NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở VÙNG TẦN SỐ THz

Đối với vùng tần số Terahertz THz, sự tương tác của sóng điện từ với các cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước micro mét và nano mét phức tạp hơn do các hiệu ứng lượng tử mạnh hơn, bê

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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 dẫn của PGS.TS Vũ Đình Lãm và TS Lê Đắc Tuyên Các số liệu, kết quả nêu trong luận 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, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này

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

Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu 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 Bùi Hữu Nguyên, NCS Nguyễn Văn Dũng đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm

Tôi xin được gửi những tình cảm, sự yêu mến và lòng biết ơn đến các thầy cô, anh, chị Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ và động 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 và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục 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 Tự nhiên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ quan 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, tạo điều 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

Defect metamaterial perfect

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 hưởng

Metamaterial perfect absorber MPA Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt

đối Scanning electron microscope SEM Kính hiển vi điện tử quét

Split-disk resonator SDR Đĩa cộng hưởng bị khuyết Split-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 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] 15 Hình 1.2 Số bài báo nghiên cứu vật liệu biến hóa công bố hàng năm (11/2018) 17 Hình 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 suất âm[2] 22 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] 25 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] 26 Hình 1.7 (a) Cấu trúc cộng hưởng; (b) Kết quả mô phỏng; (c) Kết quả thực nghiệm [68] 28 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] 30 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] 30 Hình 1.10 (a) Cấu trúc của vật liệu MM; (b) Phần thực và phần ảo của một đầu dò điện trường Ex được đặt ở khoảng cách 10 nm cách đầu của thanh CW dọc (mũi tên màu đỏ trong hình 1.15a) [80] 32 Hình 1.11 Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [31] 33 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] 34 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] 34 Hình 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] 42 Hình 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 48 Hình 3.2 (a) Cấu trúc ô cơ sở với các tham số cấu trúc (b) Sự phụ thuộc của tần số hấp thụ vào bán kính đĩa tròn 49 Hình 3.3 (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc MAC; (c) So sánh phổ hấp thụ của cấu trúc

MA và MAC 50 Hình 3.4 Phân bố từ trường trên MAC; (a) Tại tần số 15.77 THz; (b) 18.43 THz 51 Hình 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) 52 Hình 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) 53 Hình 3.7 Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ vào sự thay đổi giá trị của (a) w1 và (b) w2 54 Hình 3.8 Sự phụ thuộc của tỷ lệ bán kính đĩa tròn tại tâm đến tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ 55 Hình 3.9 (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc 5 đĩa tròn, chu kỳ a = 24 µm; chiều dày lớp vàng 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 các đĩa là R = RC = 2,7µm 57 Hình 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 58

Hình 3 12 (a-c) Phân bố từ trường trên MPA; (d-f) Phân bố điện trường trên MPA tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz 59 Hình 3.13 Mạch điện tương đương của MPA; (a) tương ứng với tần số f2, f3 theo phân bố điện trường ở hình 3.12(e)-(f); (b) tương ứng với tần số f1 theo phân bố điện trường ở hình 3.12(d) 60 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ MPA vào bán kính: (a) Bán kính các đĩa xung quanh R; (b) Bán kính của đĩa trung tâm RC 61 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vật liệu MPA vào khoảng cách:(a) w1; (b)

w2 63 Hình 3 16 Phổ hấp thụ của MPA ứng với R = RC = 3 µm, w1 = 8 µm và w2 = 7,5 µm 63 Hình 3.17 (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) phổ hấp thụ cấu trúc MA với kích thước khác nhau 64

Hình 3.18 (a) và (b) Cấu trúc với các hàng rào khuyết mạng khác nhau và phổ hấp thụ của các cấu trúc tương ứng 65 Hình 3.19 Phổ hấp thụ thực nghiệm, tính toán và mô phỏng của cấu trúc hàng rào khuyết mạng 66 Hình 3.20 Phổ hấp thụ của cấu trúc MA ở tần số THz với hai hàng rào khuyết mạng 66 Hình 4.1 Sự phụ thuộc của độ dẫn và phần thực của độ điện thẩm của VO2 vào tần

số plasma 69 Hình 4.2 (a) Hình ảnh mô tả MPA cấu trúc SRR; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương của cấu trúc SRR 71 Hình 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 72 Hình 4.4 (a) Cấu trúc đĩa tròn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương 73 Hình 4.5 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của cấu trúc SDR vào bán kính phần đĩa bị khuyết 73 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 SDR khi R2 = 0 74 Hình 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 75 Hình 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 thuộc vào độ dẫn của VO2 76

Hình 4 10 Sự phụ thuộc của tần số plasma và nồng độ hạt tải vào nhiệt độ của vật liệu InSb 78 Hình 4 11 (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương 79 Hình 4 12 Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ 80 Hình 4 13 (a) Minh họa mẫu MM; (b) Mặt cắt của mẫu; (c) Ảnh SEM của mẫu 83 Hình 4.14 Kết quả (a) đo đạc; (b) Mô phỏng phổ truyền qua của MM; (c) Mô phỏng phân bố điện từ trong MM ở mode kích thích M1 và M2 Thang đo màu trong hình 4.14(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 84

Hình 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 của mẫu 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 nhỏ hơn 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 86 Hình 4.16 Phụ thuộc của phổ truyền qua tương đối mô phỏng vào (a) tấn số cộng hưởng và (b) hệ số dập tắt của BSA 87 Hình 5.1 Ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên hiệu ứng tương tác trường gần 91 Hình 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 tuyệt đối tại vùng tần số hấp thụ 93 Hình 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 hấp thụ khuyết mạng (DMPA) 95 Hình 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 96 Hình 5.7 Giản đồ siêu ô cơ sở của cấu trúc nối tắt (a) MPA; (b) DMPA; (c) phổ hấp thụ 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 100 Hình 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 101 Hình 5.10 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dịch chuyển s của lỗ trống ngang 101 Hình 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 102 Hình 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 và truyền thông Vì vậy, các nhà khoa học luôn muốn tìm cách điều khiển sóng điện từ một cách tùy biến để phục vụ những mục đích khác nhau của con người Điều này đến nay đã không còn nằm ngoài sức tưởng tượng với sự xuất hiện và phát triển nhanh 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 đặc trưng chưa được tìm thấy trong vật liệu tự nhiên Vật liệu biến hóa được cấu trúc bởi các giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa, meta-atoms), chúng tương tác với cả hai thành phần điện trường và từ trường của sóng điện từ theo cách hoàn toàn khác so với các loại vật liệu truyền thống Do vậy, vật liệu biến hóa có thể tạo ra những tính chất mới

lạ không tìm thấy trong tự nhiên Hiện nay, nhiều tính chất của vật liệu biến hóa đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới Mặc dù vậy, những phát hiện về các tính chất mới của vật liệu biến hóa vẫn xuất hiện mỗi ngày và có tác động lớn đến cả ngành vật lý nói riêng và các ngành khoa học trên thế giới nói chung Các nghiên cứu đột phá cho đến 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 hấp thụ 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 số viba (GHz) do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc các tính chất của vật liệu Có thể kể đến nhóm nghiên cứu của PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn 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 Đại học 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 Việt Nam 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 các cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước micro mét và nano mét phức tạp hơn do các hiệu ứng lượng tử mạnh hơn, bên cạnh đó công nghệ chế tạo và đo đạc tính chất cũng phức tạp hơn Hiện nay, công nghệ THz đang được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y khoa, đánh giá 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 hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, với một số kết quả đáng chú ý trong chế tạo laser xung tần số THz, máy quét an ninh thế hệ mới, công nghệ 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 cứu tính chất của vật liệu chiết suất âm và vật liệu hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số GHz [1-3] Để mở rộng phạm vi và phát triển hướng nghiên cứu tại dải tần 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 cơ chế 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 hóa hấp thụ sóng điện từ vùng tần số THz Tối ưu hóa tham số cấu trúc nhằm mở rộng dải 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 chất điện từ, bước đầu nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong vùng tần

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 mô phỏng 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 hóa một cách khoa học và lý giải cơ chế hoạt động bằng nhiều mô hình tương tác khác nhau Từ đó điều khiển tính chất của chúng bằng các tác động ngoại vi hay tương tác vật lý Đây là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo ở vùng tần số cao, tiến tới làm 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 cảm biến 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 vật liệu biến hóa để tăng độ hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc; 2) Đã đề xuất mô hình điều 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 vùng THz

và đã chứng tỏ vật liệu biến hóa có khả năng tăng cường tín hiệu dao động của các phân tử, bước đầu đã thử nghiệm sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến dò phân 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 sóng điện

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 và hiệu 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 tìm được 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 và cộng

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 dựng dựa trên những giả nguyên tử (cấu trúc cộng hưởng) sắp xếp theo một trật tự nhất định tương tự như ô cơ sở (unit-cell) trong mạng tinh thể của vật liệu thông thường, trong đó kích thước của nguyên tử trong vật liệu biến hóa nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hoạt động Các đặc tính mới của vật liệu biến hóa được quyết định bởi hình dạng của cấu trúc 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 tự nhiên Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã phát triển rất nhanh, liên quan đến các nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý cơ bản, 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 chiết suất âm [19-28], hiệu ứng Doppler ngược [29], phát xạ Cherenkov ngược [30] và siêu thấu kính [8,31] Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu biến hóa không chỉ 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 khai thác hiện tượng mới [32-35] Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện

từ được sử dụng 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 từ trường 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 Hơn nữa, sự lựa chọn tương tác có thể được thiết kế trong quá trình chế tạo tuân theo các định 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 biến hóa Tương tự như nguyên tử của vật liệu tự nhiên, vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên các cấu trúc cộng hưởng gọi là “giả nguyên tử” và mô hình hóa bằng mạch dao động riêng LC, như trình bày trên hình 1.1 (b) Tính chất của vật liệu tự nhiên được quyết định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử và sự sắp xếp của các nguyên tử trong 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 giả nguyên

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, vật liệu biến hóa

có những tính chất và hiệu ứng vượt ra ngoài những gì có thể làm với các 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 tán sắc Trong một thời gian dài, chiết suất thể hiện mật độ quang học của môi trường và được định nghĩa:

c n v

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 môi trường 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 và điện từ được tóm tắt bằng phương trình rất đơn giản (còn gọi là quan hệ Maxwell):

2

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 trường được 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 Trên thực tế, môi trường chiết suất âm thường được coi là không tương thích với mật độ quang học và không thể truyền tải ánh sáng Do đó, thường được xem là phi vật lý Tuy nhiên, những hệ quả của tính toán lý thuyết cho thấy rằng chiết suất

âm hoàn toàn có thể 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 hứa hẹn 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 bài báo thống kê với từ khóa “metamaterial” tính đến tháng 10/2018 theo Google scholar được trình bày trên hình 1.2 Các công bố nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu biến 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 liệu được biểu diễn bởi phương trình tán sắc sau [45]:

Phương 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:

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 Do môi 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 từ không 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 âm

Xét môi trường không có các dòng (j = 0) và các điện tích tự do ( = 0) Điện

trường và từ trường được biểu diễn dưới dạng sóng phẳng:

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:

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 thành phần 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 vào thành phần và cấu tạo của vật liệu Mỗi vật liệu có chiết suất không đổi với các tính chất 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 và nghiên cứu trong nhiều năm qua Tuy nhiên, bằng cách sắp xếp tuần hoàn các vật liệu 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 có khả năng điều khiển ánh sáng

Góc phần tư thứ hai của giản đồ thể hiện vật liệu có độ điện thẩm âm và độ từ thẩm dương ( < 0,  > 0), đó là plasma của điện tích Chúng được biết là một màn chắn plasma không cho sóng điện từ truyền qua Thật vậy, tất cả các sóng điện từ đều

bị dập tắt 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

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:

2( ) 1

0 e

p

Ne m





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 điện thẩm 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 nào tồn tại Do không có các đơn cực từ, nên không có lời giải chính xác tương tự như trường hợp plasma Tuy nhiên, một số vật liệu phản sắt từ, vật liệu sắt từ có độ

từ thẩm 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 Lifshitz việc đề cập đến tính chất từ được coi là không có ý nghĩa vật lý [47] Điều này được giải 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 0

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 là các dịch chuyển lưỡng cực từ chỉ được phép giữa các trạng thái với cùng chỉ số không gian trong hàm sóng [48] Hiệu năng lượng giữa hai trạng thái như vậy lại nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của photon

Khi truyền trong môi trường có một trong hai thành phần từ thẩm hoặc điện thẩm 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 trung nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu hấp thụ tuyệt đối dựa trên cơ sở hấp thụ cộng hưởng điện và cộng hưởng từ

Tại góc phần tư thứ ba, độ điện thẩm và độ từ thẩm của môi trường đều có giá trị âm (  0,   0) Giống như môi trường chiết suất dương, sóng điện từ cũng có

thể lan 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 chiết suất:

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 nghiệm của 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 tia khúc xạ nằm cùng phía pháp tuyến với tia tới Tương tự như vậy, khi sóng điện từ truyền 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 riêng biệt trong không gian Vì vậy, về bản chất, vật liệu biến hóa không phải là vật liệu đồng nhất ở cấp độ vi mô Tuy nhiên, kích thước của các thành phần tạo thành này cũng như khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với vùng bước sóng hoạt động Dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng, ta có thể coi vật liệu biến hóa như một khối đồng 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 thực chất 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 tác của 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 tương tác của sóng tới với môi trường truyền được tính bằng trung bình của các thành phần tạo thành trong không gian Tính trung bình được chia thành hai cấp Ở cấp thứ nhất, các ô cơ

sở của vật liệu là tương đối lớn so với kích thước các phân tử, do vậy ta có hệ phương trình Maxwell đối với từng vật liệu thành phần:

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 hiệu dụng 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 bởi môi 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 hơn 1,3 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 kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ, tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm

âm và độ điện thẩm âm (μ < 0, 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 hiện của Veselago không nhận được nhiều sự quan tâm Cho tới khi Pendry và cộng sự công

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 âm được khẳng định và mở ra một hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn Từ đây, với mỗi giá trị của các tham số điện thẩm và từ thẩm, các vật liệu đều có thể được phân loại dựa 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 tự nhiên 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 phần từ) 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 của Veselago về sự tồn tại của môi trường có đồng thời độ điện thẩm và từ thẩm âm Tuy nhiên, giả thuyết này sau đó được mở rộng khi chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra vật liệu chiết suất âm mà không cần đồng thời điện thẩm và từ thẩm âm Hơn nữa cấu trúc kết hợp giữa sợi dây bị cắt và vòng cộng hưởng có rãnh có chiết suất âm theo ba phương chiếu đến của sóng điện từ Hình 1.5b là phổ năng lượng truyền qua của cấu trúc theo các phương Năng lượng trong dải tần số từ 10,3 GHz đến 11,1 GHz không truyền qua được 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 có rất nhiều cấu trúc biến đổi khác được đề xuất và kiểm chứng có thể tạo ra vật liệu biến hóa có chiết suất âm Có thể kể tên một trong các cấu trúc đó là: cấu trúc kết hợp, 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 năng lượng 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) và hấp thụ có dải rộng (broadband absorber) Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác định 0, ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số 0 là 0 =2 c/ 0 với c là vận tốc ánh sáng trong chân không Hấp thụ dải rộng dựa trên vật liệu biến hóa có tính chất hấp thụ sóng điện từ không phụ thuộc vào tần số trên một dải tần nào đó Do vật liệu biến hóa hấp thụ được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ, nên nguyên lí hoạt động của 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 và cộng sự [36] Từ kết quả của Landy và cộng sự, nhiều nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ đã được đề xuất cho những ứng dụng khác nhau như ảnh nhiệt [52], pin mặt trời [37,38], cảm biến [53], cùng với đó những tối ưu nhằm đạt được hấp thụ đa dải tần [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 cho một tần số xác định Do vậy sẽ hạn chế khả năng ứng dụng của chúng Việc nghiên cứu

về vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối ở dải tần rộng, không phụ thuộc phân cực sóng 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 để thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng với môi trường tới nhằm triệt tiêu sóng phản xạ; lớp thứ hai là điện môi, có tác dụng tạo không gian để tiêu tán hay kéo dài thời gian của sóng điện từ bên trong vật liệu để tăng độ hấp thụ; lớp thứ ba là một tấm kim loại liên tục, đóng vai trò ngăn chặn sự truyền qua của sóng chưa tiêu tán Hai lớp kim loại thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc, đồng Tại tần

số xác định, vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với vật liệu hấp 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 và khả 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 hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở các dải tần khác nhau từ GHz đến THz thậm chí vùng nhìn thấy

đã được nghiên cứu và chế tạo [61-63] Các tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh khéo léo các thông số hình học Tối ưu cấu trúc nhằm nâng cao độ hấp thụ và khả năng điều khiển tính chất có tính 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 bởi những 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 một chất với độ phân giải kích thước tán xạ giới hạn ở mức dưới mm [65] Vùng sóng điện từ tần số THz nằm giữa tần số sóng điện từ (sóng vi ba) và sóng ánh sáng (hồng ngoại) [66] Khi sóng điện từ chiếu vào vật liệu, sự tương tác của trường điện từ với các điện tử tạo ra các hiệu ứng, tính chất tạo nền móng cho phần lớn các thiết bị điện Tuy nhiên, 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 của các 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

xu hướng giảm chậm Do sự thiếu hụt những thiết bị đáng tin cậy trong việc chế tạo

và đo đạc 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 một khoảng tần số xác định Vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh đã đuợc chứng minh với những khoảng tần số hấp thụ hẹp và riêng lẻ Tuy nhiên, dải hấp thụ của vật liệu biến hóa 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 nhau cho 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 vùng tần

số THz Những tiến bộ trong việc chế tạo nguồn phát và đầu thu ở vùng tần số THz

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 hấp thụ tuyệt đối, điều chỉnh cường độ và pha của sóng, thiết bị cảm ứng sóng điện từ truyền 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 có thể xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa có hình dạng vòng dây bị cắt, như hai hình nhỏ trên hình 1.8 Cụ thể, cấu trúc SRR có thể được xem xét như các cấu trúc cộng hưởng 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]:

(1.17)

ZLC và Zdipole là trở kháng tương ứng trong trường hợp cộng hưởng LC và 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 cấu trúc SRR

Số hạng thứ hai liên quan đến tổn hao điện môi của lớp vật liệu nền, và hai số hạng còn lại là điện kháng sinh ra bởi các tụ điện hiệu dụng và cuộn cảm hiệu dụng của cấu trúc SRR Trong trường hợp này, tần số hấp thụ được đánh giá là nằm tại 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 hoạt động trong vùng tần số GHz dẫn tới sự hấp thụ năng lượng trong vật liệu biến hóa chủ yếu

do tổn hao của điện môi tại vùng này Có thể nhận xét rằng, tổn hao điện môi và tổn hao trên kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) là hai cơ chế tiêu tán năng lượng chính đối với các vật liệu biến hóa (kim loại – điện môi – kim loại) hoạt động 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

tử khiến 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 trạng thái 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 thái kích thích chung Một chùm laser (chùm dò) kích thích trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích sinh ra một phổ hấp thụ đặc trưng dạng Lorentzian Khi chùm laser thứ 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 giữa hai quãng đường kích thích xảy ra làm tiêu tán mật độ trạng thái của hệ nguyên tử ở trạng 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) Tại tần 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 trong làm chậm ánh sáng [75] và lưu trữ năng lượng [76,77] Tuy nhiên, thời gian liên kết tương đối ngắn của trạng thái chồng chập đòi hỏi điều kiện thí nghiệm rất phức tạp như nhiệt độ làm lạnh và từ trường Gần đây, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các đặc trưng cơ bản của EIT, hấp thụ thấp và tán sắc mạnh, có thể được tạo ra một cách tương tự trong các hệ thuần túy cổ điển như các hệ dao động cộng hưởng điện từ hoặc

cơ học [78] mà không cần đến các hiệu ứng lượng tử Mặc dù, bản chất vật lý của các

hệ EIT cổ điển khác với hệ nguyên tử trong hiệu ứng EIT lượng tử, cơ chế hoạt động

là tương tự nhau Sự giao thoa triệt tiêu giữa hai cộng hưởng loại bỏ ảnh hưởng 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 cần đến bất kỳ điều kiện lượng tử phức tạp nào Cho đến thời điểm hiện tại, hai phương pháp cơ bản thường được áp dụng để tạo ra vật liệu biến hóa có hiệu ứng EIT Phương pháp 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 và các 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 cộng hưởng hở, các dòng điện bất đối xứng được sinh ra và các trường bức xạ sẽ giao thoa triệt 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 thông qua 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 mode sáng 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 dò điện trường E x được đặt ở khoảng cách 10 nm cách đầu của thanh CW dọc (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 sáng bởi sóng tới Tương tác thứ hai là sự kích thích gián tiếp của nguyên tử biến hóa mode tối 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 tiêu trường điện từ sinh ra bởi nguyên tử biến hóa mode sáng Hệ quả là vật liệu trở nên trong 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 rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật 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 tại mặt phân cách của hai môi trường tuân theo định luật Snell như trên hình 1.12(a) Tuy nhiên, với vật liệu chiết suất âm, ánh sáng khúc xạ ngược mặt phân cách của hai môi trường như hình 1.12(b) Một môi trường chiết suất âm khúc xạ ánh sáng ngược lại so với môi trường bình thường Trên hình 1.12(c) mô tả ánh sáng phân kỳ từ một nguồn điểm bị khúc xạ ngược và hội tụ tại một điểm trong môi trường sau đó hội tụ lần thứ hai tại môi trường bên ngoài Hơn nữa, do chiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồi không 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 phân giải của siêu thấu kính được tăng lên gấp nhiều lần Tuy nhiên, cũng như các nghiên cứu ứng dụng dựa trên cơ sở vật liệu biến hóa khác, để đưa siêu thấu kính vào sản xuất 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 người quan sát Điều này trở thành một mong muốn có phần viễn tưởng của con người Tuy nhiên, kể từ năm 2006, khi nhóm nghiên cứu của John Pendry và David Smith đã chứng minh bằng lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm vật liệu biến hóa có thể điều 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 sóng điện 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 từ trường

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 công bước đầu trong việc sử dụng vật liệu biến hóa để chế tạo “áo choàng điện từ” Đó là thiết bị làm cho một đối tượng trở nên “vô hình” trước bức xạ điện từ trong một dải tần số nhất định Khi bao quanh hình trụ bằng một áo choàng tàng hình như hình 1.13(b), điện từ trường bên ngoài áo choàng không thay đổi và hình trụ trở nên vô hình Nếu có thể chế tạo áo choàng điện từ trong quang phổ khả kiến, đó sẽ là một ứng dụng thú vị nhất của vật liệu biến hóa “áo choàng tàng hình” Một vật thể trở nên “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 lý thuyết Thách thức lớn nhất chính là khoảng cách giữa các phần tử của vật liệu biến hóa 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 3 chiều 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 dao động tăng cường bề mặt (SEVS), bao gồm tán xạ raman tăng cường bề mặt (SERS)

và phổ hấp thụ hồng ngoại tăng cường bề mặt (SEIRA) đã được nghiên cứu rộng rãi

và được minh chứng là một trong những ứng dụng thành công nhất của hiệu ứng plasmonic cho tới hiện tại Lợi ích của SEVS là tận dụng sự tăng cường trường điện

từ mạnh trên bề mặt cấu trúc nano plasmonic, có nguồn gốc từ các dao động siêu nhanh của khí điện tử mật độ cao được kích thích trên bề mặt kim loại Trong SEIRA, trường điện từ sinh bởi dao động phân tử tương tác (giao thoa hoặc tán xạ) mạnh với trường gần 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 cao trên cả cấp độ đơn lớp

Trong vùng THz, kim loại được coi là vật dẫn lý tưởng với độ phản xạ gần 100% và độ thẩm thấu điện từ rất nhỏ Tỉ số giữa độ thẩm thấu điện từ và bước sóng của 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 với sóng tần số quang Tuy nhiên, sóng THz bề mặt có thể lan truyền mà không bị hấp thụ 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 thành một hướng trọng điểm và được nghiên cứu rất rộng rãi hiện nay Phương pháp phổ biến

sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến trên cơ sở cộng hưởng plasmon bề mặt điện môi vùng THz, trong đó phân tử có thể được dò ra nhờ sự dịch phổ do sự hấp thụ 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 được công 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 mềm thương 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 bố của dòng điện, điện

từ trường và những tương tác giữa các phần tử cộng hưởng Mô hình tính toán lý thuyết giải thích bản chất vật lý, từ đó tham khảo để điều chỉnh các tham số mô phỏng cho phù hợp Sau khi tối ưu được các tham số cấu trúc, một số mẫu 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 có thể 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 các cấu 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 vật liệu biến hóa hoạt động hiệu quả trong những dải tần số khác nhau từ GHz tới THz hay trong vùng ánh sáng nhìn thấy Ví dụ, trong lĩnh vực nghiên cứu về chiết suất âm, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến việc tối ưu cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh nhằm tạo ra đồng 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 chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa, các nhà khoa học thường dựa trên sự cải tiến các cấu trúc cơ bản như cấu trúc cặp dây bị cắt, cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh hay các cấu trúc đối xứng Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu các mô hình cấu trúc ô cơ sở tạo bởi các cấu trúc đối xứng (hình vuông, cấu trúc vòng cộng hưởng, đĩa tròn…) do chúng hoạt động ổn định dưới sự phân cực khác nhau của sóng điện

từ Từ đây, chúng tôi cũng sẽ cải tiến dạng hình học để tạo ra các hốc cộng hưởng và khuyết mạng để tăng độ rộng dải tần hấp thụ và cường độ hấp thụ trên vùng tần số THz Cấu trúc cộng hưởng trong các vật liệu biến hóa được nghiên cứu 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 các vật liệu nhân tạo khác, được thiết kế từ các ô cơ sở tuần hoàn (hoặc không tuần hoàn) 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 với đầy

đủ các tham số, đặc tính vật liệu, bố trí thí nghiệm và thiết lập các điều kiện biên 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 CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) để mô phỏng tính chất điện

từ của vật liệu biến hóa vì tính hiệu quả và độ chính xác cao, phù hợp với nhiều kết quả thực nghiệm đã được công bố Chương trình CST mô phỏng tương tác trường điện từ với 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 áp điện trên cạnh của một lưới và áp từ trên cạnh của một lưới kép, lý thuyết FIT biến đổi các phương trình Maxwell và các phương trình tán sắc của vật liệu từ không gian liên tục đến không gian rời rạc Do đó, FIT tạo ra hệ phương trình lưới Maxwell (Maxwell’s Grid equations) từ các phương trình Maxwell, từ đó đảm bảo các tính chất vật lý của trường được duy trì trong không gian rời rạc và dẫn đến một nghiệm duy nhất Chi tiết việc chia lưới và tính toán được trình bày trong phần mềm CST tại thư mục Online Help/Advanced [86] Với lợi thế này, FIT giải các

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

Α

Β s

D s

Trong các mô hình sử dụng của luận án, kim loại và chất điện môi sẽ được

sử dụng để xây dựng cấu trúc vật liệu biến hóa Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng

và thực nghiệm của các mô hình cộng hưởng sử dụng vì thế cũng phụ thuộc vào độ chính xác của các đặc tính được thiết lập của vật liệu mô phỏng so với các giá trị thực của chúng Vì vậy, hiểu biết rõ về các đặc tính của kim loại trong mô phỏng là vấn đề cốt yếu để đạt được các kết quả đúng Ví dụ, ở các tần số thấp, như ở vùng microwaves, kim loại như vàng và đồng được mô hình hóa như các chất dẫn điện tốt với các giá trị riêng biệt cho độ dẫn điện Tuy nhiên, khi mô phỏng vật liệu biến hóa ở vùng tần số cao (vùng hồng ngoại hay quang học) tính chất điện từ của kim loại được mô tả theo mô hình Drude Trong đó, độ dẫn điện phụ thuộc vào tần số theo công 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