vật liệu “Wesh” dạng composite của bột hỗn hợp carbonyl Fe và cao su tổng hợp đã được chế tạo thành công, cho khả năng hấp thụ mạnh tại tần số cộng hưởng 3 GHz trên lớp hấp thụ có độ dày 7,6 mm Cấu trúc hấp thụ đa lớp Jaumann cũng được thiết kế thành công, độ tổn hao phản xạ thu được khoảng - 20dB trong dải tần số rất rộng từ 2-15 GHz [133] Tuy nhiên, các loại vật liệu này có thời gian sống khá ngắn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và do

đó gây cản trở lớn trong việc triển khai ứng dụng trong thực tế Cũng trong thời gian này, Halpern (phòng thí nghiệm bức xạ MIT, Mỹ) đã nghiên cứu và phát triển vật liệu

”HARP” dùng cho sơn Halpern (HARP- Halpern Anti Radiation Paint) dựa trên vật liệu

than carbon và hệ hạt kim loại Fe có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong dải tần

số sóng rada (X - band) với RL đạt khoảng -15 dB đến -20 dB [53, 54] Ngoài ra, cấu

trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury cũng được phát triển [132] Cấu trúc ban đầu được làm bằng vải phủ than chì, dán trên khung gỗ được hỗ trợ sản xuất bởi

công ty cao su Hoa Kỳ (US Rubber), kéo theo sự ra đời của cấu trúc hấp thụ dạng kim

tự tháp dài, là cấu trúc có đỉnh định hướng theo phương truyền sóng tới và bên trong được phủ bởi các lớp Salisbury [114] Sau này, cấu trúc hấp thụ Salisbury được cải tiến

gồm một lớp hấp thụ điện môi hay một lớp polymer dẫn đặt trước bề mặt kim loại ở khoảng cách phần tư bước sóng Cho đến khi tầm quan trọng của vật liệu ferrites được biết đến, ngoại trừ các lớp hấp thụ Jaumann và cấu trúc kim tự tháp đảo, hầu hết các vật liệu và cấu trúc hấp thụ đều thuộc loại vật liệu hấp thụ sóng điện từ dải hẹp

Sau chiến tranh (1945-1950), các công trình nghiên cứu về MAM/RAM được thực hiện chủ yếu theo hướng tìm kiếm các vật liệu hoặc cấu trúc hấp thụ dải rộng nhằm mục đích ứng dụng trong kỹ thuật buồng tối Trong giai đoạn này, các vật liệu hấp thụ (chủ yếu là carbon, than chì, oxit sắt, bột sắt, bột nhôm, đồng) trộn với các chất kết dính (thường là một số loại nhựa hoặc gốm, chất tạo độ xốp như xà phòng, chất xơ, vỏ bào)

và việc suy giảm sóng điện từ băng thông rộng được tạo ra bằng cách sắp xếp các tấm vật liệu theo các cấu trúc hấp thụ dạng kim tự tháp hay dạng nón thiết kế sẵn [54]

Những năm 1950 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của MAM/RAM bằng việc sản xuất thương mại MAMs dựa trên vật liệu carbon, có tên gọi là “Spondex”, bởi công

ty Sponge Products Company, Emerson and Cuming và tập đoàn công nghiệp

McMillan Hệ số tổn hao phản xạ đạt xuống đến -20 dB trong dải tần số 2,4-10 GHz cho lớp hấp thụ có độ dày 5,1 cm Cũng trong thập kỷ này, Severin và Meyer đã bắt đầu

nghiên cứu về các thiết bị mạch tương tự (analog circuit devices) sử dụng các lý thuyết

mạch mô tả các thành phần hay các quá trình xảy ra trong các chất hấp thụ [101], từ đó dẫn đến việc chế tạo ra các MAM dựa trên các vòng nạp trở kháng, lá kim loại có rãnh, các lưỡng cực nạp trở kháng, các dải vật liệu điện trở hay vật liệu từ tính với các định hướng khác nhau, cấu trúc dạng mặt và từ tính của các vật liệu cộng hưởng Điều này

mở ra sự bắt đầu cho một lĩnh vực mới trong nghiên cứu các bề mặt lọc lựa tần số

(Frequency Selective Surfaces -FSS), trên cơ sở các vật liệu meta (Metamaterial) [107]

Trong hai thập kỷ tiếp theo (1960-1970), các loại vật liệu hấp thụ ứng dụng trong

các thiết bị mạch tương tự tiếp tục được nghiên cứu và phát triển Đặc biệt, độ dày của

các lớp hấp thụ giảm đi đáng kể khi sử dụng các lớp đệm ferrite [120, 140] Trong giai đoạn này, các lớp hấp thụ Jaumann cũng được chế tạo thành công sử dụng công nghệ in lưới từ sơn hấp thụ chứa carbon dạng hạt hay dạng sợi, hoặc chứa các hạt nano kim loại hay hợp kim Ni-Cr Cần lưu ý thêm rằng, dù chưa có thực nghiệm nhưng đã có một phát minh lý thuyết mô tả hiện tượng hấp thụ sóng điện từ bằng plasma [44]

Vào những năm 1980, kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng trong các quá trình chế tạo cũng như thiết kế các vật liệu và cấu trúc hấp thụ Việc cải thiện khả năng hấp thụ dải rộng của các lớp hấp thụ Jaumann được dự đoán có thể đạt được nếu sử dụng các tấm trở kháng có độ nghiêng khác nhau và được sắp xếp phân tầng [44] Lý thuyết đường truyền được sử dụng để tính toán hệ số phản xạ từ các tính chất của vật liệu, và áp dụng

cả cho các mặt lọc lựa tần số được xem như các mạch tương đương [81] Những vật liệu được sử dụng cho các MAM/RAM trong giai đoạn này cũng khá đa dạng bao gồm

cả các vật liệu quen thuộc như than carbon, graphite, carbonyl – Fe, ferrite và các loại vật liệu mới như các chất điện môi nhân tạo, vật liệu chiral hay các vật liệu polymer dẫn, được đánh giá là vật liệu hấp thụ sóng vi ba tiềm năng sau này

Từ những năm 1990 cho đến nay, MAM/RAM ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Đã có nhiều các công nghệ tối ưu hóa cấu

trúc Jaumann, trong đó có tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền (genetic algorithm) Mạch

analog và bề mặt lọc lựa tần số tiếp tục là lĩnh vực được quan tâm lớn nhất Polymer dẫn

và vật liệu composite được sử dụng rộng rãi với sợi và vải sợi phủ polymer dẫn hấp thụ sóng điện từ Một loại vật liệu mới trong lĩnh vực polymer dẫn là RAM linh động cũng được quan tâm nghiên cứu, trong đó tần số cộng hưởng của vật liệu hấp thụ điều chỉnh được thông qua các giá trị điện trở và điện dung của vật liệu hấp thụ [103]

Nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang đầu tư nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng điện từ, tuy nhiên các công trình công bố còn rất hạn chế Trong những năm gần đây, xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với những diễn biến về an ninh quốc phòng của nước ta cho thấy việc nghiên cứu, phát triển các MAM/RAM là cần thiết và cần đẩy nhanh quá trình đưa các vật liệu này vào ứng dụng thực tế Vật liệu hấp thụ sóng điện từ được bắt đầu nghiên cứu từ cuối những năm 1990 trên các polyme dẫn điện do các cán bộ Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực hiện Nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Đức Nghĩa cũng đã chế tạo thành công vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu polyanilin, polypyrol, gia cường cacbon black, CNT, oxit sắt từ; chế tạo cấu trúc hấp thụ khác nhau như dạng chóp nón, dạng đa lớp, vật liệu gradien thử nghiệm tại hiện trường thực tế tại Học viện Hải quân (Nha Trang), đạt kết quả rất tốt [5] TS Hoàng Anh Sơn và cộng sự đã chế tạo và nghiên cứu tính chất

chắn sóng điện từ của vật liệu tổ hợp polymer và MWCNT (Multiwalled carbon

nanotube) định hướng trong chế tạo lớp phủ chắn sóng điện từ Nhóm nghiên cứu của

GS.TS Nguyễn Việt Bắc, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự cũng đã thành công trong một số nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng vi ba chống nhiễu điện từ của một số hệ vật liệu như các lớp phủ vật liệu composite feritte từ tính nền cao su (2003), các lớp phủ polyferocen và spinel ferrite trên nền kim loại (2011) TS Dương Ngọc Hiền và cộng

sự, Viện Vật lý kỹ thuật – Đại học Bách khoa Hà Nội cũng có các nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polymer dẫn PPy, PANi và bột Al2O3 và khảo sát

độ suy giảm cường độ sóng điện từ ở dải tần 7,5 -12 GHz Một nhóm các cán bộ thuộc Viện Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc Phòng) đã nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar băng tần X của một số vật liệu nano tổ hợp [1, 59] Cùng với các đề tài nghiên cứu cơ bản, một số luận án tiến sĩ cũng đã được thực hiện và bảo vệ thành công trong lĩnh vực chế tạo, nghiên cứu các hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong dải tần số vi ba [3, 6, 7]

1.2 Cơ sở lý thuyết và các ứng dụng của sóng điện từ

Các phương trình Maxwell được sử dụng như là xuất phát điểm cho các tính toán cho sự lan truyền của sóng điện từ, bao gồm cả quá trình truyền sóng điện từ trong không gian tự do và sự tương tác tại mặt phân cách giữa các môi trường Quá trình truyền sóng điện từ qua một môi trường vật chất nào đó có thể thay đổi phụ thuộc vào các tham số vật lý nội tại như độ điện thẩm, độ từ thẩm và độ dẫn Trường điện từ được biểu diễn một cách định lượng thông qua hệ phương trình Maxwell [72], bao gồm các biểu thức toán học của các định luật Gauss, định luật Faraday và định luật Ampere Các phương trình từ 1.1 đến 1.4 biểu diễn dạng vi phân của hệ phương trình Maxwell

Giả sử, hai môi trường bất kỳ được phân cách bởi một diện tích S, trên đó mật độ

điện tích và dòng điện mặt lần lượt là σ S và J S, các véc-tơ điện trường và từ trường lần lượt là 𝐸⃗ 1, 𝐷⃗⃗ 1, 𝐻⃗⃗ 1, 𝐵⃗ 1, 𝐸⃗ 2, 𝐷⃗⃗ 2, 𝐻⃗⃗ 2, 𝐵⃗ 2, ta có điều kiện biên đối với các thành phần tiếp tuyến và pháp tuyến của véc-tơ điện trường và véc-tơ từ trường như sau:

Với véc-tơ từ trường:

H 1t – H 2t = J S , B 1n = B 2n (1.5) Khi hai môi trường đều là chất điện môi thì JS = 0, do đó:

Khi môi trường 1 là chất điện môi, môi trường 2 là vật dẫn lý tưởng thì :

H 1t = J S , H 2t = 0 (1.7)

Với véc-tơ điện trường:

Trong trường hợp tổng quát, hai môi trường có các tham số tùy ý:

E 1t = E 2t , D 2n – D 1n = σ S (1.8) Khi môi trường hai là vật dẫn lý tưởng:

Hình 1.1 Thành phần điện và từ của trường điện từ

tại sát mặt phân cách giữa hai môi trường

Hình 1.2 Trường điện bằng không tại bề mặt và đạt cực đại tại một phần tư

bước sóng trên một lớp vật dẫn, trong khi trường từ đạt cực đại tại bề mặt

Các ứng dụng của sóng điện từ đang ngày càng được mở rộng từ dải bước sóng

từ vài centimet đến vài mét Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng trong dải tần số cao và bước sóng ngắn càng trở nên thuận lợi và do đó, mở ra nhiều tiềm năng cho các ứng dụng sóng điện từ trong dải bước sóng milimet hay dải tần số GHz Một đặc điểm quan trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuất hiện hiện tượng chồng chất sóng điện từ Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đến

sự tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trong các kỹ thuật phát thanh truyền hình và thông tin liên lạc không dây [46] Mặt khác, nhiễu điện từ không mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũng đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong các ứng dụng thực tế Tương tác của các sóng điện từ truyền từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũng như sự sai lệch thông tin trong truyền tải dữ liệu Để khắc phục tình trạng này, việc sử dụng các cấu trúc che chắn hoặc các vật liệu hấp thụ sóng điện từ là một giải pháp

Trong phổ điện từ, vùng sóng vi ba được định nghĩa là sóng điện từ có tần số nằm trong khoảng từ 300 MHz-300 GHz, tương ứng với bước sóng từ 1mm-1m Các thiết bị điện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất và

độ chính xác cao hơn so với các thiết bị sử dụng kỹ thuật tần số thấp thông thường [121] Hơn nữa, tần số cộng hưởng của rất nhiều các nguyên tử, phân tử và hạt nhân nằm trong vùng tần số sóng vi ba Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng vi ba trong các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật khác nhau như cảm biến từ xa, chuẩn đoán trong y học,

nấu ăn hoặc chế biến thực phẩm Mặt khác, sóng vi ba không bị uốn cong bởi tầng điện

ly, do đó trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc giữa các vệ tinh được truyền tải bằng sóng điện từ Tuy nhiên, trên thực tế để chế tạo, phân tích và thiết kế các

hệ thống sử dụng sóng vi ba kể trên là một thách thức không nhỏ do các ứng dụng sóng ngắn đòi hỏi các thiết bị điện tử phải có kích thước nhỏ hơn

- Rào chắn trên không

Ku 12-18 GHz - Đo độ cao vệ tinh

K 18-27 GHz - Ít được sử dụng (Hấp thụ hơi nước)

Ka 27-40 GHz - Lập bản đồ với độ phân giải rất cao

- Hệ thống giám sát sân bay Milimet 40-100+ GHz - Thực nghiệm

Ngoài ra, sóng vi ba được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hàng ngày như hệ thống radar kiểm soát không lưu, radar theo dõi tên lửa, radar điểu khiển hỏa lực, radar

dự báo thời tiết, các mạng lưới truyền thông đường dài và thông tin liên lạc trong quân

sự Tùy theo các ứng dụng đưa ra bởi tiêu chuẩn IEEE 521-2002, vùng tần số vi ba được phân tách thành các dải tần số khác nhau và được biểu diễn trong bảng 1

1.3 Sự tán xạ và phản xạ sóng điện từ bởi môi trường vật chất

Khi sóng điện từ chiếu tới vật thể, một phần sóng điện từ có thể bị hấp thụ tùy thuộc vào tính chất của bề mặt vật thể Phần còn lại có thể được phản xạ, nhiễu xạ và thậm chí khúc xạ (gọi chung là hiện tượng tán xạ) Theo Knott [75], quá trình tán xạ được định nghĩa là sự phân tán của sóng điện từ chiếu tới vật thể do sự tương tác với các điện tử và ion trong vật liệu Tùy thuộc vào mối liên hệ giữa tính chấ của vật thể và bước sóng của bức xạ chiếu tới, có ba cơ chế tán xạ cơ bản là cơ chế tán xạ Rayleigh, cơ chế tán xạ cộng hưởng và cơ chế tán xạ quang học Trường tán xạ được xác định bởi các

thông số đặc trưng như hệ số điện thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật liệu và tần số của sóng tới

Ở tần số vô tuyến (3 kHz-300 GHz), kim loại được coi như một vật dẫn gần như

lý tưởng, chứa nhiều điện tử tự do dễ dao động để cộng hưởng với tần số của sóng tới

và tạo ra một trường điện từ mới (trường tán xạ) có cùng tần số và biên độ với trường điện từ chiếu tới Kim loại không những phản xạ gần như hoàn toàn các sóng trong vùng tần số quang học mà còn phản xạ rất tốt những bức xạ vi ba Nghĩa là, kim loại gần như không làm tiêu hao năng lượng của sóng tới và do đó là loại vật liệu có khả năng tạo ra trường tán xạ có cường độ lớn nhất Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng không chứa các điện tử tự do nên không có sự phản xạ hoàn hảo tại tần số sóng vô tuyến Tuy nhiên, sự phản xạ với hiệu suất cao vẫn có thể xảy ra và hiện tượng cộng hưởng có thể xuất hiện khi sóng điện từ tương tác với mômen spin hoặc mômen lưỡng cực điện của các ion, nguyên tử tùy thuộc vào các tính chất của vật liệu (độ từ tẩm và độ điện thẩm) tại các vùng tần số xác định Đây chính là cơ sở cho các hiện tượng tổn hao từ và tổn hao điện môi chủ yếu được khai thác trong các vật liệu hấp thụ sóng vi ba hiện nay

Khả năng phản xạ các tín hiệu điện từ từ bề mặt của vật thể theo hướng của nguồn thu được xác định bằng đại lượng thiết diện phản xạ hiệu dụng, σ, được định nghĩa là tỉ

số giữa mật độ công suất sóng phản xạ, S r (W/m2), trở lại từ bề mặt vật thể trong khoảng

cách r theo hướng sóng tới và mật độ công suất sóng ban đầu, S t (W/m2), bị chặn lại bởi vật thể:

Với các tấm kim loại phẳng, dày và có diện tích bề mặt lớn, thiết diện phản xạ theo hướng sóng tới thường khá lớn do tính chất phản xạ toàn phần của kim loại Tuy nhiên, nếu tấm kim loại này được phủ một lớp vật liệu hấp thụ gần như hoàn hảo, nó sẽ tán xạ rất ít bức xạ điện từ và do đó thiết diện phản xạ có giá trị rất nhỏ mặc dù vật thể

có cùng diện tích bề mặt Vì vậy, để giảm thiểu tối đa các ảnh hưởng của sóng điện từ, các kỹ thuật khử phản xạ được nghiên cứu và đưa ra theo hướng tiếp cận dần đến các ứng dụng trong thực tế [178]

1.3.1 Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng

Kỹ thuật khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng dựa theo nguyên tắc sóng điện từ

bị phản xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau (Z0  Z) Việc

giảm sự khác biệt trở kháng tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường (môi trường truyền sóng và môi trường vật liệu) sẽ làm giảm hiện tượng phản xạ này Để tránh sự thay đổi đột ngột của trở kháng tại mặt phân cách, ta có thể sử dụng cấu trúc đa lớp được tạo

thành bằng cách ghép các lớp chống phản xạ có các giá trị trở kháng Z khác nhau hoặc

tạo ra các bề mặt có cấu trúc gồm các hình kim tự tháp Ngoài ra, việc thiết kế các vật thể gồm các mặt phẳng sao cho có thể lái các tia phản xạ không theo hướng của sóng tới hoặc sóng tới có thể bị phản xạ nhiều lần trên các mặt phẳng của vật thể (cấu trúc dạng kim tự tháp, cấu trúc có nhiều góc cạnh) Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong các phòng tối và phòng chống nhiễu điện từ

Hình 1.3 Cấu trúc đa lớp và cấu trúc dạng kim tự tháp

1.3.2 Kỹ thuật khử phản xạ chủ động

Trong kỹ thuật khử phản xạ chủ động, ta sử dụng máy phát sóng điện từ cao tần (làm bằng các vật liệu áp điện đặc biệt, ví dụ như thạch anh, khi đặt trong một điện trường ngoài chúng sẽ dao động cơ học ở tần số cao) gắn trên bề mặt vật thể, phát ra sóng có tần số bằng tần số sóng chiếu tới nhưng ngược pha với sóng tới Tuy nhiên, phương pháp này rất khó thực hiện và gần như không khả thi

1.3.3 Kỹ thuật khử phản xạ bị động

Giống như trong quang học, ánh sáng chỉ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau, sóng điện từ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau và các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải phương trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường không khí và vật liệu Để thu được các điều kiện phản xạ tối thiểu tại đây, trước tiên chúng ta xuất phát từ biểu thức xác định hệ số phản xạ tại mặt phân cách có dạng:

Γ = 𝑍−𝑍0

Trong đó, Z 0 , Z lần lượt là trở kháng của môi trường truyền sóng và trở kháng

của vật liệu

Với 𝐸⃗ , 𝐻⃗⃗ là các véc-tơ điện trường và từ trường; ε 0 , μ 0 là hằng số điện môi và độ

từ thẩm của không gian tự do (ε 0 = 8,85×10-12 F/m; µ 0 = 4π×10-7 H/m); 𝜀𝑟 =𝜀′−𝑖𝜀"

𝜇𝑟 =𝜇′−𝑖𝜇"

𝜇0 là độ từ thẩm tương đối phức và độ điện thẩm tương đối phức

Từ công thức (1.13), hệ số phản xạ sẽ giảm về không, tức là sẽ không có phản xạ sóng điện từ tại bề mặt vật thể, khi sử dụng các vật liệu có cùng trở kháng với môi trường

truyền sóng (thường là môi trường không khí ), Z = Z 0 377Ω Điều kiện này cũng có thể đạt được bằng phương pháp phối hợp trở kháng đơn lớp khi vật liệu có r = µ r Sóng phản xạ cũng sẽ bị triệt tiêu khi độ dày lớp phủ che chắn sóng điện từ thỏa mãn điều

kiện (2 1)

4 r r

 

  làm cho sóng phản xạ từ hai mặt của lớp vật liệu ngược pha và

triệt tiêu lẫn nhau

và vật liệu từ tính Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu trình bày trên cơ sở các

cơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trên được chúng tôi giới thiệu cụ thể trong phần dưới đây

1.4 Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số vi ba

Ngoài việc thiết kế các vật thể có hình dạng, cấu trúc phù hợp để thu được một giá trị thiết diện phản xạ hiệu dụng thấp, việc sử dụng vật liệu hấp thụ sóng điện từ có thể làm giảm mạnh hơn nữa các tín hiệu phản xạ trong một dải tần số xác định Sự suy giảm các tín hiệu phản xạ từ vật thể có thể đạt được theo hai cách: (1) hấp thụ và (2) tự triệt tiêu Trong khi các màn chắn sóng, còn được gọi là tấm hấp thụ cộng hưởng, làm suy giảm thiết diện phản xạ theo cách tạo ra các tia phản xạ ngược pha và tự triệt tiêu lẫn nhau, thì hấp thụ là quá trình chuyển hóa năng lượng sóng chiếu tới vật liệu thành năng lượng nhiệt Các vật liệu hấp thụ này thường có các tham số đặc trưng là các thành phần phức của độ từ thẩm (𝜇 = 𝜇′− 𝑗𝜇" = 𝜇0(𝜇𝑟′ − 𝑗𝜇𝑟")) và hằng số điện môi (𝜀 =

𝜀′− 𝑗𝜀" = 𝜀0(𝜀𝑟′ − 𝑗𝜀𝑟")), trong đó thành phần thực đại diện cho sự lưu trữ năng lượng, còn thành phần ảo thể hiện cho phần năng lượng tổn hao

Tại vùng tần số sóng vi ba (0,3-300 GHz), năng lượng sóng chiếu tới có thể được truyền cho các phân tử vật chất, gây ra tổn hao xoáy trong các vật dẫn, tổn hao điện môi

do sự dao động của các lưỡng cực phân tử, hay tổn hao từ do sự từ hóa của mô-men từ của vật liệu Phần năng lượng tổn hao trong vật liệu được xác định từ phần ảo của độ từ

thẩm và độ điện thẩm, được gọi là tổn hao điện – từ (loss tangents):

tan 𝛿𝜀 = 𝜀"⁄ 𝜀′tan 𝛿𝜇 =𝜇"⁄ 𝜇′ (1.16) Trên thực tế, các vật liệu có thể hấp thụ sóng vi ba theo nhiều cơ chế khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của từng loại Theo các phương trình Maxwell, một từ trường biến thiên sẽ sinh ra một điện trường biến thiên và ngược lại Do đó, một sự hấp thụ hiệu quả đạt được khi cả hai thành phần năng lượng trường điện và năng lượng trường từ của sóng tới được hấp thụ đồng thời, tức là khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu sẽ được cải thiện bằng việc điều chỉnh các tính chất điện, từ của vật liệu một cách phù hợp

Cơ chế tổn hao điện môi: gây ra do sự phân cực tần số cao của các dipole lưỡng

cực điện Khi đó, năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt Hiện

tượng này được gọi là đốt nóng điện môi (dielectric heating) và là nguyên tắc hoạt động

của lò vi sóng

Cơ chế tổn hao từ: xảy ra khá tương tự như cơ chế tổn hao điện môi, khi một vật

liệu từ được đặt trong môi trường sóng vi ba, các mô-men spin bị phân cực ở tần số cao gây tổn hao và sinh nhiệt Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng đốt nóng từ

(magnetic heating)

Cơ chế tổn hao xoáy (tổn hao dòng Foucault): là cơ chế hấp thụ cơ bản xảy ra

trong các vật liệu dẫn điện Trong đó, điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng

Với cả hai vật liệu từ và vật liệu điện môi, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi

sóng điện từ có tần số f = f 0 ~ 1/τ 0 (τ 0 là thời gian hồi phục vi mô, thời gian cần thiết cho việc đảo chiều của vector phân cực) và tại đó hấp thụ sẽ đạt cực đại Điều này có nghĩa rằng, để đạt được hiệu suất hấp thụ cao nhất, vật liệu cần phải được chế tạo sao cho hiệu ứng cộng hưởng phải xảy ra trong vùng tần số quan tâm

1.4.1 Cơ chế tổn hao trong các chất dẫn điện

Tổn hao xoáy do sự xuất hiện của dòng cảm ứng Foucault khi có sóng điện từ lan truyền trong một vật dẫn là cơ chế hấp thụ cơ bản của các vật liệu dẫn điện Điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault thành nhiệt

năng Hiệu ứng này được ứng dụng làm các bếp nấu cảm ứng (induction cooker)

Công suất tổn hao xoáy được xác định bởi biểu thức:

2 2 2 2

6

B d f P

k D





Trong đó, B là véc-tơ từ trường của sóng điện từ chiếu tới vật dẫn; d, k, ρ và D

lần lượt tương ứng là kích thước, tham số điều chỉnh hình dạng, điện trở suất và khối lượng riêng của vật liệu dẫn

Từ phương trình (1.17) ta thấy, trong các mẫu khối có độ dẫn điện cao và kích thước lớn, tổn hao xoáy có cường độ khá lớn Với các hệ hạt rời rạc, tổn hao xoáy tổng cộng thường bé, nhưng hiệu suất tổn hao lại lớn hơn rất nhiều so với vật liệu khối Đặc

biệt, khi kích thước các hạt rất bé hơn bước sóng λ của sóng tới và bé hơn độ thấm sâu

Skin, thành phần sóng phản xạ gây bởi hệ hạt bé có cường độ rất yếu tương ứng với một khả năng hấp thụ mạnh của vật liệu Các MAM/RAM hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở tổn hao xoáy thường là các hệ hạt nano kim loại hoặc carbon có độ dẫn điện cao được trộn đều trong chất mang như polymer, silicon, cao su, sợi vải, … Trong các lớp MAM/RAM này, khả năng hấp thụ do tổn hao tán xạ được tăng cường do sóng điện từ

bị phản xạ qua lại nhiều lần giữa các hạt dẫn điện Hơn nữa, các hạt nano kim loại có thể hình thành nên vô số các vi tụ điện trong lòng vật liệu, vì thế nâng cao hằng số điện môi (đây thực chất là một chất điện môi nhân tạo) và cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ của vật liệu thông qua các cơ chế hấp thụ khác nhau

1.4.2 Cơ chế tổn hao điện môi

Vật liệu điện môi được định nghĩa là vật liệu cách điện, có khả năng phân cực điện khi đặt trong điện trường ngoài [22] Quá trình quay của các lưỡng cực điện làm cho các nguyên tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt Nhiệt lượng tổng cộng sinh ra liên quan trực tiếp đến tính chất liên kết của các nguyên tử, phân tử và tần số của trường điện từ

Một trong những thông số quan trọng của chất điện môi là thời gian hồi phục (𝜏) của các lưỡng cực điện Trong các chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi phục bao gồm thời gian định hướng của các lưỡng cực điện và thời gian đảo hướng theo sự thay đổi cực của điện trường Hằng số điện môi sẽ đạt tới giới hạn khi tần số tăng dần và gần như không thay đổi do sự đóng băng của các lưỡng cực điện ở vùng tần số rất cao Chính vì vậy, hiệu ứng tổn hao và đốt nóng điện môi không xảy ra trong vùng tần số này Phần thực của hằng số điện môi phức (𝜀𝑟′) đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng, phần

tỉ số 𝜀′′/𝜀′, cho biết cho biết công suất tổn hao của năng lượng lưu trữ Sự thay đổi của hằng số điện môi phức theo tần số trường điện từ đặt vào được chỉ ra trong hình 1.4

Hình 1.4 Sự phụ thuộc tần số của hằng

số điện môi [28]

Hình 1.5 Phổ hồi phục Debye cho một

chất điện môi lý tưởng [28]

Mặt khác, sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào tần số của các lưỡng cực điện

lý tưởng cũng được mô tả sử dụng mô hình hồi phục Debye (hình 1.5) Theo đó, sự quay của các lưỡng cực điện dẫn đến một sự biến đổi của cả hai giá trị phần thực 𝜀𝑟′ và phần

τ: f c = 1/(2πτ) Trong vùng tần số f < f c, thành phần tổn hao 𝜀𝑟" tỉ lệ thuận với tần số Khi tần số tăng, 𝜀𝑟" tiếp tục tăng nhưng thành phần 𝜀𝑟′ bắt đầu giảm do sự lệch hướng giữa

véc-tơ phân cực lưỡng cực và điện trường ngoài Tại tần số f > f c, sự dao động của trường điện là quá nhanh, vì vậy cả hai thành phần của hằng số điện môi phức đều giảm

do các lưỡng cực điện không thể định hướng kịp theo hướng điện trường đặt vào

Tổn hao điện môi bao gồm tổn hao hồi phục điện môi và tổn hao cộng hưởng [75] Trong đó, tổn hao hồi phục điện môi liên quan đến phần năng lượng điện trường chuyển thành năng lượng cơ học thông qua sự chuyển động của lưỡng cực và đạt tới giới hạn khi tần số tăng Thời gian cần thiết cho sự dịch chuyển điện tử là rất ngắn so với sự quay lưỡng cực và sự phân cực do nhiệt Tổn hao cộng hưởng liên quan đến phần năng lượng điện trường chuyển thành năng lượng nhiệt và xảy ra khi tần số sóng điện

từ chiếu tới bằng tần số dao động của các nguyên tử, ion, hoặc các điện tử

Công suất hấp thụ sóng điện từ của một chất điện môi được tính theo công thức:

môi trường f và E là tần số và cường độ điện trường của sóng tới, ε r là độ điện thẩm tương đối của môi trường và tan   f là hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số

Tần số (Hz)

với các mô-men từ của vật liệu Tương tự như cơ chế tổn hao điện môi, hiện tượng tổn hao từ trong các vật liệu từ là do sự phân cực tần số cao của các lưỡng cực từ và tại mỗi vùng tần số khác nhau, quá trình tổn hao từ xảy ra theo các cơ chế khác nhau Khi tác dụng một từ trường ngoài vào vật liệu từ, mômen từ có xu hướng quay và định hướng theo từ trường ngoài Sự quay của các lưỡng cực từ là nguồn gốc của tổn hao từ

Đối với trường hợp trường từ biến thiên, độ từ thẩm được biểu diễn bởi sự phụ thuộc tần số của đại lượng phức giống như hằng số điện môi:

Trong quá trình từ hóa, phần thực (μ ’) của độ từ thẩm phức đặc trưng cho khả

năng lưu trữ năng lượng từ hóa, còn phần ảo (μ ”) là thành phần tổn hao từ Sự phụ thuộc tần số của phần thực và phần ảo của độ từ thẩm phức cho một chất sắt từ tiêu biểu trong vùng tần số sóng vi ba được trình bày trong hình 1.6 Tại các vùng tần số khác nhau, sự biến đổi của phần thực và phần ảo là khác nhau Trong vùng tần số thấp, độ từ thẩm hầu

như không thay đổi khi f < 104 Hz và thay đổi rất chậm trong vùng tần số từ 104-106 Hz Tuy nhiên, khi tần số tiếp tục tăng từ 106-108 Hz, thành phần μ ’ giảm mạnh và μ ” tăng nhanh Đặc biệt, trong vùng sóng siêu cao tần (108 Hz < f < 1010 Hz), hiện tượng cộng hưởng sắt từ có thể xảy ra tương ứng với một giá trị cực đại tại đỉnh cộng hưởng của

thành phần tổn hao từ μ ’ Cần lưu ý thêm rằng, sự biến đổi tính chất của vật liệu từ trong

vùng tần số f > 1010 Hz, hiện nay, vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

Hình 1.6 Sự phụ thuộc tần số của các thành phần

độ từ thẩm phức của vật liệu sắt từ [75]

Hiện tượng cộng hưởng sắt từ được quan sát tại vùng tần số GHz trong các vật liệu sắt từ hoặc ferrite từ có thể được sử dụng như một hiệu ứng hấp thụ năng lượng

sóng điện từ trong trong các ứng dụng che chắn và chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic

Interference - EMI) [47, 49] Một chất sắt từ (hay ferrite từ) có khả năng hấp thụ và

chuyển hóa sóng điện từ thành năng lượng nhiệt theo các cơ chế khác nhau Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu và vùng tần số của sóng điện từ mà cơ chế hấp thụ nào sẽ trở nên trội hơn Trong trường hợp các hệ hạt nano từ, sự hấp thụ sóng điện từ và giải phóng nhiệt năng có thể xảy ra theo các cơ chế cơ bản sau:

Cơ chế tổn hao từ trễ:

Năng lượng tổn hao từ trễ gây bởi sự quay của các lưỡng cực từ và sự dịch chuyển của các đô-men từ được ước tính từ diện tích của loop từ trễ theo phương trình:

Công suất tổn hao từ trễ của một vật liệu từ khi có sóng điện từ xoay chiều với

tần số kích thích f chiếu tới được xác định bởi biểu thức:

Tuy nhiên, trong từ trường thấp (H << H C), tổn hao từ trễ thường rất bé và gần như bằng không khi hệ hạt trong trạng thái siêu thuận từ

Cơ chế tổn hao do hiện tượng cộng hưởng sắt từ:

Cộng hưởng sắt từ (hay còn gọi là cộng hưởng tự nhiên) xảy ra khi tần số sóng kích thích bằng tần số của mô-men spin dao động quanh trục dị hướng, với tần số cộng

hưởng là một hàm tỷ lệ thuận với trường dị hướng (H A) theo biểu thức sau:

0 1



Theo đó, độ lớn của độ từ thẩm, tham số quyết định mức độ tổn hao bị hạn chế

bởi giá trị từ độ bão hòa M S tại một tần số cộng hưởng f FMR cố định Hiện tượng cộng hưởng sắt từ được quan sát thấy trong vùng tần số vi ba, vì vậy hầu hết các tác giả đều cho rằng đây là cơ chế hấp thụ chính trong các MAM/RAM nền sắt từ

Cơ chế tổn hao hồi phục:

Tổn hao hồi phục gây ra do sự quay mô-men từ của các hạt nano chống lại năng

lượng dị hướng từ K u ×V (K u là hằng số dị hướng từ, V là thể tích hạt nano) Công suất

tổn hao trong trường hợp này được xác định bởi biểu thức:

  "  2

0,

hạt nano có kích thước bé, năng lượng dao động nhiệt (k B T) có thể có giá trị lớn hơn rất

nhiều so với năng lượng dị hướng từ (K u V) Khi đó τ N τ 0 và sẽ nằm trong vùng ~10-9

-10-10 s Mặt khác, do hiện tượng cộng hưởng từ, cực đại hấp thụ sẽ xảy ra tại tần số f =

1/τ N nằm trong vùng tần số GHz Đây là điều kiện lý tưởng để vật liệu từ có hấp thụ

cộng hưởng trong vùng tần số vi ba Ngoài ra, do thời gian hồi phục Neel phụ thuộc vào hằng số dị hướng từ, thể tích hạt hay tương tác giữa các hạt, vì vậy chúng ta có thể khống chế và mở rộng vùng tần số cộng hưởng thông qua việc điều chỉnh các tham số vật liệu như nồng độ và kích thước của các hạt từ Công suất tổn hao hồi phục cũng có thể được

tăng cường trong các vật liệu có độ từ thẩm ban đầu µ i và từ độ bão hòa M s cao

1.5 Một số cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng vi ba

Trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành và phát triển, các ứng dụng của vật liệu hấp thụ sóng điện từ chủ yếu tập trung vào việc làm suy giảm thiết diện phản xạ hiệu dụng sóng radar cho mục đích quân sự [108] Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong những năm tiếp theo, các ứng dụng hàng ngày sử dụng bức xạ điện từ trở nên phổ biến dẫn đến nhu cầu cấp bách cần nghiên cứu

và phát triển các vật liệu hấp thụ dải rộng sóng điện từ Mục tiêu trong thiết kế các MAM/RAM là thu được các lớp hấp thụ (đơn lớp hoặc đa lớp) có độ dày nhỏ nhất có thể, cho hệ số phản xạ thấp, hoạt động trong dải tần số rộng, dễ dàng trong sử dụng, chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và độ bền cao

Hai khái niệm cơ bản cần được xem xét trong thiết kế các MAM/RAM [21] là các điều kiện phù hợp trở kháng và phù hợp pha Trong khi hiện tượng phù hợp trở kháng có thể làm tăng khả năng hấp thụ, phù hợp pha chỉ đơn thuần làm giảm cường độ sóng phản xạ Khái niệm phù hợp pha được sử dụng trong thiết kế các lớp hấp thụ cộng hưởng Mặc dù các MAM/RAM cộng hưởng thường được thiết kế có độ dày mỏng hơn, nhưng khả năng hấp thụ hiệu quả của chúng chỉ đạt được tại một tần số xác định hoặc một khoảng tần số rất hẹp Sự hấp thụ điện từ sẽ giảm mạnh ở cả hai phía của tần số đặc trưng này Việc xem xét các mô hình lý thuyết cho phép ta đưa ra được dự đoán về các hiệu ứng điện từ xảy ra trong các MAM/RAM

Công nghệ nano ra đời mở ra một hướng phát triển mới cho các nghiên cứu về vật liệu hấp thụ ứng dụng trong che chắn và chống nhiễu điện từ Tính chất đặc biệt của vật liệu nano được bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng Khi kích thước hạt giảm xuống đến giới hạn nano, diện tích bề mặt tăng nhanh và đóng góp chủ yếu vào sự thay đổi của các tính chất đặc trưng của vật liệu Hơn nữa, các hạt nano có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng vi ba nên hiệu suất hấp thụ sóng vi ba lớn hơn nhiều so với các loại vật liệu thông thường Vật liệu nano còn có hoạt tính cao, dễ phân tán, vì vậy thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng Các nghiên cứu về

MAM dựa trên vật liệu nano tổ hợp cho thấy với các MAM có chứa đồng thời vật liệu nano từ tính và vật liệu nano điện môi, hiệu suất hấp thụ sóng vi ba được tăng cường đáng kể [26, 99] Phần dưới đây trình bày các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba phổ biến được mô tả dựa trên đặc trưng thiết kế và hiệu suất hoạt động của chúng

1.5.1 Đa lớp điện môi hấp thụ sóng vi ba

Các mô tả về MAM được bắt đầu với với hai loại thiết kế cơ bản và lâu đời nhất

là màn chắn cộng hưởng Salisbury và các lớp hấp thụ Dallenbach Sau đó, các vấn đề thảo luận được mở rộng với các cấu trúc và vật liệu hấp thụ hiệu quả trong một dải tần

số rộng

1.5.1.1 Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury

Màn chắn cộng hưởng Salisbury, lần đầu tiên được đưa ra năm 1952, gồm một lớp vật liệu hấp thụ điện (được gọi là tấm trở kháng) đặt trước bề mặt kim loại ở khoảng cách một phần tư bước sóng bởi một khe không khí (hình 1.7) [123] Khe không khí có thể được thay thế bằng vật liệu có hằng số điện môi cao hơn, một lớp vật liệu có cấu trúc xốp hoặc một lớp vật liệu từ tính [26] nhằm thu hẹp độ dày của toàn bộ cấu trúc Theo lý thuyết đường truyền, ta có:

Hình 1.7 Cấu tạo của màn chắn Salisbury cổ điển và

mạch tương đương theo lý thuyết đường truyền [63]

Hệ số phản xạ sẽ bằng không nếu tấm trở kháng có R s = 377 Ohm, tương ứng với

sự xuất hiện của hiệu ứng phù hợp trở kháng khi độ dài truyền sóng bằng một phần tư bước sóng hoặc bằng (𝜆 4⁄ + 𝑛 𝜆 2⁄ ) với n = 0, 1, 2, Do đó, màn chắn cộng hưởng Salisbury sẽ triệt tiêu hiệu quả nhất sóng điện từ chiếu đến

Đối với trường hợp sóng vi ba chiếu đến bề mặt của cấu trúc dưới 1 góc xiên θ

nào đó, giá trị của hệ số phản xạ tương ứng với hai thành phần phân cực theo phương vuông góc và song song được xác định bởi biểu thức [132]:

|Γ⊥| = |Γ∥| ≃1−𝑐𝑜𝑠𝜃

Cấu trúc hấp thụ màn chắn cộng hưởng Salisbury được sử dụng dưới dạng vật liệu che chắn sóng điện từ Khả năng hấp thụ sóng vi ba của cấu trúc phụ thuộc nhiều vào tính chất dẫn điện, cấu trúc hoặc thành phần của lớp vật liệu hấp thụ [134] Trên cơ

sở này, W.S Chin và cộng sự đã chế tạo thành công RAM dựa trên vật liệu tổ hợp E/polyester/CNTs, hiệu suất hấp thụ đạt trên 90% cho mẫu có độ dày 2,93 mm Khả năng hấp thụ được cải thiện trong khi độ dày giảm đi đáng kể khi lớp phân cách ở giữa được thay thế bằng vật liệu PU hoặc vật liệu nano carbon [31] Nhóm nghiên cứu của Elliot J Riley (2016) đã thành công trong thiết kế cấu trúc màn chắn cộng hưởng Salisbury trên cơ sở vật liệu tổ hợp từ sợi carbon một chiều [127]

1.5.1.2 Lớp hấp thụ Dallenbach

Lớp hấp thụ Dallenbach bao gồm một lớp hấp thụ đồng nhất đặt trên một đế kim loại phẳng (hình 1.8) Tương tự như màn chắn cộng hưởng Salisbury, nguyên lý hoạt động của lớp hấp thụ này là sự triệt tiêu lẫn nhau của hai sóng phản xạ từ hai mặt [157]

Hệ số phản xạ tại mặt trước được xác định:

0 0

1

tanh( )tanh( )

load in

Với Z 1 là trở kháng của lớp vật liệu, Z load là trở kháng của tấm kim loại phía sau,

d là độ dày của lớp hấp thụ đồng nhất và   j  là hệ số truyền sóng phức Trở

kháng Z 1 có thể được tính từ biểu thức:

' "

j Z

Hình 1.9 chỉ ra sự phụ thuộc của hệ

số phản xạ vào độ dày cộng hưởng cho các

lớp Dallenbach với các giá trị hằng số điện

môi và độ từ thẩm khác nhau Hiệu suất

hấp thụ tốt nhất xảy ra tại độ dày d = λ/4

cho một lớp hấp thụ phi từ tính và tại độ

dày d ~ λ/4 cho một lớp vật liệu hấp thụ từ

tính Thực tế, có thể kết hợp nhiều lớp hấp

thụ Dallenbach có tính chất khác nhau để

thu được hiệu ứng cộng hưởng lớn hơn

trong một vùng tần số rộng Trong trường

hợp này, trở kháng có thể được tính toán theo một chuỗi liên tục từ Z 1 đến Z n , với n là

số lớp Các vật liệu khác loại hoặc cùng loại nhưng có nồng độ khác nhau đều có thể được sử dụng trong các lớp Dallenbach đa lớp với yêu cầu mặt tiếp xúc giữa hai lớp liên tiếp phải gần như hoàn hảo và không có bất kỳ khoảng trống không khí nào Ngày càng

có nhiều nghiên cứu về hiệu suất hấp thụ sóng vi ba của cấu trúc đa lớp trên cơ sở các vật liêu khác nhau [41, 189] D Mecheli (2010) và các cộng sự đã nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba trong vùng tần số radar (8-12 GHz) của cấu trúc bốn lớp vật liệu nano

tổ hợp dựa trên vật liệu carbon với nồng độ thay đổi Hệ số tổn hao phản xạ đạt giá trị thấp dưới -20 dB trong gần như toàn bộ dải tần số đo [102]

1.5.1.3 Lớp hấp thụ Jaumann

Cấu trúc Jaumann được thiết kế với mục đích hấp thụ dải rộng sóng vi ba theo nguyên tắc giảm dần sự khác biệt trở kháng giữa các lớp vật liệu hấp thụ để thỏa mãn điều kiện phản xạ cực tiểu Lớp hấp thụ Jaumann được phát triển dựa trên cấu trúc màn chắn cộng hưởng Salisbury hoặc lớp hấp thụ Dallenbach để cải thiện hiệu suất hấp thụ dải rộng sóng vi ba (hình 1.10) [178] Trong đó, các tấm trở kháng được đặt phía trước một đế kim loại ở những khoảng cách thích hợp theo thứ tự tăng dần của độ dẫn điện [108]

Hình 1.10 Cấu tạo của màn chắn Jaumann

Hình 1.9 Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc

tần số của lớp hấp thụ Dallenbach [65]

Hình 1.11 chỉ ra kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của công suất phản xạ vào tần

số của các lớp Jaumann Theo đó, với cấu trúc gồm bốn lớp trở kháng đặt cách nhau 7,5

mm (tương ứng với một phần tư độ dài bước sóng tại tần số 10 GHz), độ rộng dải tần số hấp thụ tăng gấp bốn lần so với cấu trúc đơn lớp Bảng 1.2 đưa ra mối quan hệ giữa số

tấm trở kháng, độ rộng dải tần và tổng độ dày của các lớp Jaumann

Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa số tấm trở kháng, độ rộng dải tần

và tổng độ dày của các lớp Jaumann

tần số của cấu trúc Jaumann sáu lớp

Ngoài ra, một sự hấp thụ tốt hơn cũng đã được quan sát trên cấu trúc Jaumann sáu lớp [33] Trong đó, khoảng không gian giữa các lớp là 3,56 mm và được lấp đầy bởi

vật liệu xốp có hằng số điện môi ε r = 1,03 Giá trị trung bình của độ tổn hao phản xạ đạt

cỡ -30 dB trong một dải tần số khá rộng từ 7-15 GHz, với giá trị thấp nhất giảm xuống đến -40 dB tại đỉnh cộng hưởng gần 8 GHz (hình 1.12)

Từ những năm 1991, vật liệu polymer dẫn đã được sử dụng trong thiết kế các lớp Jaumann Ngoài ra, nhiều nhóm tác giả cũng đã công bố kết quả nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba trong dải tần từ 2-18 GHz của cấu trúc MAM trên cơ sở vật liệu tổ hợp của các hạt sắt từ và điện môi Trong đó, mỗi lớp vật liệu có độ từ thẩm, hằng số điện môi và độ dẫn điện khác nhau, gây ra tổn hao năng lượng sóng vi ba ở một dải tần

số xác định [20, 131, 180] Mặt khác, sự suy giảm mạnh tín hiệu phản xạ sóng vi ba có thể đạt được khi sử dụng các lớp tổn hao điện môi đồng nhất, đẳng hướng thay thế cho khoảng trống không khí trong cấu trúc Jaumann