Nghiên cứu cấu trúc và tính hấp phụ của giả vật liệu al2o3 anot hóa (aao template) sợi nano ag

Mặc dù vẫn ở dạng mô hình, tuy nhiên LHMs đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rải trong quang học cũng như lĩnh vực vi sóng trong tương lai như: siêu thấu kính, bộ lọc dải thông vi sóng,

-0 -0 -0 -0 -0 -

PHẠM VĂN ÚT

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH HẤP THỤ CỦA

GIẢ VẬT LIỆU AL2O3 ANỐT HOÁ (AAO TEMPLATE) - SỢI NANO Ag

Chuyên ngành: VẬT LIỆU KIM LOẠI & HỢP KIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Dán

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHẠM VĂN ÚT Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02/03/1980 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Vật liệu Kim loại và Hợp kim

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Chế tạo màng lỗ xốp oxít nhôm bằng công nghệ anốt hóa 2 lần trong dung dịch axít sulfuric

Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian tẩm dung dịch AgNO3 đến sự hình thành sợi nano Ag và chiều dài sợi nano Ag trong các lỗ xốp cũng như ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ RADAR

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN VĂN DÁN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Để hoàn thành luận văn này em chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phó giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Văn Dán đã hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Thầy đã nhiệt tình giúp đỡ em trong việc tìm hiểu cũng như phân tích các vấn đề khi nghiên cứu đề tài Sự tận tình của thầy trong suốt quá trình là điều quan trọng để em có thể hoàn thành được đề tài

Em xin gởi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Trường ĐH Bách Khoa TPHCM Các thầy cô của Bộ Môn Vật Liệu Kim Loại

và Hợp Kim đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành tốt luận văn

Em cũng chân thành cảm ơn các bạn cùng khoá, các anh chị đã động viên, chia sẻ những kinh nghiệm trong quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng, xin tri ân đến cha mẹ và các thành viên trong gia đình đã ủng hộ tôi để tôi thêm động lực hoàn thành đề tài

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện luận văn, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

Học viên

Phạm Văn Út

Đề tài này nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc giả vật liệu trên cơ sở AAO Template - sợi nano Ag đến sự hấp thụ sóng điện từ, trong đó các sợi nano Ag sắp xếp song song trong các lỗ của AAO Template

Trong nghiên cứu này, các tấm nhôm sau khi xử lí nhiệt và bề mặt sẽ được tiến hành điện phân trong dung dich H2SO4 0,3M để tạo các lỗ xốp có đường kính khoảng 50 nm và chiều sâu khoảng 70 μm MTMs được chế tạo bằng cách tẩm dung dịch AgNO3 và xúc tác trên nền oxit nhôm với các thời gian khác nhau (từ 20 đến 160 phút) và sau đó tiến hành nhiệt phân để tạo các sợi Ag có kích thước nano sắp xếp song song trong các lỗ

Khảo sát bề dày lớp anode được thực hiện bằng kính hiển vi quang học tại khoa Công nghệ vật liệu ĐHBK TPHCM Khảo sát đường kính lỗ xốp, sự tồn tại các sợi nano Ag trên bề mặt cũng như chiều dài sợi nano Ag được thực hiện bằng kính hiển

vi điện tử quét (FE-SEM) tại Viện hoá học, Tp Hồ Chí Minh Phổ tán sắc năng lượng (EDS) được dùng để xác định hàm lượng nguyên tố bạc tạo thành trong lỗ xốp cũng như sợi nano thu được sau khi hòa tan màng oxít Nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng nhằm xác định mức độ tinh thể hóa của bạc Khảo sát độ hấp thụ RADAR của mẫu được tiến hành trên thiết bị RADAR siêu cao tần tại phòng thí nghiệm siêu cao tần, Bộ môn Viễn Thông, ĐHBK TPHCM

Kết quả đề tài đã đạt đƣợc:

Giả vật liệu đã được chế tạo trên cơ sở các sợi nano Ag và hệ thống lỗ xốp kích cỡ nano (xấp xỉ 60 nm) phân bố đều và song song trên màng nhôm oxit Khảo sát ảnh hưởng thời gian tẩm AgNO3 đến sự hình thành sợi nano Ag cũng như chiều dài sợi nano Ag đến khả năng hấp thụ RADAR Từ đó đưa ra được qui trình tối ưu trong việc chế tạo giả vật liệu này Đã chế tạo được mẫu vật liệu hấp thụ RADAR

có độ hấp thụ cao (hơn 90 %) tại tần số 9.4GHz

ABSTRACT

This subject studies the influence of metamaterial (MTMs) structure the based on anodic aluminum oxide (AAO) Template-Ag nanowires on the absorption of the electromagnetic waves, in which the Ag nanowires were arranged in parallel in the hole of the AAO Template

In this study, the aluminum sheets are first heat treatment and surface treatments, and then carried out electrolysis in a solution of H2SO4 0.3M to form the pores with diameter of about 50 nm and about 75 micrometers in depth MTMs was fabricated

by combining nano porous matrix Al2O3 and AgNO3 solution at different times (from 20 to 160 minutes) Then the silver nanowires was obtained by thermolysis of AgNO3 at temperature of 170oC in AAO templates

The thickness of the anode layer was studied by optical microscopy in Faculty

of Materials Technology, HCMC University of Technology The diameter and the length of nanoporous was examined by Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) at the Institute of Chemical, Ho Chi Minh City Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was employed to analyze chemical composition of the samples X-ray diffraction (XRD) was used to determine the degree of crystallization of the silver nanowires The RADAR absorption was studied by ultra high frequency RADAR device at Ultra high frequency laboratory, Department of Telecommunication, HCMC University of Technology The results show that MTMs has successfully been synthesized the based on of the silver nanowires and nano aluminum porous systems The influence of the soak times to formation of Ag nanowires as well as their length on the RADAR absorption were examined The as-synthesized materials have high absorption (over 90%) at 9.4GHz of frequency

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ ………… ………1

1.1 Tình hình nghiên cứu giả vật liệu AAO Template……… 2

1.2 Cơ sở lựa chọn đề tài……… 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ……… 7

2.1 Sóng điện từ ……… 8

2.2 Cấu tạo vùng năng lượng điện tử chất rắn……… 10

2.3 Tương tác sóng điện từ với chất rắn………13

2.3.1 Tương tác sóng điện từ ……… ………13

2.3.2 Hấp thụ sóng điện từ ……….18

2.3.3 Truyền qua ……… 25

2.3.4 Các hiệu ứng khác của tương tác sóng điện từ với vật rắn ……… 26

2.4 Gỉa vật liệu – Tương tác giữa sóng điện từ và giả vật liệu ………… …… 32

2.4.1 Giới thiệu giả vật liệu …… ……… 32

2.4.2 Phân loại giả vật liệu ………33

2.4.3 Tương tác sóng điện từ - giả vật liệu ……… 34

2.4.3.1 Hiệu ứng Plasmon bề mặt………34

2.4.3.2 Hiệu ứng plasmon trong hệ dây dẫn ……… ……… 36

2.4.3.3 Hấp thụ SĐT của giả vật liệu có ε <0, μ> 0 ……… ………….37

2.4.4 Mô tả sự hấp thụ SĐT bằng các hàm toán học ……… 39

2.5 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở AAO Template

2.5.1 Yêu cầu đối với vật liệu hấp thụ sóng điện từ ………40

2.5.2 Chế tạo giả vật liệu trên cơ sở AAO Template – Cơ chế hấp thụ …… 40

2.5.2.1 Các phương pháp chế tạo AAO Template ……… ………….40

2.5.2.2 Cấu trúc và màng oxit chứa lỗ xốp ……… ……… 41

2.5.2.3 Tổng hợp sợi nano Ag trong AAO Template ………… ….…… 46

2.5.2.4 Cơ chế hấp thụ của giả vật liệu AAO Template - sợi nano Ag … 49

CHƯƠNG 3 :THỰC NGHIỆM ………50

3.1 Định hướng chế tạo ………51

3.2 Chế tạo AAO Template ……… 53

3.2.1 Giai đoạn ủ ……… 53

3.2.2 Tẩy dầu mỡ ……….54

3.2.3 Đánh bóng bề mặt ……… 54

3.2.4 Anode hoá lần 1 ……… 55

3.2.5 Tẩy lớp anode hoá lần 1 ……… 56

3.2.6 Anode hoá lần 2 ……….57

3.2.7 Làm sạch bề mặt ……….57

3.3 Tổng hợp sợi nano Ag trong AAO Template ………59

3.3.1 Chuẩn bị hệ hỗn hợp dung dịch AgNO3 tẩm vào màng oxít nhôm … …59

3.3.2 Tẩm dung dịch lên AAO Template ……… ……….59

3.3.3 Nhiệt phân màng oxít nhôm ……… ………59

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ……… ……61

4.1 Kính hiển vi quang học ……… 63

4.1.1 Mục đích sử dụng ……… ………63

4.1.2 Nguyên lý hoạt động ……… 63

4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ………64

4.2.1 Mục đích sử dụng …… ……… 64

4.2.2 Sự tương tác của chùm điện tử đến vật rắn ……… 64

4.2.3 Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét ……… 65

4.2.4 Nguyên lý hoạt động ……….65

4.3 Kính hiển vi quét FE-SEM ……….65

4.3.1 Chuẩn bị mẫu ………66

4.4 Phổ tán sắc năng lượng ……… 67

4.4.1 Mục đích sử dụng ………67

4.4.2 Giới thiệu ………67

4.4.3 Cấu tạo hệ EDS ……… 67

4.4.4 Nguyên tắc phân tích EDS ……… 69

4.4.5 Chuẩn bị mẫu ……….72

4.5 Nhiễu xạ tia X (XRD) ……… ….72

4.5.1 Mục đích sử dụng ……… ……… ….72

4.5.2 Nguyên lý nhiểu xạ ……… … … 72

4.5.3 Tính kích thước hạt tinh thể ……… …74

4.6 Thiết bị RADAR siêu cao tần ………74

4.4.1 Mục đích phân tích ……… 74

4.4.2 Sơ đồ nguyên lí ……… 74

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………77

5.1 Ảnh cấu trúc màng oxit ……… 78

5.2 Kiểm tra sự hình thành sợi nano Ag trong các lỗ xốp ………79

5.2.1 Kiểm tra bề mặt sau khi nhiệt phân ……… … ….79

5.2.2 Kết quả phân tích EDS …….……… 81

5.2.3 Kết quả nhiểu xạ tia X …… ……….…83

5.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tẩm đến chiều dài sợi nano Ag ……… 85

5.4 Ảnh hưởng cấu trúc sợi nano Ag đến khả năng hấp thụ RADAR ……… …87

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận ……… …91

6.2 Kiến nghị ……….… 91

Phụ lục A – Kết quả đo chiều dài sợi nano Ag……… …94

Phụ lục B - Kết quả hấp thụ MTMs ……… 98

Tài liệu tham khảo ……… …101

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Số lượng và điều kiện chế tạo mẫu dự kiến khảo sát ……… …51

Bảng 3.2 Thành phần và chế độ công nghệ tẩy dầu mỡ ……… …54

Bảng 3.3 Thành phần và chế độ công nghệ đánh bóng ……… …55

Bảng 3.4 Thành phần và chế độ công nghệ anốt hóa lần 1 ………,…56

Bảng 3.5 Thành phần và chế độ công nghệ tẩy lớp anốt hóa lần 1 ………,…56

Bảng 3.4 Thành phần và chế độ công nghệ anốt hóa lần 2 ……….…56

Bảng 5.1 Thành phần, chế độ tách đế nhôm ……… …81

Bảng 5.2 Kết quả phân tích EDS sợi nano Ag……….…82

Bảng 5.3 Sự ảnh hưởng thời gian tẩm đến chiều dài sợi nano Ag ……… 85

Bảng 5.4 Kết quả đo độ hấp thụ RADAR của mẫu M1†M8 ……… 88

Hình 1.1 Hai cấu trúc tạo ra hiệu ứng Plasmon ở dải vi sóng……… 2

Hình 2.1 Sự truyền sóng điện từ ……… 8

Hình 2.2 Dải sóng điện từ ……… …8

Hình 2.3 Các cấu trúc vùng điện tử khác nhau có thể có trong các vật rắn …… 11

Hình 2.4 Sự chiếm các trạng thái điện tử trong kim loại trước và sau kích thích điện tử ……… …12

Hình 2.5 Sự chiếm các trạng thái điện tử trong chất cách điện và chất bán dẫn trước và sau một kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn ……… …12

Hình 2.6 Phản xạ hình học của SĐT ……… 13

Hình 2.7 Sơ đồ hấp thụ photon ……… 17

Hình 2.8 Hiệu ứng cảm ứng điện từ ……… 19

Hình 2.9 Sơ đồ biểu diễn các trạng thái phân cực điện tử , phân cực ion, và phân cực xoay ………20

Hình 2.10 Sự hình thành lưỡng cực điện trong hạt kim loại phân tán trong chất điện môi……… 21

Hình 2.11 Cơ chế hấp thụ photon của vật liệu phi kim loại và phát xạ photon … 22 Hình 2.12 Cơ chế kích thích điện tử từ một mức tạp chất trong khe vùng hấp thụ photon(a) và phát xạ hai photon (b) hoặc sản sinh một phonon hoặc một photon (c) ……… … 22

Hình 2.13 Phát xạ thứ phát do nhiều kích thích ……….23

Hình 2.14 Sơ đồ sắp xếp các đomen từ theo từng giai đoạn từ hóa ………… …24

Hình 2.15 Sơ đồ phản xạ, hấp thụ và truyền qua ………… ……… 26

Hình 2.16 Sơ đồ biểu diễn hiện tượng khúc xạ ……… 27

Hình 2.17 Giao thoa trên bản mỏng ……… 29

Hình 2.18 Sự tán xạ sóng điện từ trên bề mặt nhấp nhô ………31

Hình 2.19 Sơ đồ tán xạ trong lỗ xốp hình cầu ………32

Hình 2.20 Mật độ bề mặt và lõi sợi quang và sự phản xạ toàn phần trong sợi quang……….33

Hình 2.21 Hai loại cấu trúc cơ bản để tạo thành LHM, (a) hệ dây dẫn kim loại , (b)

hệ các vòng cộng hưởng hở, (c) Metamaterials 1D khi kết hợp hai loại cấu trúc, (d)

Metamaterials 2D khi kết hợp hai loại cấu trúc ……….34

Hình 2.22 Hiện tượng phân cực đối với các hạt kim loại ……… 35

Hình 2.23 Cơ chế truyền sóng trong vật liệu âm ……… 36

Hình 2.24 Cấu trúc dây dẫn mảnh (thin wires) sắp xếp song song tuần hoàn 37

Hình 2.25 Hấp thụ sóng điện từ bằng hạt nano kim loại ………37

Hình 2.26 Liên hệ giữa đường kính dây dẫn và khả năng truyền SĐT của dây dẫn ……… ………38

Hình 2.27 Mô hình bẫy SĐT của sợi nano dẫn điện ……… 38

Hình 2.28 Mô hình tương tác SĐT đến bề mặt vật liệu hấp thụ……….39

Hình 2.29 Phương pháp imprint (a), phương pháp anode 2 lần (b) ……… 40

Hình 2.30 Cấu trúc không gian của mẫu nhôm sau khi anốt hóa ……… 42

Hình 2.31 Cấu trúc lỗ xốp ……… 42

Hình 2.32 Khối lượng lớp phủ theo thời gian anode hóa tại các nhiệt độ khác nhau ……… ….…46

Hình 2.33 So sánh độ dày lớp anode hóa lý thuyết và thực tế ……… 46

Hình 2.34 Mô hình chế tạo sợi nano Ag ……….47

Hình 2.35 Cơ chế phát triển sợi nano bạc dưới tác động của chất hoạt động bề mặt và mầm song tinh khối 10 mặt phát triển thành dạng sợi với sự có mặt của PVP 48

Hình 2.36 Mô hình giả vật liệu hấp thụ SĐT ……… 49

Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo tổng quát ………52

Hình 3.2 Quá trình ủ nhôm ……… 53

Hình 3.3 Lò nung dùng để ủ ………53

Hình 3.4 Dung dịch tẩy dầu mỡ và bếp nung ……… 54

Hình 3.5 Dung dịch đánh bóng và bếp nung ……… 55

Hình 3.6 Sơ đồ (a) và thiết bị điện phân (b) ………56

Hình 3.7 Dung dịch tẩy lớp oxit và bếp nung ……….57

Hình 3.8 Bể rửa siêu âm ……… 58

Hình 3.9 Điện cực (a), mẫu nhôm chưa điện phân (b);mẫu sau khi điện phân (c) 58

Hình 3.10 Sơ đồ tổng hợp sợi nano Ag ……… 59

Hình 3.11 Mô hình tạo sợi nano bạc từ dung dịch AgNO3 bằng cách nhiệt phân 60

Hình 3.12 Mẫu nhôm sau khi nhiệt phân ………60

Hình 4.1 Sơ đồ các phương pháp phân tích được sử dụng ………62

Hình 4.2 Kính hiển vi quang học VIEWMET-BUEHLER ……… ………….….63

Hình 4.3 Tương tác chùm tia điện tử đến mẫu, các tính hiệu sinh ra ……… 64

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lư hoạt động của SEM ……… 66

Hình 4.5 Ống phát xạ trường (Field Emission Gun) ……… 67

Hình 4.6 Thiết bị phủ patin bằng phún xạ để chuẩn bị mẫu ………67

Hình 4.7 Tia X phát xạ dùng trong phân tích EDS ………… ……… 68

Hình 4.8 Mối tương tác của chùm điện tử với mẫu trong kỹ thuật phân tích EDS (a) và cấu tạo hệ EDS (b) ……… 69

Hình 4.9 Sự sinh ra cặp điện tử - lổ trống và hướng di chuyển của chúng khi tia X đập vào tinh thể detector ……… 70

Hình 4.10 Sơ đồ phổ kế tán sắc năng lượng ………71

Hình 4.11 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường kết hợp EDS JEOL-JSM-7401F ……… 72

Hình 4.12 Nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X……… 73

Hình 4.13 Mô hình nhiễu xạ tia X ……….….….73

Hình 4.14 Thiết bị nhiễu xạ tia X D8 ADVANCE ……….74

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lí đo độ hấp thụ RADAR ……… 75

Hình 4.16 Sơ đồ đo độ hấp thụ RADAR trên máy ROHDE & SCHWARZ … …75

Hình 5.1 Ảnh chụp kim tương chiều dày màng oxit……… ……… 78

Hình 5.2 Ảnh FE-SEM màng oxít nhôm sau khi hoàn tất anốt hóa ………78

Hình 5.3 Ảnh FE-SEM bề mặt tấm AAO Template sau khi nhiệt phân …………80

Hình 5.4 Dung dịch tẩy đế nhôm……… 81

Hình 5.5 Mẫu nhiệt phân được phân tích EDS ………81

Hình 5.6 Phổ EDS sợi nano Ag sau khi tẩy nền ……… …82

Hình 5.7 Kết quả nhiễu xạ tia X ……… ……84

Hình 5.8 Đồ thị biểu diễn thời gian tẩm - chiều dài sợi nano Ag ……… …85

Hình 5.9 Ảnh FE-SEM chiều dài sợi nano Ag ……… …87 Hình 5.10 Đồ thị biểu thị thời gian tẩm - Chiều dài sợi nano Ag - Độ hấp thụ …88

Thuật ngữ,

AAO Anodic aluminum oxide

Template Màng khuôn

EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng) XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

FE-SEM Field Emission Scanning Electron Microscopy

(Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường)

EG Ethylene glycol

PVP Polyvinyl pyrrolidone

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢ VẬT LIỆU – AAO

TEMPLATE

Năm 1968 nhà vật lý người Nga Victor Veselago đề xuất lý thuyết chiết suất

âm hay vật liệu nghịch (Left-hand material (LHMs), vật liệu cổ điển là Righ-hand material) và đưa ra các tính chất của vật liệu này đối lập với định luật Snell, hiệu ứng Doppler và sự bức xạ Cerenkov, đây chính là tiền đề mở đường cho các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển các tính năng lạ thường của loại vật liệu này [20] Tuy nhiên lý thuyết Veselago nhanh chóng bị lãng quên bởi tại thời điểm này chưa thể tạo được LHMs cũng như không tồn tại trong tự nhiên vì không có chất nào vừa đẳng hướng vừa có ε, µ< 0

Đến năm 2001 thì thuật ngữ Metamaterials (MTMs) đã được Rodger M Walser của Trường Đại học Texas tại Austin định nghĩa cho các vật liệu có tính chất phụ thuộc cấu trúc chứ không phụ thuộc vào thành phần [34] MTMs là từ

để phân biệt với các vật liệu composite, tên MTMs thường được sử dụng cho một vật liệu có tính chất khác thường trong vật liệu điện từ Ông đã xác định MTMs là: vật liệu kết hợp nhân tạo, ba chiều, cấu trúc dạng ô có chu kì được thiết kế để tạo ra một sự kết hợp tối ưu, không có sẵn trong tự nhiên, đáp ứng lại 2 hay nhiều kích ứng đặc trưng

Năm 2004, Pendry và các đồng sự tại Imperial College London đã đề xuất 2 cấu trúc nhân tạo đồng nhất có hiệu quả cho sóng điện từ Cả 2 cấu trúc này đều có kích thước đặc trưng nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng tác dụng (p << λtd) và vật liệu này chính là MTMs

Hình 1.1: Hai cấu trúc tạo ra hiệu ứng Plasmon ở dải vi sóng

Cấu trúc (hình 1a) là cấu trúc hệ dây dẫn mảnh (thin wires - TW), cấu trúc này thể hiện được tính chất ε < 0, µ > 0 khi thành phần điện trường của sóng tác dụng song song trục dây dẫn Hình 1b là cấu trúc các vòng hở cộng hưởng (split-ring resonator – SSR), cấu trúc này thể hiện ε > 0, µ < 0 khi thành phần từ trường vuông góc với mặt phẳng chứa vòng cộng hưởng

Mặc dù vẫn ở dạng mô hình, tuy nhiên LHMs đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rải trong quang học cũng như lĩnh vực vi sóng trong tương lai như: siêu thấu kính, bộ lọc dải thông vi sóng, anten rada, hấp thụ sóng điện từ … Đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu này hoạt động ở tần số cao hơn phục vụ cho các ứng dụng mới trong quang học

Cho đến nay một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo thành công vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở những dải tần số khác nhau từ GHz tới THz hoặc cao hơn

Như đã nói ở trên, để kết cấu ảnh hưởng đến sóng điện từ (SĐT), MTMs phải

có cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ tương tác với nó, trong khi đó muốn sử dụng cho các dải sóng có bước sóng nhỏ thì cần phải có một công nghệ chế tạo vật liệu đến kích cỡ micro hoặc nano Vì vậy để chế tạo vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc nhân tạo, hoạt động ở vùng tần số cao, đòi hỏi sử dụng thiết bị công nghệ nanô hiện đại như hệ khắc dùng chùm tia điện tử hoặc chùm tia iôn (Electron Beam Lithography, Ion Beam Lithography)

Năm 2006 nhà khoa học Nhật Riken và các đồng sự tại Viện nghiên cứu Vật

lý và Hóa học Nhật Bản (Japan‟s Institute of Physical and Chemical Research) đã chế tạo ra kính không phản xạ (zero-reflection looking glass) Vật liệu được chế tạo bằng cách cấy những vòng hở (split ring) cộng hưởng kích thước nano của kim loại quí như vàng và bạc gắn vào một tấm Silic, sự sắp xếp này mang đến cho vật liệu hệ số chiết suất âm

Phương pháp chế tạo vật liệu này là ứng dụng của phương pháp quang khắc, phải sử dụng máy E- beam Lithography khá đắt và tinh vi [27]

Một phương pháp có thể tạo ra cấu trúc những sợi dẫn điện kích cỡ nano đặt song song với nhau, phương pháp này dựa trên ứng dụng của phương pháp AAO

(anodic aluminum oxide) template [24] Bằng phương pháp Template người ta tạo

ra những khuôn có kích cỡ nano bằng phương pháp anode hóa Với những lỗ xốp sắp xếp song song trên vật liệu nền người ta có thể đưa các chất dẫn điện vào trong tạo nên các sợi dẫn điện có kích thước nano đặt song song với nhau [7]

Năm 2006, Huang Lanping và các công sự đã kiểm tra sự hấp thụ sóng điện từ bằng cách cấy các sợi dây α-Fe có kích thước nano trên nền AAO Template và đã cho kết quả tốt ở dải tần số 2-18 GHz [17]

Năm 2008, Boren Zheng và các cộng sự đã giới thiệu mô hình gồm các thanh kim loại cắm trong sắt từ [15] Hấp thụ SĐT ở giải tần số từ 8.5 GHz đến 10.7 GHz Năm 2008, Bo Gao, Liang Qiao và các cộng sự đã kiểm tra khả năng hấp thụ sóng điện từ bằng cách cấy các sợi nano Ni trên AAO Template cho thấy khả năng hấp thụ tốt nhất ở 10 GHz khi chiều dày là 3mm [9]

Cũng trong năm 2008, F Rumiche và các cộng sự tại Đại học Chicago giới thiệu cảm biến phát hiện H2 ở nồng độ thấp trên cơ sở AAO được phủ lớp màng mỏng Pd trên bề mặt [36]

Tháng 01/2011 tại trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các công trình nguyên cứu cấu trúc và độ hấp thụ hồng ngoại và radar trên cơ sở AAO template- sơn Epoxy C,Ag nano tinh thể do Nguyễn Thanh Tuấn, Tạ Quang Tuyến [5] thực hiện và đã cho thấy các kết quả rất tốt trong việc hấp thụ SĐT (radar và vùng hồng ngoại) Trong công trình này các tác giả chỉ ra mối liên hệ giữa đường kính cũng như chiều sâu tấm AAO với khả năng hấp thụ SĐT, tuy nhiên trong công trình nghiên cứu này tác giả chưa khảo sát đến ảnh hưởng của chiều sâu lớp hấp thụ đến khả năng hấp thụ của vật liệu

1.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Lĩnh vực mà MTMs được nguyên cứu nhiều nhất đó chính là lĩnh vực hấp thụ sóng điện từ và những ứng dụng dựa trên các tính chất kì diệu ngày càng được áp dụng rộng rãi trong dân sự cũng như quân sự

Ngày nay vấn đề năng lượng đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia, việc sử dụng năng lượng tái tạo (gió, thủy triều, mặt trời…) đang được khuyến khích nguyên cứu và áp dụng Trong đó, năng lượng mặt trời đang được nguyên cứu nhiều nhất bởi nguồn năng lượng sạch

ệc chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp thụ của vật liệu lên vùng quang phổ mặt trời sẽ

là cuộc cách mạng trong việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời với ứng dụng là pin màng mỏng đa lớp

Trong lĩnh vực quân sự, ngày nay các khí tài hiện đại luôn có khả năng tàng hình trước sự dò tìm của đối phương vì vậy việc “tàng hình” trước các hệ thống RADAR hiện đại có khả năng phát hiện mục tiêu cách xa hàng trăm kilomet là hết sức quan trọng

Bên cạnh ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, vật liệu hấp thụ sóng điện từ (SĐT) còn được ứng dụng trong công nghiệp, y tế nhằm hạn chế ảnh hưởng của SĐT tác động đến cơ thể con người Các vật liệu hấp thụ hiện nay được chế tạo với nhiều dạng khác nhau, ví dụ như dưới dạng tấm, cuộn, ngói, sơn…, nhưng tất cả đều được nghiên cứu phát triển trên cơ sở lý thuyết tương tác của sóng điện từ (SĐT) với vật rắn

Mặc dù công nghệ chế tạo, ứng dụng vật liệu hấp thụ SĐT trên thế giới đã được nghiên cứu từ lâu, tuy nhiên tại Việt Nam việc nghiên cứu ứng dụng còn hạn chế, vì vậy việc nghiên cứu các loại giả vật liệu có khả năng hấp thụ SĐT có ý nghĩa quan trọng Trước tình hình đó, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu cấu trúc và tính hấp thụ của giả vật liệu Al 2 O 3 anốt hoá (AAO Template) - sợi nano Ag ”

với việc kế thừa các kết quả của các nhóm nghiên cứu trước nhằm khảo sát tính hấp thụ của của giả vật liệu này

Mục tiêu đề tài:

 Chế tạo giả vật liệu trên cơ sở AAO Template - sợi nano Ag

 Khảo sát sự hình thành, chiều dài sợi nano Ag đến khả năng hấp thụ RADAR, hồng ngoại của giả vật liệu khi thay đổi thời gian tẩm dung dịch AgNO3

Đề tài này nghiên cứu loại vật liệu có cấu trúc Nano với sự hấp thụ sóng điện

từ Khi sóng điện từ tương tác lên trên bề mặt vật liệu có cấu trúc nano Al2O3 + sợi nano Ag, thì dựa vào hiệu ứng plasmon, hiệu ứng cộng hưởng ống dẫn sóng và đặc biệt là hiệu ứng cáp quang Những hiệu ứng đó sẽ làm cho sóng điện từ không phản

xạ trở lại mà bị khúc xạ vào trong lỗ nano, khi vào trong lỗ nano sóng điện từ sẽ bị

“nhốt” lại và giải phóng nhiệt năng cùng các năng lượng khác ra hai bên thành lỗ nano và đi ra ngoài tấm nhôm nền Chính nguyên lý đó làm cho vật liệu kết hợp trên

có khả năng hấp thụ sóng điện từ rất tốt

CHƯƠNG 2 :

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SÓNG ĐIỆN TỪ

Sóng điện từ là sự kết hợp của dao động điện trường E và từ trường B vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng, bên cạnh đó sóng điện từ cũng được xem như chùm photon được truyền trong không gian [20]

Hình 2.1 Sự truyền sóng điện từ

Ánh sáng, nhiệt độ (hay năng lượng bức xạ), sóng rađa, sóng radio, tia Rongen, tất cả đều được xem là những dạng bức xạ điện từ Mỗi một dạng được đặc trưng trước tiên bởi một phạm vi đặc thù của bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó Phổ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ (do các chất phóng xạ phát ra) có bước sóng cỡ 10-12

m đến sóng radio (sóng vô tuyến điện) bước sóng trên 1m (Hình 2.2)

Hình 2.2 Dải sóng điện từ

Màu sắc do chúng ta nhìn thấy phục thuộc vào bước sóng xác định và dải bước sóng của vùng ánh sáng nhìn thấy nằm trong 1 vùng hẹp của phổ có bước sóng từ 0,4 m(4.10-7m) đến 0,7 m

Trong chân không, tất cả sóng điện từ đều được truyền với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (C = 3.108 m/s ) Tốc độ truyền này phụ thuộc vào hằng số điện môi εo và

độ từ thẩm của chân không μo theo công thức

0 0

dV BH ED dV

H E

2

1 )

2

1 2

1 ( 2

0 2

D là cảm ứng điện và E là cường độ điện trường

Từ công thức (2.3), ta thấy năng lượng của sóng điện từ bao gồm hai thành phần đó là năng lượng của điện trường và năng lượng của từ trường trong toàn bộ thể tích mà ta xét

Như đã nêu ở phần đầu, sóng điện từ khi xem xét trên quan điểm cơ học lượng

tử thì sóng điện từ có thể xem như là một chùm hạt hay các bó năng lượng được gọi

là chùm photon có năng lượng được biểu diễn theo công thức

EhvhC/ (2.4)

trong đó

h – hằng số Planck, có giá trị 6,63.10-34J.s Như vậy năng lượng phôton tỷ lệ với tần số và tỷ lệ nghịch với bước sóng của bức xạ

Vì vậy khi khảo sát sóng các tác động của sóng điện từ cũng như giải thích các hiện tượng thì đôi khi phải sử dụng cả hai cách tiếp cận để giải quyết vấn đền một cách thấu đáo

2.2 CẤU TẠO VÙNG NĂNG LƢỢNG ĐIỆN TỬ CỦA CHẤT

RẮN

Khi các nguyên tử trong chất rắn nằm ở khoảng cách khá xa thì mỗi nguyên tử độc lập với nhau và có mức năng lượng và cấu hình điện tử trong nguyên tử giống như nguyên tử đứng cô lập Tuy nhiên khi các nguyên tử càng xích lại đủ gần thì các điện tử càng bị kích thích bởi các điện tử và hạt nhân của nguyên tử khác lân cận Ảnh hưởng này làm cho mỗi một trạng thái điện tử trong nguyên tử riêng biệt

bị phân tách thành một loạt các trạng thái điện tử nằm sát nhau hình thành nên một vùng năng lượng điện tử Sự giãn (mở rộng) từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử, sự giãn này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên tử bởi vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lại với nhau Trong mỗi vùng, bao gồm N mức năng lượng nằm sít nhau tuy nhiêm các mức năng lượng vẫn

là gián đoạn Ở khoảng cách nguyên tử cân bằng, sự tạo thành vùng năng lượng có thể xảy ra với các lớp điện tử ở gần hạt nhân nhất Ngoài ra, ở các vùng kế nhau có thể tồn tại những khe năng lượng (hay còn gọi là những vùng cấm): Bình thường thì các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong các khe này

Các tính chất điện- từ của vật rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện

tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện tử [1] Theo nguyên lý năng lượng tối thiểu do đó các mức năng lượng thấp sẽ được điền đầy các điện tử trước, vùng chứa các điện tử có năng lượng cao nhất (hay các điện tử hóa trị) được gọi là vùng hóa trị, đây là vùng năng lượng ngoài cùng có thể lấp đầy hoàn toàn các điện tử hoặc chỉ được lấp đầy một phần Còn vùng dẫn sẽ là vùng có năng lượng cao hơn kề trên đó (nằm trên vùng hoá trị)

mà trong đa số các trường hợp, về cơ bản là bỏ trống Có thể có 4 kiểu cấu trúc vùng khác nhau:

Hình 2.3: Các cấu trúc vùng điện tử khác nhau có thể có trong các vật rắn ở

A-Vùng hóa trị đã được lấp đầy; A’ – Vùng hóa trị còn trống; B - khe vùng;

C – vùng dẫn còn trống; E F – năng lượng Fermi

- Ở loại thứ nhất (Hình 2-3a) vùng hóa trị chỉ mới lấp đầy một phần Năng lượng ứng với mức cao nhất nó bị chiếm, được gọi là năng lượng Fermi (EF) Đây là cấu trúc điển hình cho kim loại

- Ở loại cấu trúc vùng thứ hai (Hình 2-3b), cũng tìm thấy trong các kim loại, vùng hóa trị bị lấp đầy và còn phủ lên cả vùng dẫn

- Hai cấu trúc cuối cùng (Hình 2-3c, d), ở mỗi cấu trúc tất cả các trạng thái trong vùng hóa trị đều bị điện tử chiếm hết Tuy nhiên, ở đây không có sự dính phủ với vùng dẫn còn trống, điều này tạo ra một khe năng lượng xen ở giữa gọi là vùng cấm Là cấu trúc đại diện cho bán dẫn và điện môi

2.2.1 Phân chia vật rắn theo mức năng lƣợng

Chỉ có những có những điện tử ở mức năng lượng nào lớn hơn mức Fermi thì mới chịu tác dụng và được gia tốc khi có mặt điện trường Đây là những điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện, chúng được gọi là những điện tử tự do

a Kim loại:

Để cho điện tử trở nên tự do, cần phải kích thích nó lên một trạng thái năng lượng cho phép và còn trống ở trên EF Đối với các kim loại có các cấu trúc vùng như trên Hình 2-4a hay 2-4b đã có sẵn các mức năng lượng trống nằm sát kề ngay

mức bị chiếm cao nhất tại EF Do vậy, chỉ cần một năng lượng rất nhỏ để đưa điện

tử lên các trạng thái trống nằm dưới như nêu trên (hình 1-4)

Hình 2.4: Sự chiếm các trạng thái điện tử trong kim loại (a) trước và (b) sau kích

thích điện tử

b Cách điện và bán dẫn:

Các chất cách điện và bán dẫn không có những trạng thái còn trống nằm kề ngay bên trên của vùng hóa trị đã đầy Do đó, để trở thành tự do, các điện tử phải được nâng mức vượt qua khe vùng năng lượng, nhảy vào trạng thái còn trống ở đáy vùng dẫn Điều này chỉ có thể xảy ra bằng cách cấp cho điện tử một năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai trạng thái đó, xấp xỉ bằng năng lượng khe Eg Thường năng lượng kích thích là từ nguồn phi điện như nhiệt hoặc ánh sáng

Hình 2.5 : Sự chiếm các trạng thái điện tử trong chất cách điện và chất bán dẫn (a)

trước và (b) sau một kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn

2.3 TƯƠNG TÁC CUẢ SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI VẬT RẮN

Khi sóng điện từ được truyền từ môi trường này sang môi trường khác, tuỳ

thuộc vào bản chất của môi trường truyền đến mà bức xạ điện từ có thể được truyền

qua môi trường, một phần bị hấp thụ và một phần bị phản xạ trên bề mặt phân cách

giữa hai môi trường Cường độ I0 của chùm bức xạ tới bề mặt môi trường rắn phải

bằng tổng cường độ của các chùm bức xạ truyền qua, hấp thụ và phản xạ tương ứng

là IT, IA, và IR, tức là:

I0 = IA + IT + IR (2.5)

0 0 0

I I

I A T R

(2.6) Nếu đặt

Theo định luật phản xạ Snell, một chùm sóng điện từ đập vào bề mặt vật rắn

bao giờ cũng phản xạ lại với quy luật hình học : góc tới θr bằng góc phản xạ θi

Hình 2.6 - Phản xạ hình học

Cường độ tia phản xạ thu được là tổng của thành phần phản xạ hình học IRhh

và thành phần phản xạ do bức xạ thứ phát IRTP

I  I I (2.8) Trong đó :

IRhh : là thành phần phản xạ hình học phụ thuộc vào trạng thái bề mặt và hình dạng hình học của mẫu Bề mặt của mẫu càng nhẵn, phẳng, bóng thì phản xạ càng mạnh Bề mặt nhấp nhô gồ ghề sẽ làm giảm phản xạ do các tia phản xạ bị giao thoa, cắt nhau

IRTP : là thành phần phản xạ do bức xạ thứ phát và thành phần này phụ thuộc vào bản chất của của vật liệu

Sự bức xạ thứ phát xảy ra khi nguyên tử trên bề mặt hấp thụ năng lượng hν>Ei+ 1 – Ei và do đó sẽ kích thích điện tử ở trạng thái cơ bản nhảy lên mức kích thích

Tại trạng thái kích thích điện tử tồn tại không lâu, gần như ngay lập tức nó nhảy về mức cơ bản và phát ra ( phát trở lại ) một sóng điện từ có cùng năng lượng

h nhưng ngược chiều với chùm tới – bức xạ thứ phát

Đồ thị năng lượng nguyên tử của nó có thể được biểu diễn như sau :

Hình 1.7: Sơ đồ sự hấp thụ photon

Hình 2.7 - Sơ đồ hấp thụ photon

Đối với kim loại gồm nhiều mức năng lượng trống tồn tại ngay tron dải hoá trị, nó nhận sự kích thích và chuyển dời electron bởi tất cả các sóng điện từ từ radio cho đến tia  Với các sóng điện từ tần số trong khoảng radio đến vùng giữa tử ngoại, kim loại hầu như là phản xạ với hiệu suất cao từ 0.9  0.95 Một phần năng lượng bị mất do chuyển thành nhiệt trong quá trính chuyển dời điện tử Đối với

những bức xạ có năng lượng photon rất lớn như tia X và tia  sẽ làm cho các điện tử

bị kích thích – chuyển dời và bị bứt ra khỏi nguyên tử, thậm chí tia X và tia  năng lượng cao > 1 MeV còn tương tác với trường điện từ của hạt nhân tạo ra e-

và e+, biểu hiện bằng khả năng đâm xuyên ( truyền qua) rất lớn

Theo đồ thị năng lượng nguyên tử (Hình 2.7) ta ta thấy rằng điện tử chỉ bị kích thích và chuyển dời khi năng lượng photon tối thiểu lớn hơn năng lượng hai mức kế tiếp gần nhất của điện tử :

h Ei + 1 - Ei (2.9)

Ei + 1 : mức năng lượng kề trên còn trống

Ei : mức năng lượng điện tử chiếm chỗ

Đối với chất bán dẫn và điện môi do cấu tạo vùng hoá trị được lấp đầy điện tử và phân cách với vùng dẫn bởi khe vùng (vùng cấm) nên tương tác của sóng điện từ với chúng phức tạp hơn

Nếu năng lượng photon lớn hơn năng lượng khe vùng thì mới có khả năng kích thích và chuyển dời điện tử nhảy lên vùng dẫn hoặc vùng kích thích

h > Eg hay (h c E g

 ) (2.10) Trường hợp này sự phản xạ sẽ gồm cả thành phần phản xạ hình học và phản

xạ thứ phát nếu thứ phát là một bước

Nếu h < Eg , các e- không bị sóng điện từ kích thích – chuyển dời, biểu hiện cho sóng điện từ truyền qua Trường hợp này phản xạ hoàn toàn thuần tuý phản xạ hình học Tuy nhiên nếu khe vùng có chứa một số mức tạp chất, điện tử có thể bị kích thích – chuyển dời và thứ phát nhiều bước

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy với min 0.4 m, max 0.7 m khi đó năng lượng cực đại và cực tiểu của photon ánh sáng là :

eV s m s c

Tóm lại cường độ phản xạ sóng điện từ là một hàm số phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, biên dạng hình học, năng lượng sóng điện từ(  hoặc ) và bản chất vật liệu

Đối với yếu tố phản xạ do hình dạng bề mặt:

 Bề mặt vật liệu nhẵn phẳng thì sóng điện từ phản xạ nhiều còn bề mặt gồ ghề nhấp nhô thì sóng điện từ phản xạ ít (tán xạ sóng điện từ) Vì thế để chống phản xạ sóng điện từ, bề mặt vật liệu cần được thiết kế và chế tạo dạng nhấp nhô nếu điều kiện cho phép

 Chống phản xạ bằng cách phủ một màng mỏng thích hợp: ứng dụng hiệu ứng giao thoa trên bản mỏng khi phủ một lớp phủ có chiết suất tuân theo công

thức nph = n dm và chiều dày lớp phủ thỏa mãn dph =

p

n

thì tia phản xạ sẽ

I



 = Rhh + RTP (2.14) Như đã nói trên Ihh phụ thuộc vào diện tích, hình dạng, góc tương tác và kích thước của mẫu ITP phụ thuộc vào bản chất điện từ của vật liệu ( ,  ) và năng lượng bức xạ điện từ ( h hoặc hc/)

Đối với ánh sáng, việc tính độ phản xạ R theo chiết suất của chất rắn phi kim loại như sau:

- Nếu ánh sáng tới đập vuông góc với mặt phẳng mẫu thì :

2

1 2

1 2

n n

R (2.15)

Trong đó n1, n2 là chiết suất của hai môi trường

- Nếu ánh sáng không vuông góc với bề mặt phân cách thì R sẽ phụ thuộc vào góc tới 

- Nếu môi trường thứ nhất là không khí hoặc chân không thì :

2.3.2 Hấp thụ sóng điện từ

Khi sóng điện từ tương tác với vật chất, một phần năng lượng của nó bị hấp thụ Ta thấy rằng hấp thụ sóng điện từ bao gồm hấp thụ thành phần sóng điện và hấp thụ thành phần sóng từ Sự hấp thụ sóng điện từ là sự chuyển đổi năng lượng của sóng điện từ thành các dạng năng lượng khác thông qua các hiệu ứng hấp thụ

2.3.2.1 Các hiệu ứng hấp thu và chuyển đổi thành phần sóng điện

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Khi ta đặt kim loại hay một vật dẫn điện vào trong một điện từ trường biến

thiên thì trong vật dẫn xuất hiện một dòng điện cảm ứng biến thiên với tần số f bằng

tần số biến thiên của sóng điện từ Dòng điện cảm ứng siêu cao tần chỉ xuất hiện trên bề mặt vật dẫn một lớp mỏng ∆ :

 Các hiệu ứng phân cực điện môi:

Khi đặt chất điện môi vào trường điện từ, trong chất điện môi sẽ xảy ra hiện tượng phân cực :

- Phân cực điện tử (f  1017Hz  10 18Hz)

- Phân cực ion (f  1013Hz  10 14Hz)

- Phân cực xoay hướng (f  106Hz  10 10Hz)

Sự phân cực phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ Mỗi kiểu phân cực xảy ra trong khoảng tần số xác định kèm theo sự giảm đột ngột hằng số điện môi Tổn hao dòng phân cực (hấp thụ năng lượng sóng điện từ) gây ra bởi sự làm đổi hướng đám mây điện tử, sự sắp xếp lại các ion và sự xoay hướng của các mômen lưỡng cực theo điện từ trường ngoài

Có điện trường Không có điện

Khi tần số sĩng điện từ vượt quá ngưỡng của một dạng phân cực nào đĩ, chẳng hạn với các lưỡng cực điện hoặc từ là 1013Hz Các lưỡng cực khơng kịp xoay theo chiều điện từ trường ngồi và do đĩ các lưỡng cực bị đứng yên và “rung lên”

Hiện tượng này làm sĩng điện từ bị mất năng lượng rất nhiều và chủ yếu là dưới dạng nhiệt

Khi chúng ta phân tán các kim loại trong chất điện mơi, thì ngồi hiệu ứng phân cực điện mơi, các hạt kim loại cịn tạo thành các lưỡng cực điện, quá trình xoay các lưỡng cực điện làm tăng độ hấp thụ của hệ chất điện mơi - hạt kim loại Hình 2.10 trình bày sự hình thành lưỡng cực điện trong hạt kim loại phân tán trong chất điện mơi

 Các hiệu ứng hấp thụ do kích thích – chuyển dời điện tử:

Khi điện tử nhận được năng lượng từ sóng điện từ có năng lượng lớn hơn năng lượng giữa hai mức kế tiếp sẽ kích thích điện tử chuyển dời lên mức năng lượng cao hơn

E = h >  E = Ei +1 - Ei (2.18)

- Với kim loại rất nhiều mức trống trong miền hoá trị với  E nhỏ chỉ cần sóng điện

từ có năng lượng nhỏ đã đủ để kích thích điện tử nhảy lên mức năng lượng cao hơn

- Với các chất bán dẫn và cách điện, năng lượng sóng điện từ cần phải có

E = h > Eg ( năng lượng vùng cấm) (2.19)

Trong quá trình bị kích thích chuyển dời, điện tử để lại lỗ trống và ngay sau đó lập tức lại nhảy trở về với trạng thái ban đầu và phát bức xạ điện từ (thứ phát) một cấp hoặc nhiều cấp

 Nếu thứ phát một cấp, tổn hao năng lượng điện từ do công chuyển dời điện

tử và dạng năng lượng tổn hao là nhiệt năng rất nhỏ Bức xạ thứ phát là tia phản xạ như Hình 2.11

 Nếu thứ phát nhiều cấp, sóng điện từ có thể bị thứ phát gồm nhiều sóng điện

từ thành phần với 1, 2 …khác  Bức xạ thứ phát có thể là photon ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy và phonon như Hình 2.12

Hình 2.10 - Sự hình thành

lưỡng cực điện trong hạt kim

loại phân tán trong chất điện

môi

Hình 2.11: Cơ chế hấp thụ photon của vật liệu phi kim loại (a)

và phát xạ photon (b)

Hình 2.12 : Cơ chế kích thích điện tử từ một mức tạp chất trong khe vùng hấp thụ

photon(a) và phát xạ hai photon (b) hoặc sản sinh một phonon hoặc một photon (c)

Chú ý rằng thứ phát cũng có thể do nhiều kích thích bởi các sóng điện từ khác nhau như Hình 2.13 Kết quả ngược lại với thứ phát nhiều bước, năng lượng photon thứ phát bằng tổng năng lượng các photon kích thích

E1 + E2 = h1 + h2 = h (2.20)

Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng bẩy điện tử Các điện tử bị kích thích bởi sóng điện từ có năng lượng h1 và nhảy lên một mức tạp chất nhận ( acceptor) Tại đây nếu không tác dụng thành phần sóng điện từ h2 thì điện tử sẽ ở tại đây Nếu tác dụng h2 ( ví dụ nhiệt) đủ kích thích điện tử ở mức nhận nhảy lên vùng kích thích ( sát chân vùng dẫn) thì ngay sau đó sẽ xảy ra sự giáng điện tử với việc phát ra bức xạ thứ cấp với năng lượng h

Hấp thụ do kích thích_ chuyển dời điện tử gắn liền với sự tái hợp điện tử_lỗ trống cùng với việc giải phóng ra năng lượng

Điện từ + lỗ trống = năng lượng

Năng lượng được giải phóng ra có thể là chùm bức xạ bức xạ thứ phát ngược chiều nhưng cùng tần số với bức xạ tới (phản xạ), cũng có thể gồm nhiều bức xạ thứ phát khác tần số vối sóng tới và luôn luôn có tổn hao dưới dạng nhiệt Thứ phát nhiều cấp cùng với việc phát ra các phôton ánh sáng là tiền đề cho một nhóm vật liệu hết sức quan trọng trong điện - điện tử đó là nhóm vật liệu quang - điện tử

2.3.2.2 Các hiệu ứng hấp thụ và chuyển đổi thành phần sóng từ

 Hiệu ứng xoay lưỡng cực từ

Hiện tượng sắp xếp lại các lưỡng cực từ trong chất sắt từ và pherit từ gọi là phân cực từ Cũng giống như vật liệu lưỡng cực điện, lưỡng cực từ ở hai đầu với các cực

từ Bắc (N) và Nam (S) Bản chất của lưỡng cực từ là do mômen spin điện tử quy định Cấu tạo của vật liệu từ bao gồm các đomen từ mà mỗi vùng đomen là một lưỡng cực từ được đặc trưng bằng mômen từ Mi (M=Mi)

M H

o : Độ thẩm từ của chân không Henry/met

và được gọi là sự phân cực từ như Hình 2.14

Hình 2.14: Sơ đồ sắp xếp các đomen từ theo từng giai đoạn từ hóa

Hiện tượng phân cực từ gây nên một số hậu quả:

- Gây tổn hao thành phần từ trường của sóng điện từ Các lưỡng cực từ khi xoay theo từ trường ngoài bị ma sát và làm vật liệu nóng lên

- Các vật liệu từ khác nhau khi bị từ hóa trong các dải tần sóng điện từ khác nhau là khác nhau Nói chung cho đến nay hoạt động của vật liệu từ chỉ giới hạn trong dải tần nhỏ hơn hoặc bằng 9GHz

Như vậy ở khoảng tần số sóng điện từ  9GHz, vật liệu từ sẽ hấp thụ năng lượng của sóng điện từ và chuyển thành nhiệt năng

 Hiệu ứng từ giảo

Dưới tác dụng của từ trường ngoài vật liệu thay đổi kích thước gọi là hiện tượng

từ giảo Cũng như hiện tượng điện giảo trình bày ở trên, hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các thiết bị siêu âm, loa, cảm biến…

Vật liệu từ giảo bao gồm các vật liệu như Ni, hợp kim FeAl14, CoFe, CoFe49V2…

 Độ hấp thụ

Thông thường độ hấp thụ A được tính gián tiếp thông qua độ truyền qua T và

độ phản xạ R Độ hấp thụ sóng điện từ được biểu diễn bằng công thức

IT=I0 exp (-.x) (2.23) Trong đó :

IT là cường độ tia truyền qua trong trường hợp không có phản xạ

I0 là cường độ tia tới

 là hệ số hấp thụ của chất

x là chiều dày vật liệu

Xác định độ truyền qua T cuả mẫu được tiến hành bằng cách cho chùm sóng điện từ truyền qua không khí và nhận ở thiết bị thu Io sau đó đặt mẫu và đo được IT Như vậy từ (2.23) khi biết T và chiều dày vật liệu có thể xác định được hệ số hấp thụ 

Khi đo được T và R bằng phương pháp đã nêu trên ta có thể tính được độ hấp thụ sóng điện từ của vật liệu theo (2.24)

A = 1 – T – R (2.24)

2.3.3 Truyền qua