Tài liệu Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát tính chất của một số vật liệu tổ hợp cấu trúc micro nano hấp thụ dải sóng tần số cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐỨC HUY NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC MICRO-NANO HẤP THỤ DẢI SÓNG TẦN SỐ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐỨC HUY NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC MICRO-NANO HẤP THỤ DẢI SÓNG TẦN SỐ CAO Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano Mã số: 8440126.01QTD LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Bùi Đình Tú 2. PGS.TS. Phạm Đức Thắng HÀ NỘI - 2020 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và lời cảm ơn sâu sắc nhất tới hai Thầy hướng dẫn: TS. Bùi Đình Tú (Khoa Vật lý kỹ thuật và PGS.TS Phạm Đức Thắng (Khoa Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội). Hai Thầy đã lan truyền cho tôi niềm đam mê học tập và nghiên cứu cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi có thể hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này. Hai Thầy không chỉ trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn khoa học mà còn cả phương pháp tư duy, cách làm việc có hệ thống, hiệu quả và cả cách đối nhân xử thế. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Nguyễn Đăng Cơ, người Thầy, người anh đã chỉ bảo tận tình và hướng dẫn tôi cách nghiên cứu, chỉ dạy các kỹ năng thực hành, thực nghiệm từ những ngày đầu tiên. Tôi cũng cảm ơn nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ rất nhiệt tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Ngoài ra, tôi cũng xin được trân trọng cảm ơn toàn thể các quý Thầy, Cô và các Anh, Chị công tác tại Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG HN đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho tôi những tư duy và nền tảng khoa học từ những kiến thức cơ bản đến chuyên sâu giúp tôi hoàn thành luận văn này. Đặc biệt muốn gửi những tình cảm yêu thương đến gia đình, bạn bè, những người thân luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi vượt qua mọi khó khăn, cổ vũ và động viên tôi hoàn thành luận văn này cũng như luôn ủng hộ tôi theo đuổi đam mê khoa học của mình. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày….tháng ….năm 2020 Học viên Trần Đức Huy Tóm tắt Các hệ vật liệu sắt điện Bi0,5 ( Na0,80 K0,20 )0,5 TiO3 , vật liệu từ Fe3O4 đã được tổng hợp lần lượt bằng phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa. Cấu trúc tinh thể, hình thái và tính chất điện từ của vật liệu nano BNKT và BNKT-xFe3O4 đã được nghiên cứu. Tính chất hấp thụ sóng điện từ của hệ vật liệu tổ hợp BNKT-xFe3O4/Cellwax đã được khảo sát trong dải tần số từ 2-18 GHz. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ Reflection Loss (RL) vào tần số (f) của hệ vật liệu sắt điện có độ dày (d) thay đổi được chỉ ra. Đường hấp thụ RL xuất hiện đỉnh hấp thụ khá rõ với giá trị RL đạt cực đại tại -21.68 dB tương ứng với độ hấp thụ sóng điện từ trên 99% tại tần số 13.67 GHz của mẫu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 độ dày x=3.2 mm được xác nhận gây ra bởi cơ chế Phù hợp trở kháng (Z matching). Với sự tham gia của hệ hạt nano từ trong cấu trúc vật liệu, độ tổn hao phản xạ RL được xác định xảy ra trên cơ chế kết hợp tổn hao từ tính và tổn hao điện môi, độ tổn hao phản xạ toàn phần RL đạt giá trị cực đại đạt -7,13 dB tại độ dày x=2.6. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho hệ hạt BNKT ứng dụng trong hấp thụ sóng điện từ tần số cao. Từ khóa: Vật liệu tổ hợp, BNKT-Fe3O4, hấp thụ sóng điện từ. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Đình Tú và PGS.TS Phạm Đức Thắng cũng như sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu. Các kết quả trình bày trong luận văn này là do tôi thực hiện và chưa từng được công bố dưới tất cả các hình thức ngoại trừ các công bố đứng tên của tôi. Các thông tin, tài liệu tham khảo từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê vào danh mục các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam đoan này. Học viên thực hiện Trần Đức Huy Mục Lục CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 1.1. Sóng điện từ và ứng dụng ......................................................................................... 3 1.2. Cơ sở lý thuyết của sóng điện từ .............................................................................. 5 Sự tán xạ và phản xạ .......................................................................................... 5 Các kỹ thuật khử phản xạ .................................................................................. 7 1.3. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ ............................................................................... 9 Cơ chế tổn hao điện môi .................................................................................. 10 Cơ chế tổn hao từ ............................................................................................. 12 Cơ chế tổn hao xoáy ........................................................................................ 14 Ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt......................................................... 14 1.4. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ .................................................................................. 16 1.5. Vật liệu điện BNKT và vật liệu từ Fe3O4 ............................................................... 19 BNKT .............................................................................................................. 19 Fe3O4 ................................................................................................................ 22 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 24 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................. 25 2.1. Chế tạo vật liệu ....................................................................................................... 25 Vật liệu BNKT ................................................................................................ 25 Chế tạo vật liệu Fe3O4 ..................................................................................... 29 Chế tạo vật liệu tổ hợp BNKT-xFe3O4/Cellxax .............................................. 30 2.2. Các kỹ thuật khảo sát .............................................................................................. 30 Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.......................... 30 Khảo sát hình thái học bề mặt ......................................................................... 32 Phương pháp đo phổ sắc tán năng lượng......................................................... 33 Phương pháp đo đường cong từ trễ (M-H) ...................................................... 34 Khảo sát độ tổn hao phản xạ RL ..................................................................... 35 2.3. Phương pháp mô phỏng .......................................................................................... 38 Xây dựng chương trình tính toán độ hấp thụ RL ............................................ 38 Thiết kế giao diện và chạy chương trình tính toán hệ số hấp thụ RL ............. 40 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 42 3.1. Đặc trưng cấu trúc và thành phần của vật liệu BNKT ........................................... 42 3.2. Đặc trưng và tính chất từ Fe3O4 .............................................................................. 44 3.3. Tính chất hấp thụ sóng điện từ của hệ hạt BNKT50_Cellwax50 ........................... 46 3.4. Tính chất hấp thụ BNKT-Fe3O4/Cellwax tỉ lệ 25:25:50 ........................................ 52 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 55 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 56 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số. ........................................................... 10 Hình 1.4 Một mẫu magnetit tại bán đảo Kola, Nga, các tinh thể bát diện màu đen kim loại, có kích thước lên đến 2,7 cm [29]. .................................................................................... 22 Hình 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu BNKT bằng phương pháp quay phủ sol-gel [4]... 25 Hình 2.2. Quy trình chế tạo sol BNKT ............................................................................. 26 Hình 2.3. Chế tạo tiền chất Bi ........................................................................................... 27 Hình 2.4. Chế tạo tiền chất Ti ........................................................................................... 27 Hình 2.5. Chế tạo tiền chất Na, K ..................................................................................... 28 Hình 2.6. Chế tạo tiền chất BNKT.................................................................................... 28 Hình 2.7. Quy trình tổng hợp vật liệu Fe3O4 .................................................................... 29 ........................................................................................................................................... 33 Hình 2.8. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM ............................................................ 33 Hình 2.9. Máy FE-SEM Hitachi S-4800 tại Viện Khoa học vật liệu ............................... 34 Hình 2.10. Cấu tạo và kết quả đo của thiết bị VSM ......................................................... 34 Hình 2.11. Quy trình tạo mẫu đo vòng xuyến để đo EMW từ nguyên liệu ban đầu ........ 35 Hình 2.12. Hình ảnh và sơ đồ lắp đặt phép đo phản xạ và truyền qua với hệ đo Agilent PNA Network analyser ...................................................................................................... 36 Hình 2.13. Mô hình sóng phản xạ tại các bề mặt của một mẫu hấp thụ ........................... 37 Hình 2.14. Phần mềm mô phỏng Matlab R2018a............................................................. 40 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu gốm BNKT............................................... 42 Hình 3.2. Ảnh SEM của hệ hạt BNKT ............................................................................. 43 Hình 3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu BNKT. ................................................. 44 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4 ..................................................................... 44 Hình 3.5. Ảnh SEM của hạt nano từ Fe3O4. ..................................................................... 45 Hình 3.6. Đường cong từ hóa của vật liệu từ Fe3O4 ......................................................... 46 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của mẫu vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 với các độ dày khác nhau. ........................................................................................................ 47 Hình 3.8. Biến thiên phần thực ɛ’ và phần ảo ɛ’’ của điện môi vào tần số của vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 tương ứng ............................................................................... 49 Hình 3.9. Biến thiên phần thực µ’ và phần ảo µ’’ của độ thẩm từ vào tần số của vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 tương ứng ............................................................................... 50 Hình 3.10. Độ tổn hao điện môi và độ tổn hao từ theo tần số của hệ vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 tương ứng. ........................................................................................................ 51 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Zo| vào tần số của hệ vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 .................................................................................................................................. 51 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của hệ vật liệu BNKT-Fe3O4/Cellwax tỉ lệ 25:25:50 với các độ dày khác nhau. .................................................................................. 52 Hình 3.13. Độ tổn hao điện môi và độ tổn hao từ theo tần số của hệ vật liệu BNKTFe3O4/Cellwax ................................................................................................................... 54 Hình 3.14. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Zo| và tần số của hệ vật liệu BNKT-Fe3O4/Cellwax tỉ lệ 25:25:50 ...................................................................................................................... 54 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các dải tần số sóng điện từ và ứng dụng tương ứng [13] ................................... 4 Bảng 1.2. Mối quan hệ giữa hệ số mất phản xạ và năng lượng hấp thụ [28] .................... 15 Bảng 2.1. Hóa chất được sử dụng để chế tạo sol BNKT ................................................... 26 Bảng 2.2. Vật liệu tổ hợp BNKT/Cellwax và BNKT-xFe3O4/Cellwax với độ dày và tỉ lệ tương ứng ........................................................................................................................... 30 Bảng 3.1. Mối tương quan giữa độ dày, tần số và độ hấp thụ phản xạ của vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50................................................................................................. 48 Bảng 3.2 Mối tương quan giữa độ dày, tần số và độ hấp thụ phản xạ tương ứng của vật liệu gốm BNKT-Fe3O4/Cellwax ............................................................................................... 53 DANH MỤC VÀ KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT MAM Ms Vật liệu hấp thụ sóng vi ba (Microwave Absorbing Material) Từ độ bão hòa EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-Ray) RAM Vật liệu hấp thụ sóng Radar (Radar Absorbing Material) RL Độ tổn hao phản xạ (Reflection Loss) SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope) XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray difraction) VSM Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer) Z Trở kháng (Impedance) MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sóng điện từ trong dải tần số GHz đã và đang trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển càng nhiều của các thiết bị điện tử trên các phương tiện quân sự và viễn thông [1]. Cùng với đó, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của sóng điện từ đang trở nên cấp thiết hơn. Vì vậy, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, vật liệu hấp thụ sóng điện từ dải tần số radar được đặc biệt quan tâm vì có ứng dụng đa dạng và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ăng-ten truyền sóng, chống nhiễu điện từ cho các thiết bị điện tử hoặc tổ hợp các thiết bị điện từ di động, che chắn sóng điện từ trong an toàn bức xạ và y tế, bảo vệ sức khỏe con người cũng như các đối tượng sinh học khác khỏi tác động không mong muốn của sóng điện từ. Trong quân sự, vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong dải tần 8-12 GHz là yếu tố cốt lõi của công nghệ tàng hình cho các phương tiện chiến đấu. Ngay tại các quốc gia đang phát triển, việc nghiên cứu vật liệu RAM ngày càng trở nên cấp bách và phải đẩy nhanh quá trình đưa các vật liệu vào trong các ứng dụng thực tế. Một số các quốc gia đã chế tạo thành công và sử dụng sơn tàng hình radar cho các phương tiện chiến đấu của họ ở các phương diện trên không và trên biển [2]. Các nghiên cứu về vật liệu sóng điện tử chủ yếu được thực hiện theo 3 hướng chính: hoàn thiện khả năng chống phản xạ, tăng cường khả năng hấp thụ và mở rộng vùng tần số hoạt động. Trong đó, sự hấp thụ đồng thời hai thành phần năng lượng điện trường và năng lượng từ trường được hi vọng sẽ làm giảm gia tăng tổn hao và do đó tăng hiệu suất hấp thụ điện từ của vật liệu. Công nghệ nano ra đời mở ra một hướng phát triển mới cho các nghiên cứu về RAM do bên cạnh các tính chất khác biệt thì vật liệu cấu trúc nano còn có khả năng hấp thụ mạnh hơn sóng điện từ so với các vật liệu cùng loại ở dạng khối. Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng. Khi kích thước hạt giảm xuống đến giới hạn nano, các hiệu ứng bề mặt đóng góp chủ yếu vào sự thay đổi tính chất đặc trưng của vật liệu. Mặt khác, vật liệu nano còn có hoạt tính cao, dễ phân tán và do đó thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng [25]. Chính vì những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là “nghiên cứu, chế tạo và khảo sát tính chất của một số vật liệu tổ hợp cấu trúc micro-nano hấp thụ dải sóng tần số cao”. 1 Mục tiêu của luận văn: 1. Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của vật liệu sắt điện BNKT, vật liệu từ Fe3O4 và vật liệu tổ hợp composite BNKT-Fe3O4 2. Xây dựng chương trình mô phỏng và khảo sát tính chất hấp thụ sóng điện từ dải tần 8-12GHz của vật liệu BNKT-Fe3O4 Đối tượng nghiên cứu của luận văn Vật liệu sắt điện BNKT vật liệu từ Fe3O4 và vật liệu tổ hợp BNKT/Fe3O4 với tỉ lệ thành phần khác nhau. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm để chế tạo, khảo sát các tính chất của các hệ vật liệu, kết hợp với tính toán lý thuyết thông qua phần mềm mô phỏng. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, danh mục bảng biểu hình vẽ, ký hiệu viết tắt và kết luận, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Trình bày tổng quan về sóng điện từ, các cơ chế hấp thụ sóng điện từ, vật liệu hấp thụ sóng điện từ và các đặc trưng của vật liệu nghiên cứu Chương 2: Trình bày các phương pháp chế tạo vật tổ hợp BNKT-xFe3O4, các kỹ thuật thực nghiệm dùng để khảo sát các tính chất của vật liệu chế tạo. Phương pháp mô phỏng để tính toán độ tổn hao hấp thụ của vật liệu sử dụng phần mềm Mathlab cũng được trình bày. Chương 3: Trình bày các kết quả phân tích cấu trúc, các kết quả khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu tổ hợp đã chế tạo trong dải tần từ 2-18 GHz. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Sóng điện từ và ứng dụng Các ứng dụng của sóng điện từ đang ngày càng được mở rộng từ dải bước sóng từ vài cen-ti-met đến vài mét. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng trong dải tần số cao cỡ GHz và bước sóng ngắn dải mm càng trở nên thuận lợi. Một đặc điểm quan trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuất hiện hiện tượng chồng chất sóng điện từ. Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đến sự tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau. Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trong các kỹ thuật phát thanh truyền hình và thông tin liên lạc không dây [8]. Mặt khác, nhiễu điện từ không mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũng đang trở thành một vấn đề thách thức trong các ứng dụng thực tế. Tương tác của các sóng điện từ truyền từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũng như sự sai lệch thông tin trong truyền tải dữ liệu. Để khắc phục tình trạng này, việc sử dụng các cấu trúc che chắn hoặc các vật liệu hấp thụ sóng điện từ là một giải pháp. Sóng điện về cơ bản từ là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian theo thời gian. Sóng điện từ lan có thể truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí và chân không, là sóng duy nhất lan truyền được trong chân không. Sóng điện từ là sóng ngang, là sự lan truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cường độ điện trường và cường độ từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng. Tốc độ lan truyền sóng điện từ trong chân không là lớn nhất và bằng c = 3.108 m/s. Dao động của điện trường và từ trường tại một vị trí luôn luôn đồng pha với nhau. Sóng điện từ cũng có các tính chất của sóng cơ như: Phản xạ, khúc xạ, giao thoa, ... Và cũng tuân theo các quy luật truyền thẳng, giao thoa, khúc xạ. Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng của hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Bước sóng càng dài có nghĩa là năng lượng photon càng nhỏ. Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài ki-lo-met được dùng trong thông tin liên lạc được gọi là sóng vô tuyến, các thiết bị điện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất và độ chính xác cao hơn so với các thiết bị sử dụng kỹ thuật tần số thấp thông thường [10]. Hơn nữa, tần số cộng hưởng của rất nhiều các nguyên tử, phân tử và hạt nhân nằm trong vùng tần số sóng điện từ. Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng điện từ trong các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật khác nhau như cảm biến từ xa, chẩn đoán trong y học,... Mặt khác, sóng điện từ không bị uốn cong bởi tầng điện ly, do đó 3 trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc giữa các vệ tinh được truyền tải bằng sóng điện từ. Bảng 1.1. Các dải tần số sóng điện từ và ứng dụng tương ứng [13] Tên dải Tần số Ứng dụng điển hình UHF 300-1000 MHz Hệ thống giám sát tầm rất xa L 1-2 GHz Hệ thống giám sát tầm xa S 2-4 GHz C 4-8 GHz X 8-12 GHz Ku 12-18 GHz Kiểm soát lưu lượng thiết bị đầu cuối Hệ thống giám sát tầm trung Hệ thống theo dõi tầm xa Radar dự báo thời tiết Hệ thống theo dõi tầm ngắn Điều khiển tên lửa Lập bản đồ, hệ thống radar hàng hải Rào chắn trên không Đo độ cao vệ tinh K 18-27 GHz Hấp thụ hơi nước (ít sử dụng) Ka 27-40 GHz Milimet 40-100 GHz Lập bản đồ với độ phân giải rất cao Hệ thống giám sát sân bay Thực nghiệm Ngoài ra, sóng điện từ được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hàng ngày như hệ thống radar kiểm soát không lưu, radar theo dõi tên lửa, radar điểu khiển hỏa lực, radar dự báo thời tiết, các mạng lưới truyền thông đường dài và thông tin liên lạc trong quân sự. Tùy theo các ứng dụng đưa ra bởi tiêu chuẩn IEEE 521-2002, vùng tần số điện từ được phân tách thành các dải tần số khác nhau và được biểu diễn trong bảng 1. 4 1.2. Cơ sở lý thuyết của sóng điện từ Sự tán xạ và phản xạ Tán xạ là quá trình phân tán năng lượng và phương truyền sóng của điện từ (Electromagnetic-EM) khi truyền tới vật liệu. Khi đó, một phần năng lượng của sóng điện bị phân tán (hoặc phản xạ), thay đổi hướng, pha hoặc thay đổi bước sóng so với sóng tới. Nguyên nhân được giải thích bởi sự tương tác giữa sóng điện từ với các điện tử và ion trong vật liệu. Trường tán xạ được xác định bởi các thông số đặc trưng như hệ số điện thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật thể và kích thước sóng tới. Xét trường hợp tần số vô tuyến, kim loại coi như một vật dẫn hoàn hảo và có rất nhiều các điện tử tự do, các điện từ này dễ dàng bị kích ứng và tạo cộng hưởng với tần số của sóng tới và tạo ra một trường điện từ mới (trường tán xạ) có cùng tần số, biên độ với sóng tới. Kim loại không những phản xạ hoàn hảo các sóng có tần số nằm trong vùng khả kiến mà còn phản xạ rất tốt sóng điện từ, điều này có thể được hiểu rằng kim loại gần như không tiêu hao năng lượng của sóng tới. Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng không chứa các điện tử tự do nên không xảy ra sự truyền dao động từ điện tử này sang điện tử khác bên trong cấu trúc vật liệu. Tuy nhiên, hiện tượng cộng sinh vẫn có thể xảy ra trong trường hợp sóng điện từ tương tác với mô-men spin hoặc mô-men lưỡng cực của các ion vào nguyên tử trong vật liệu. Đây là nguyên nhân chính cho các hiện tượng tổn hao từ và tổn hao điện môi được khai thác chủ yếu trong các vật liệu hấp thụ sóng điện từ [13]. Sóng điện từ bị phản xạ tạo mặt phân cách giữa 2 môi trường có trở kháng khác nhau, các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải phương trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt phân cách giữa 2 môi trường qua biểu thức về chiết suất [27]: n = r  r (1.1) Trong đó n là chiết suất của vật liệu và  r ,  r lần lượt là độ thẩm điện và độ thẩm từ tương đối, cả hai đại lượng này đều là số phức và có biểu thức lần lượt như sau:  r =  'r − i ''r (1.2) r =  'r − i  ''r (1.3) Trở kháng nội (Z) của môi trường được xác định bằng biểu thức: 5 r r Z= (1.4) Như vậy các biểu thức tính chỉ số khúc xạ và trở kháng đều chứa cả hai thành phần điện và từ. Từ phương trình vật lý mô tả quá trình phản xạ sóng khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường, các điều kiện phản xạ tối thiểu được xem xét và đưa ra. Đầu tiên, xét biểu thức mô tả hệ số phản xạ của sóng điện từ tại bề mặt phân cách: =  −  0 z − z0 =  +  0 z + z0 (1.5) Trong đó  là hệ số phản xạ;  , 0 lần lượt là các đại lượng đặc trưng cho môi trường truyền sóng tới (trường hợp này là không khí) và vật liệu. Ở đây,  có thể thay thế bằng đại lượng Z = 1 , gọi là trở kháng nội của vật liệu. Hệ số phản xạ giảm về 0 khi  = 0 ,  nói cách khác, vật liệu này phải có trở kháng phù hợp với trở kháng của môi trường sóng tới. Trở kháng nội của mô trường chân không được xác định bởi phương trình: → Z0 = E → = H → 0  377Ohms 0 (1.6) → Trong đó E , H là véc-tơ điện trường và từ trường của sóng điện từ, 0 và  0 là độ từ thẩm và điện thẩm của môi trường chân không Mặt khác, hiện tượng phù hợp trở kháng lý tưởng cũng có thể xảy ra khi vật liệu có độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau. Đây chính là điều kiện thứ hai để thu được sự phản xạ tối thiểu. Trong trường hợp này phương trình (1.1) được viết lại như sau: Z = Z Zo Z0 −1 (1.7) +1 r Z = Zo r (1.8) 6 Trong đó  r =  ' − i ''  ' − i ''  = , r là các thành phần của độ điện thẩm và độ từ thẩm o o phức. Theo (1.8), nếu môi trường tới không gian tự do, thành phần thực và ảo của độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau, tương ứng  r = r , khi do hệ số phản xạ bằng không, ta không quan sát thấy thành phần phản xạ trở lại môi trường tới của sóng điện từ. Điều kiên thứ ba, trường hợp đặc biệt xảy ra khi vật liệu hấp thụ được phủ lên đế kim loại. Ta thấy, có sự tổn hao sóng điện từ khi truyền trong môi trường hấp thụ. Công suất tổn hao của sóng tỉ lệ với độ dày truyền sóng (d) theo hàm số e − d ,  là hệ số tổn hao của vật liệu và được tính bởi biểu thức sau: 1 2 1 a b  = −  o o  (a 2 + b 2 ) 4 sin( ) tan −1 (− ) (1.9) Trong đó a = ( r' r' −  r'' r'' ) và b = ( r' r'' −  r'' r' ) . Để công suất tổn hao lớn trong khi độ dày nhỏ thì  phải lớn, có nghĩa  ' ,  '' ,  ' ,  '' phải lớn. Lưu ý rằng điều kiện này phải phù hợp với điều kiện đầu tiên (phương trình 1.1). Ở đây, giá trị của độ từ thẩm và điện thẩm lớn thì làm tăng khả năng khử phản xạ. Cuối cùng, để thu được hệ số phản xạ bằng không, sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu hấp thụ phải tự triệt tiêu lẫn nhau, tức là chúng ngược pha với nhau. Đây chính là điều kiện phối hợp pha hay điều kiện phối hợp một phần tư bước sóng. Điều này chỉ xảy ra khi độ dày lớp vật liệu hấp thụ thỏa mãn điều kiện d = (2n + 1)c/ (4f  r r ),n = 0,1,2,... Các kỹ thuật khử phản xạ Có bốn kỹ thuật cơ bản để giảm thiểu thành phần phản xạ khi có sóng điện từ chiếu tới bề mặt của một vật thể, đó là: khử phản xạ chủ động, khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng, khử phản xạ sử dụng vật liệu hấp thụ, khử phản xạ bị động. Trong đó, hai kỹ thuật thường được sử dụng nhiều nhất là khử phản xạ bằng cấu trúc, hình dạng và sử dụng vật liệu hấp thụ [4]. a, Khử phản xạ chủ động Trong kỹ thuật khử phản xạ chủ động, ta sử dụng máy phát sóng điện từ cao tần (làm bằng các vật liệu áp điện đặc biệt, ví dụ như thạch anh, khi đặt trong một điện trường ngoài chúng sẽ dao động cơ học ở tần số cao) gắn trên bề mặt vật thể, phát ra sóng có tần số bằng 7 tần số sóng chiếu tới nhưng ngược pha. Khi hai sóng này gặp nhau sẽ giao thoa và triệt tiêu lẫn nhau. Theo đó, có thể dùng những máy phát radar gắn sẵn trên vật thể rồi phát ra sóng có tần số đúng bằng tần số của sóng radar chiếu tới để triệt tiêu sóng radar tới, nhưng điều này rất khó thực hiện và gần như không khả thi. b, Khử phản xạ bị động Giống như trong quang học, ánh sáng chỉ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau, sóng điện từ chỉ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường vật chất có trở kháng khác nhau. Hệ số phản xạ được tính theo công thức: =  − 0 và Z r = Zo r /  r  + 0 (1.10) Trong đó: Z r là trở kháng của vật liệu Z o là trở kháng của môi trường truyền sóng  r là độ thẩm từ tương đối  r là độ điện thẩm tương đối Từ công thức (1.10) ta thấy, nếu sử dụng các vật liệu có cùng trở kháng với môi trường truyền sóng ( thường là môi trường không khí ), Z r = Z o ≈ 377Ω, về nguyên tắc sẽ không có phản xạ sóng điện từ. Ðiều kiện này cũng có thể đạt được bằng phương pháp phối hợp trở kháng đơn lớp khi vật liệu hấp thụ có  r =  r . Hoặc thiết kế độ dày lớp hấp thụ d = (2 n + 1)   r r để thỏa mãn điều kiện sóng tới và sóng phản xạ ngược pha và triệt tiêu 4 lẫn nhau. c, Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng Trong kỹ thuật khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng dựa theo nguyên tắc sóng điện từ bị phản xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau Z 0  Z r . Việc giảm sự khác biệt trở kháng tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường (môi trường truyền sóng và môi trường vật liệu) sẽ làm giảm hiện tượng phản xạ này. Ðể giảm sự khác biệt trở kháng giữa các môi trường nói trên, ta có thể sử dụng cấu trúc đa lớp được tạo thành bằng cách ghép 8 các lớp chống phản xạ có các giá trị trở kháng Z r khác nhau. Ngoài ra, việc thiết kế các vật thể gồm các mặt phẳng sao cho có thể làm lệch các tia phản xạ không theo hướng của sóng tới hoặc sóng tới có thể bị phản xạ nhiều lần trên các mặt phẳng của vật thể (cấu trúc dạng kim tự tháp, cấu trúc có nhiều góc cạnh) d, Khử phản xạ bằng vật liệu hấp thụ Với nguyên tắc chung là hấp thụ và chuyển hóa năng lượng sóng điện từ thành năng lượng nhiệt. Ðể khử phản xạ, ta sử dụng các tấm vật liệu hấp thụ gắn trên bề mặt vật thể nhằm hấp thụ năng lượng sóng điện từ và chuyển hóa thành năng lượng nhiệt thông qua các cơ chế tổn hao [3]. Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo nhiều cơ chế khác nhau nhưng trong thực tế vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói chung, vật liệu hấp thụ sóng radar chỉ được cấu thành từ 3 vật liệu cơ bản đó là vật liệu dẫn, vật liệu điện môi và vật liệu từ tính. Vì vậy, các cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu cũng sẽ được trình bày trên cơ sở các cơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trên và được chúng tôi giới thiệu cụ thể trong phần dưới đây. 1.3. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ Vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ theo các cơ chế khác nhau dựa trên đặc tính của từng loại vật liệu. Thực tế, đa phần các vật liệu hấp thụ sóng điện từ được thiết kế dựa trên các cơ chế hấp thụ cơ bản: tổn hao xoáy, tổn hao điện môi và tổn hao từ [14]. Tổn hao dòng xoáy (dòng Foucault) là cơ chế hấp thụ cơ bản của vật liệu dẫn điện. Ðiện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng [7]. Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ bởi tính phân cực ở tần số cao của các dipole lưỡng cực điện. Do đó năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt, hiện tượng này được gọi là hiện tượng đốt nóng điện môi (dielectric heating). Ðây cũng là nguyên lý hoạt động của lò vi sóng [9]. Hiện tượng đốt nóng từ (magnetic heating) cũng xảy ra tương tự với đốt nóng điện môi khi vật liệu từ được đặt trong môi trường sóng điện từ: các mô-men spin bị phân cực ở tần dải số cao, gây tổn hao và chuyển háo thành nhiệt. Với hai loại vật liệu từ và điện môi, giả sử  0 là thời gian hồi phục vi mô (thời gian cần thiết cho việc đảo chiều của vector phân 9