Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng ghz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9.44.01.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Vũ Đình Lãm Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Vũ Đình Lãm. 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 ĐINH HỒNG TIỆP LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới GS. TS. Vũ Đình Lãm, Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học nghiên cứu sinh và công bố các công trình khoa học để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến và TS. Bùi Sơn Tùng đã luôn động viên và trao đổi nhiều ý tưởng khoa học mới cho các công bố của luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của các thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa (tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Hiền và TS. Đặng Hồng Lưu. Tôi xin được bày tỏ sự yêu mến và lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô, anh, chị đang công tác tại Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã luôn tạo điều kiện và động viên 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 môi trường khoa học chuyên nghiệp, cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và học tập. Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình đã luôn tin tưởng và là nguồn động lực to lớn để tôi hoàn thành luận án này. NGHIÊN CỨU SINH ĐINH HỒNG TIỆP MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 6 1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng ............................ 6 1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng .............................................................. 11 1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa ............................................. 13 1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện .................................................................... 13 1.3.2. Cấu trúc cộng hưởng từ ........................................................................ 16 1.4. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với môi trường .................. 19 1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ..................................................... 21 1.6. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải rộng .................... 30 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 37 2.1. Phương pháp quang khắc ......................................................................... 37 2.2. Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 40 2.3. Phương pháp đo đạc ................................................................................. 41 2.4. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng ............................ 44 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH ..................................... 46 3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục ...... 46 3.2. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín ...................... 53 3.3. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép ............... 59 3.4. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X .. 66 3.5. Kết luận .................................................................................................... 70 CHƯƠNG 4. MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH TÍCH HỢP POLYMER DẪN ...................................................................... 71 4.1. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích hợp vật liệu polymer dẫn ................................................................................................................... 71 4.2. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay thế hoàn toàn cấu trúc kim loại bởi vật liệu polymer dẫn ................................................................... 79 4.3. Kết luận .................................................................................................... 82 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 83 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................................... 85 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Broadband Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dải rộng BW Bandwidth Băng thông BSA Bovine Serum Albumin Protein albumin Bò CW Cut-wire Dây bị cắt CWP Cut-wire pair Cặp dây bị cắt CST Computer simulation technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính EMT Effective Medium Theory Lý thuyết môi trường hiệu dụng EIT Electromagnetically induced transparency Trong suốt cảm ứng điện từ Frequency bandwidth Băng thông tần số Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn GMR Guided-mode resonance Cộng hưởng dẫn sóng MM Metamaterial Vật liệu biến hóa MPA Metamaterial perfect absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ PCB Photolithography Circuit Board Phương pháp quang khắc mạch in RD Ring Disk Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín SRR Split-ring resonator Vòng cộng hưởng có rãnh SRD Split Ring Disk Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng có rãnh VNA Vector Network Analyzer Hệ phân tích mạng vector WPT Wireless Power Transfer Dẫn truyền năng lượng không dây BMPA FBW FIT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đồng thời µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa. Hình 1.2. (A)-(C) Các mô hình cấu trúc ô cơ sở khác nhau cấu tạo từ kim loại – điện môi của vật liệu biến hóa [47]. Hình 1.3. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần số dao động riêng của phân tử. (b) Phổ truyền qua chuẩn hóa thực nghiệm ứng với lớp phân tử BSA siêu mỏng được phủ trên MM và trên đế sapphire [21]. Hình 1.4. (a) bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs. (b) So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số. Chi 7 Hình 1.5. (Bên trái) Sự tương tự giữa môi trường đồng nhất của vật liệu tự nhiên được tạo thành từ các nguyên tử và (Bên phải) vật liệu biến hóa được cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng. Hình 1.6. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và khoảng cách giữa các dây là a. (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số. Độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 S/m [62]. Hình 1.7. (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR); (b) cấu trúc dây kim loại bị cắt, và định hướng của điện trường ngoài. (c) Mô hình mạch điện LC tương đương và (d) đường đặc trưng của phần thực (ε′) và phần ảo (ε′′) của độ từ thẩm hiệu dụng. Hình 1.8. (Bên trái) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µeff < 0 và (Bên phải) đường tán sắc của độ từ thẩm [45]. Hình 1.9. (a) Cấu trúc SRR kép và phân cực của sóng điện từ. (b) Sự biến đổi từ cấu trúc SRR thành cấu trúc CWP [66]. Hình 1.10. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (b) mô hình mạch LC tổng quát cho một ô cơ sở của cấu trúc CWP. Mô hình mạch điện dao động trong trường hợp (c) cộng hưởng từ và (d) cộng hưởng điện [67]. Hình 1.11. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hoàn hảo của vật liệu biến hóa với môi trường hoạt động Hình 1.12. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA đỉnh kép gồm các vòng cộng hưởng liên kết với nhau và (b) mạch điện dao động tương đương. Thông số cấu trúc a=7,2, r=2,89, w=0,2, g=0,14 và l=0,4 mm. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng giải thích cơ chế của hấp thụ đỉnh kép và (d) tính toán trở kháng hiệu dụng của MPA [71]. 12 tiết về các tham số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể được tham khảo trong tài liệu [51]. 8 9 10 14 15 16 17 19 20 23 Hình 1.13. Minh họa sự biến đổi của cấu trúc. (Từ trái sang phải) CWP hình vuông, CWP hình bát giác và CWP hình kim cương thu được bằng cách giảm dần tham số hình dạng m [32]. Hình 1.14. Phổ truyền qua, phổ phản xạ, phổ hấp thụ, phần thực của độ điện thẩm và phần thực của độ từ thẩm ứng với CWP hình vuông [32]. Hình 1.15. Phổ hấp thụ ứng với các trường hợp CWP hình vuông (m = 6 mm), CWP hình bát giác (m = 4 mm và m = 2 mm) và CWP hình kim cương (m = 0 mm) [32]. Hình 1.16. Phổ hấp thụ (Absorption), phần ảo của độ điện thẩm và phần ảo của độ từ thẩm của CWP hình kim cương [32]. Hình 1.17. (a) Ô cơ sở của MPA được đề xuất bởi Landy và (b) sự phân bố tổn hao Ohmic và tổn hao điện môi tại tần số cộng hưởng trong vùng tần số GHz [16]. Hình 1.18. (a) Mô hình cấu trúc ô cơ sở MPA đa lớp graphene/MgF2/Au trên đế Silica. (b) Sự thay đổi nhiệt độ của lớp Au (đường màu xanh dương) và của lớp điện môi MgF2 (đường màu xanh lá cây). (c) Sự phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cấu trúc trong khoảng thời gian 4.6ns [77]. Hình 1.19. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo tương ứng của MPA đỉnh kép sử dụng cấu trúc cộng hưởng tích hợp với tụ điện. Phổ hấp thụ (b) mô phỏng và (d) mô thực nghiệm [90]. Hình 1.20. (a) Thiết kế ô cơ sở của MPA và (b) ảnh mẫu chế tạo. Phổ hấp thụ (c) mô phỏng và (d) thực nghiệm của MPA phụ thuộc vào độ dịch chuyển (từ vị trí trung tâm ô cơ sở) của thành phần hình vuông [91]. 24 25 26 27 29 29 30 31 Hình 1.21. Cấu trúc ô cơ sở của MPA 4 đỉnh (bên trái) và mẫu chế tạo bằng 32 phương pháp quang khắc (bên phải) [78]. Hình 1.22. (a) Kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm phổ hấp thụ bốn 33 đỉnh của vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối theo sự phân cực sóng điện từ [78]. Hình 1.23. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ bốn đỉnh theo góc tới trong trường 33 hợp (a) phân cực TE và (b) phân cực TM của sóng tới. (b) Phổ hấp thụ sóng điện từ thực nghiệm trong trường hợp phân cực TE của sóng điện từ [78]. Hình 1.24. (bên trái) (a)-(b) Thiết kế cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo của 34 MPA hình kim tự tháp. (bên phải) Phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm [80]. Hình 1.25. Cấu trúc ô cơ sở của MPA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau 35 khi tích hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm [82]. Hình 1.26. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng 35 điện từ [22,93-95]. Hình 1.27. Mô hình ứng dụng của MPA có tính năng đàn hồi và hoạt động 36 trong dải tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân sự. Nếu toàn bộ tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được bọc bởi MPA thì sự tồn tại của chúng sẽ không thể bị phát hiện bởi các máy dò sóng tần số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [96]. Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Hình 2.2. Hệ thiết bị quang khắc dung trong chế tạo vật liệu biến hóa trong vùng tần số GHz tại Viện khoa học vật liệu. Hình 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu MMs hoạt động ở vùng GHz. Hình 2.4. Một số mẫu vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại được chế tạo theo phương pháp quang khắc. Hình 2.5. Sự phân bố điện – từ trường và dòng điện cảm ứng trên bề mặt của vật liệu biến hóa tại tần số cộng hưởng được quan sát bởi CST. Hình 2.6. (Từ trái sang phải) Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Trung tâm Radar – Hàn Quốc và Viện Khoa học Vật liệu. Hình 2.7. Minh họa sơ đồ bố trí hệ đo phổ phản xạ và truyền qua trong vùng tần số từ 2-18 GHz. Hình 2.8. Minh họa phổ thực nghiệm (đường màu đỏ) so sánh với mô phỏng (đường màu đen) của một mẫu MPA hoạt động tại vùng tần số từ 2-4 GHz, dưới góc tới khác nhau (5o, 15o, 45o và 50o) của sóng điện từ. Hình 3.1. Ô cơ sở của vật liệu biến hóa sử dụng cấu trúc (a) đĩa tròn, (b) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín (RD) và (c) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng có rãnh (SRD). Hình 3.2. (a) Mẫu chế tao và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm của cấu trúc RD. Sự phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt cấu trúc RD tại tần số (a) 8,6 GHz và (b) 15,6 GHz. Hình 3.3. (a) Mạch điện cộng hưởng LC tổng quát và (b) mạch điện thu gọn của cấu trúc SR. Hình 3.4. (a) Mẫu chế tạo và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm của cấu trúc SRD. Phân bố của (c) điện trường cảm ứng và (d) từ trường cảm ứng trên bề mặt tại đỉnh cộng hưởng thứ nhất. Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm vào độ rộng của khe g trong cấu trúc SRD. Hình 3.6. (a) Mẫu chế tạo ứng với (b) siêu ô cơ sở sử dụng 04 SRD cùng (c) phổ hấp thụ mô phỏng. (d) Phân số từ trường cảm ứng tại 08 tần số cộng hưởng. (e) So sánh phổ hấp thụ dải rộng mô phỏng và thực nghiệm khi tối ưu thành công các đỉnh cộng hưởng trong mô hình (a) xảy ra cạnh nhau. Hình 3.7. (a) Mẫu chế tạo của vật liệu biến hóa sử dụng (b) mô hình vòng cộng hưởng kín. (c) So sánh phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm. Hình 3.8. Mô phỏng sự phân bố (a)-(b) mật độ dòng điện cảm ứng và (c)-(d) điện trường cảm ứng trên bề mặt hai lớp kim loại tại tần số cộng hưởng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín. Hình 3.9. (a) Mô hình mạch điện LC trong trường hợp cấu trúc vòng cộng hưởng kín (đối xứng) và (b) so sánh kết quả tính toán với kết quả mô phỏng (trường hợp R2 thay đổi). 37 38 39 39 41 42 43 44 47 47 49 51 52 52 53 54 56 Hình 3.10. (a) Mẫu chế tạo tương ứng với (b) cấu trúc bất đối xứng hình mắt cá. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và (d) thực nghiệm trong trường hợp thay đổi khoảng cách d. Hình 3.11. Sự phân bố của điện tích cảm ứng trên bề mặt kim loại tại (a)-(b) 13,05 GHz và (c)-(d) 13,5 GHz. (e) Sự phân bố năng lượng tổn hao trên bề mặt tại tần số thứ hai. Hình 3.12. Phân bố năng lượng điện trường cảm ứng tại mặt trên và mặt dưới của cấu trúc mắt cá tại (a)-(b) 13,06 GHz và (c)-(d) 13,5 GHz. Hình 3.13. Các thiết kế ô cơ sở, phổ hấp thụ mô phỏng và phân bố năng lượng điện trường cảm ứng của các cấu trúc vật liệu biến hóa sử dụng (a)-(b)-(c) hai (d)-(e)-(f) ba và (h)-(i)-(j) bốn lỗ trống. Hình 3.14. Cấu trúc (a) mặt trên và (b) mặt bên cạnh của ô cơ sở của MPA đẳng hướng. 56 57 58 59 60 Hình 3.15. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ mô phỏng theo các giá trị thay 61 đổi của d. (b) Phân bố điện trường tại tần số 16,9 GHz trong trường hợp d = 9 mm. Phân bố điện trường tại (c) 16,2 GHz và (d) 16,9 GHz trong trường hợp d = 10 mm. Hình 3.16. (a) Phổ hấp thụ khi nối tắt các cấu trúc cặp đĩa trong cấu trúc MPA 62 đẳng hướng. (b) Phân bố điện trường cảm ứng tại 16.2 GHz trên mặt phẳng (X, Z). Hình 3.17. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào các giá trị của R2. (b) So 63 sánh giá trị tần số cộng hưởng phụ thuộc vào R2 giữa mô phỏng và tính toán. Hình nhỏ bên trái là mô hình mạch điện LC tương đương. (c) Mẫu chế tạo của cấu trúc MPA đã đề xuất với R1 = 2,4, R2 = 2,7 và d = 10 mm. (d) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc MPA đẳng hướng đơn đỉnh. Hình 3.18. (a) Cấu tạo mặt trên của ô cơ sở cấu trúc MPA đẳng hướng hấp 64 thụ đỉnh kép và (b) phổ hấp thụ mô phỏng tương ứng. Phân bố điện trường cảm ứng tại (c)13,6, (d)14,6, (e)16,4 và (f) 18,0 GHz. Hình 3.19. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dày lớp điện môi td. (b) 65 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ đỉnh kép vào R2 (R1 = 2,4, R3 = 3,0 và td = 1,2 mm). (c) Mẫu chế tạo của cấu trúc MPA đẳng hướng hai đỉnh với R1 = 2,4, R2 = 2,6, R3 = 3,0 và td = 1,2 mm. (d) So sánh giữa phổ hấp thụ mô phỏng (màu đen) và thực nghiệm (màu đỏ). Hình 3.20. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA có cấu trúc chữ X định hướng theo 66 không gian ba chiều. (b) Cấu tạo mặt trước của cấu trúc đối xứng và (c) trường hợp bất đối xứng, với d là độ dịch theo đường chéo của ô cơ sở của một thanh kim loại. Hình 3.21. So sánh phổ hấp thụ mô phỏng (đường nét đứt màu xanh) và thực 67 nghiệm (đường nét liền màu đỏ) của cấu trúc MPA ba đỉnh trong trường hợp (a) d = 0, (b) d = 0,5 và (c) d = 1,0 mm. Hình 3.22. Sự phân bố của dòng điện cảm ứng trên hai bề mặt kim loại của 69 cấu trúc chữ X bất đối xứng (d = 1,0 mm) tương ứng tại các tần số cộng hưởng (a) 9.7, (b) 11,6 và (c) 17,1 GHz. (d) Sự phân bố của dòng điện cảm ứng trên hai bề mặt kim loại của cấu trúc chữ X đối xứng (d = 0) tại tần số hấp thụ 11,4 GHz. Hình 3.23. Phân bố từ trường cảm ứng trong trường hợp cấu trúc bất đối xứng (d = 1.0 mm) tương ứng với các tần số (a) 9,7, (b) 11,6 và (c) 17,1 GHz. (d) Phân bố từ trường cảm ứng trong trường hợp cấu trúc bất đối xứng (d = 0) tại tần số hấp thụ 11,4 GHz. Hình 4.1. (a) Sắp xếp ba chiều của ô đơn vị cho MPA dải tần rộng với sự phân cực của sóng EM. (b) Mẫu chế tạo và độ phóng đại của nó cho mặt trước và lớp sau của các ô đơn vị 2 × 2. (b) Sắp xếp minh họa cho cấu hình thử nghiệm. Hình 4.2. (a) Phần thực và phần ảo của trở kháng hiệu dụng được tính toán của BMPA được đề xuất. (b) Nguyên lý kết hợp các cấu trúc đĩa tròn phía trong và vòng cộng hưởng kín phía ngoài dẫn đến sự hấp thụ dải tần rộng. Vùng màu cam hiển thị dải tần với độ hấp thụ trên 90%. Phân bố của dòng điện cảm ứng trên các bề mặt kim loại mặt trước và mặt sau ở tần số cộng hưởng cho cùng một ô cơ sở, chỉ chứa (c) vòng cộng hưởng kín phía ngoài và (d) cấu trúc đĩa tròn phía trong. Hình 4.3. Tần số hấp thụ mô phỏng theo (a) bán kính của đĩa có độ dẫn thấp (ro) và (b) độ dày của FR-4 (t). Hình 4.4. Hoạt động ổn định của BMPA phạm vi góc tới của sóng điện từ rộng. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) thực nghiệm theo góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TE. (c) Mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TM. 70 71 74 76 88 Hình 4.5. Phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm của cấu trúc BMPA 76 trong trường hợp thay đổi góc phân cực của sóng điện từ. Hình 4.6. Mô phỏng sự phụ thuộc của phổ hấp thụ khi thay đổi góc phân cực của sóng điện từ tại góc tới 20o, 40o và 50o trong trường hợp TE và TM. Hình 4.7. (a) Cấu trúc nguyên tử Meta 3 chiều với sự phân cực của sóng điện từ và (b) phổ hấp thụ tương ứng của BMPA được đề xuất. Dải màu xanh biểu thị vùng tần số bị hấp thụ trên 90%. Hình 4.8. Phân bố 3 chiều của dòng điện cảm ứng bề mặt trong kích thước 2x2 của các ô cơ sở tại tần số (a) 15,3 và (b) 20,1 GHz. Hình 4.9. Phân bố 3 chiều mật độ năng lượng tổn hao trong kích thước 2x2 ô cơ sở tại tần số (a) 15,3 và (b) 20,1 GHz. 77 79 79 80 Hình 4.10. Phổ hấp thụ mô phỏng của BMPA theo (a) chiều cao của cấu trúc 80 polymer và (b) góc tới của sóng EM. 1 MỞ ĐẦU Có thể nói rằng, vật liệu tiên tiến đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ hiện đại nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người. Ngày nay, sự cải tiến công nghệ luôn đi kèm với sự tích hợp các vật liệu quý tồn tại trong tự nhiên, hay các vật liệu tiên tiến mới có cấu trúc nhân tạo chứa đựng các tính chất độc đáo và thú vị. Động lực này đã dẫn đến sự ra đời một loại siêu vật liệu điện từ hay còn gọi là vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) – chứa đựng nhiều tính chất độc đáo chưa từng quan sát thấy trong tự nhiên. Trải qua hơn hai thập kỷ từ mô hình dự đoán lý thuyết của Veselago năm 1968, vật liệu biến hóa đã tạo nên một cuộc cách mạng về vật liệu tiên tiến cũng như đặt ra nhiều thách thức đối với nền khoa học cơ bản khi chúng có thể thay đổi các quy luật truyền thống trong tương tác giữa vật chất và sóng điện từ như: bẻ cong đường đi của ánh sáng, sự nghịch hướng của sự truyền sóng điện từ với dòng năng lượng hay sự phát xạ Cherenkow ngược [1-4]. Những đặc tính kì dị và thú vị đó đã mở ra một viễn cảnh đầy triển vọng cho ngành khoa học vật liệu để dần hiện thực hóa các kỳ vọng vốn chỉ tồn tại trong thế giới khoa học viễn tưởng của con người. Về bản chất điện từ, tính chất thú vị của vật liệu biến hóa đạt được thông qua sự sắp xếp và điều khiển cấu trúc hình học mà không phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên của vật chất tạo thành. Chính vì lợi thế này, vùng tần số hoạt động của chúng có thể được thiết kế thay đổi linh hoạt cho các ứng dụng thực tế hoạt động từ vùng tần số sóng Radio đến vùng quang học [5-15]. Về cấu tạo vật lý, vật liệu biến hóa được cấu thành từ các “giả nguyên tử” nhân tạo có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Các “giả nguyên tử” này thực chất là các cấu trúc cộng hưởng tạo thành từ vật liệu điện môi – kim loại, được sắp xếp tuần hoàn (hoặc không tuần hoàn) tùy theo mục đích tạo ra các hiệu ứng điện từ mong muốn. Bên cạnh sự hoạt động linh hoạt trên mọi vùng tần số, vật liệu biến hóa còn sở hữu kích thước ô cơ sở nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Với tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn đó, các sản phẩm dựa trên vật liệu biến hóa cũng đang dần xuất hiện ngày càng nhiều trên thị trường thương mại quốc tế theo 5 lĩnh vực ứng dụng chính: Cảm biến, liên lạc qua vệ tinh (Satcom) và viễn thông, hàng không và quốc phòng, quang học (vùng THz và hồng ngoại) và các thiết bị y tế. Lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu biến hóa được dự đoán sẽ có tốc độ tăng trưởng 63,1% từ năm 2017 đến 2025 [Theo báo 2 cáo mã số SE2430 của công ty tư vấn và nghiên cứu thị trường MarketsandMarkets năm 2017]. Đặc biệt, hiện tượng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong vật liệu biến hóa lần đầu tiên được phát hiện bởi Landy và các cộng sự vào năm 2008 đã làm cho “thị trường” nghiên cứu về vật liệu tàng hình sôi động trở lại do thế hệ vật liệu hấp thụ mới này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần các vật liệu hấp thụ truyền thống [16]. Do đó, lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers – MPAs) đã nhanh chóng được phát triển cả về lý thuyết cũng như thực nghiệm. MPAs tỏ rõ lợi thế khi độ dày vật lý của chúng nhỏ hơn rất nhiều bước sóng hoạt động (có thể nhỏ hơn hàng nghìn lần), trong khi các vật liệu hấp thụ truyền thống có độ dày giới hạn trong khoảng λ/4 [17]. Với kích thước mỏng λ/30, thực nghiệm từ nhóm nghiên cứu của Landy đã ghi nhận độ hấp thụ đạt được 88% tại tần số 11,5 GHz, trong khi đó giá trị này lên tới 96% tại 11,48 GHz trong mô phỏng. Với tính chất đặc biệt và tiềm năng ứng dụng to lớn đó, MPAs cũng nhanh chóng được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế từ vùng tần số MHz đến vùng quang học [18-27]. Nắm bắt được xu thế này, kể từ năm 2009, hướng nghiên cứu các đặc tính điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng phương pháp lý thuyết, mô phỏng, chế tạo và đo đạc đã được triển khai tại nhóm nghiên cứu của GS.TS. Vũ Đình Lãm (Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Tiêu biểu, năm 2015, TS. Đỗ Thành Việt đã hoàn thiện luận án Tiến sĩ tập trung chủ yếu giải quyết bài toán công nghệ chế tạo MPAs phù hợp trong vùng vi sóng tại Việt Nam [28]. Kế thừa thành quả này, TS. Phạm Thị Trang (với luận án Tiến sĩ bảo vệ thành công năm 2017) đã tiếp cận các mô hình lý thuyết kết hợp với mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối [29]. Gần đây, vào năm 2018, TS. Đặng Hồng Lưu đã phát triển các mô hình lý thuyết đó để mô phỏng các MPAs hoạt động trên vùng tần số THz tạo bước đệm quan trọng cho việc hiện thực hóa THz MPAs trong tương lai gần [30]. Sau hơn một thập niên, lĩnh vực này đã được các nhóm nghiên cứu khác trong nước tiếp cận như: Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Trần Mạnh Cường tại Khoa Vật lý thuộc Đại học Sư phạm Hà Nội; Nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Trường Khang tại Đại học Tôn Đức Thắng TPHCM; Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Đại học Vinh. 3 Trong những năm gần đây, tại Viện Khoa học vật liệu - Viện HLKHCNVN, hướng nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã cho những kết quả bước đầu rất khả quan. Nhiều thành quả có giá trị đã được công bố trên các tạp chí thuộc hệ thống ISI, các tạp chí chuyên ngành trong nước và các hội thảo khoa học có uy tín [31-43]. Tuy nhiên, do bản chất hoạt động của vật liệu biến hóa phụ thuộc mạnh vào cấu trúc cộng hưởng nên dải tần số hoạt động thường rất hẹp. Đây là nguyên nhân chính dẫn tới việc xuất hiện rất ít các vật liệu biến hóa vừa có cấu trúc đơn giản, giá thành chế tạo rẻ mà có thể hoạt động đa dải tần hoặc hoạt động trong dải tần số rộng phù hợp cho các công nghệ trong thực tế tại vùng vi sóng. Bên cạnh đó, để duy trì đồng thời nhiều đỉnh hấp thụ hoặc hấp thụ trên dải rộng trên cùng một thang tần số luôn đòi hỏi sự tăng kích thước ô cơ sở hoặc tăng chiều dày vật lý của các cấu trúc đối xứng truyền thống. Đặc biệt, các vật liệu sử dụng trong chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (kim loại – điện môi) thường không đàn hồi nên khó bao phủ được các bề mặt cong của các đối tượng cần che chắn trong thực tế. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu và trang bị nhiều tính năng ưu việt hơn cho các mô hình vật liệu biến hóa siêu nhỏ, hoạt động đa dải tần và dải tần rộng sử dụng công nghệ chế tạo hiện có vẫn đang là thách thức cần phải vượt qua. Vì vậy, nhóm nghiên cứu của GS.TS. Vũ Đình Lãm cũng đã mở rộng sự cộng tác khoa học với Đại học Hanyang (Hàn Quốc) và Đại học Leuven (Vương quốc Bỉ) nhằm cải tiến và tích hợp các vật liệu tiên tiến mới cho các mô hình cấu trúc truyền thống để sớm hiện thực hóa các ứng dụng của vật liệu biến hóa trong thực tế. Mục tiêu của luận án: - Xây dựng nền tảng cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số từ 2-18 GHz. - Thiết kế và tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng dựa trên các mô hình mới. Tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng có cấu trúc đơn giản và không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ. - Lý giải và ứng dụng tính chất bất đối xứng trong cấu trúc hình học của vật liệu biến hóa tạo ra hấp thụ đa đỉnh. - Chế tạo và khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng trên vùng tần số từ 2-18 GHz. 4 Đối tượng nghiên cứu của luận án: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số từ 2-18 GHz. Phương pháp nghiên cứu của luận án: Phương pháp nghiên cứu của luận án được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình tính toán lý thuyết và mô phỏng. Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành để kiểm chứng một số kết quả mô phỏng cũng như tính toán tiêu biểu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Trong luận án này, bên cạnh cơ sở lý thuyết cơ bản của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ được phân tích, các công trình khoa học quan trọng của chính tác giả được trình bày và so sánh với các kết quả nghiên cứu tiêu biểu của các tác giả khác trên thế giới. Từ đó, người đọc có thể tiếp nhận nhanh nhất về nguyên lý chung để xây dựng, điều khiển và ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng. Luận án cũng là một tài liệu tham khảo có giá trị cho các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu biến hóa và tinh thể quang tử Photonic. Bên cạnh đó, luận án cũng trình bày một số kết quả khoa học quan trọng đã được Nghiên cứu sinh và tập thể nhóm nghiên cứu thu được trong vùng tần số GHz. Luận án này còn mở ra nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ tại Việt Nam trong tương lai đặc biệt trong thực tiễn của lĩnh vực quân sự (tàng hình), thông tin liên lạc và chăm sóc sức khỏe (cảm biến sinh học, ăng ten siêu nhỏ, bộ lọc tần số, lưu trữ và truyền dẫn năng lượng không dây…). Những đóng góp mới của luận án: Luận án này tập trung giải quyết và hoàn thiện các vấn đề vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số GHz như sau: i) Đã kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình mới dựa trên sự phá vỡ tính đối xứng trong cấu trúc cộng hưởng truyền thống trong một ô cơ sở đơn lẻ. Đây là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để tạo ra MPA dải kép và đa đỉnh; ii) Đã thiết kế và kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình MPA được tích hợp vật liệu Polymer độ dẫn thấp (tích hợp một phần và hoàn toàn vào cấu trúc cộng hưởng kim loại); 5 iii) Đã khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm sự hoạt động ổn định của các mô hình MPA đa đỉnh và dải rộng dưới sự thay đổi của góc phát xạ và góc phân cực của sóng điện từ. Bên cạnh Phần mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, Luận án được chia thành 4 chương như sau: Trước tiên, Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành cũng như những cơ sở lý thuyết cơ bản của vật liệu hóa dẫn tới sự ra đời của ngành vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ. Tiếp theo, Chương 2 trình bày cô đọng các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn và sử dụng trong quá trình nghiên cứu, chế tạo cũng như khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số từ 2-18 GHz. Kết quả quan trọng và thảo luận liên quan đến các mô hình vật liệu biến hóa bất đối xứng hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3. Cuối cùng, Chương 4 trình bày các kết quả quan trọng và thảo luận trong việc giải quyết vấn đề mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa bằng cách tích hợp Polymer độ dẫn thấp. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng Về mặt cấu trúc điện từ, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) được cấu thành từ các “nguyên tử nhân tạo”, thực chất là các cấu trúc cộng hưởng điện từ có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Khởi nguồn vào năm 1968, lĩnh vực nghiên cứu MMs đã hình thành từ một ý tưởng về môi trường có chiết suất âm [có đồng thời độ từ thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số] được dự đoán về mặt lý thuyết và đề xuất bởi Veselago [1]. Điều này đã hoàn thiện bức tranh tổng quát về các giá trị của chiết suất trong mọi môi trường vật chất [Hình 1.1]. Tuy nhiên, tính khả thi của mô hình này ban đầu cũng gặp phải nhiều nghi ngờ và tranh cãi của cộng đồng khoa học do những tính chất điện từ của MMs chưa được quan sát trong vật liệu tự nhiên. Do đó, chúng ta phải chờ đợi hơn 30 năm khi Pendry thành công trong việc hạ thấp tần số plasma của vật liệu sử dụng mô hình lưới dây kim loại về vùng tần số GHz (vào năm 1996) [44], và chứng minh mô hình vật liệu nhân tạo có thể đạt được độ từ thẩm âm dựa trên sự hoạt động của cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR) vào năm 1999 [45]. Hai mô hình này là cơ sở quan trọng để Smith và cộng sự lần đầu tiên xác nhận bằng thực nghiệm giá trị chiết suất âm (n < 0) trong vật liệu MMs vào năm 2000 và mở ra một ngành khoa học mới về MMs với ngày càng nhiều các tính chất kỳ diệu được khám phá cho đến ngày nay [46]. Để hiểu rõ hơn nguồn gốc của sự truyền sóng điện từ trong môi trường vật liệu biến hóa, chúng ta sẽ xuất phát từ hệ phương trình Maxwell (trong hệ CGS): E    H  1 B , c t 1 D 4 j,  c t c .D  4 , .B  0. (Định luật Faraday) (1.1) (Định luật Ampere) (1.2) (Định luật Gauss) (1.3) (1.4) Với: B  µ H, (1.5) D   E. (1.6) Trong đó, D và B là độ cảm ứng điện và cảm ứng từ. Xét với trường hợp trường điện từ tự do (mật độ dòng điện j = 0) và (mật độ điện tích ρ = 0), hệ phương 7 trình Maxwell được rút gọn thành: 1 B , c t (1.7) 1 D , c t (1.8) E   H  .D  0, (1.9) .B  0. (1.10) Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đặc biệt tại góc phần tư thứ ba, đồng thời hai giá trị µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa. Biểu diễn điện trường và từ trường dưới dạng sóng phẳng: E(r , t )  E0ei[ kr t ] , H(r, t )  H0ei[ kr t ] . (1.11) Thay phương trình (1.5), (1.6) vào các phương trình (1.7-1.10) và sử dụng biểu diễn (1.11), ta nhận được kết quả sau: kH   k E    c  E, (1.12)  H, (1.13) c 8 k.E  0, (1.14) k.H  0. (1.15) Để xác định hướng của dòng năng lượng truyền đi trong một môi trường, chúng ta có thể căn cứ vào vector Poynting S (không phụ thuộc vào dấu của ε và μ): S c E  H. 4 (1.16) Từ phương trình (1.12) và (1.13), nếu cả ε và μ cùng mang dấu dương, ba vector E, H, k sẽ tạo thành một tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Vector sóng k hướng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai vector S và k song song với nhau như quan sát trong góc phần tư thứ nhất của Hình 1.1). 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). Khi đó vector sóng k hướng vào nguồn phát xạ (hai vector k và S đối song như quan sát trong góc phần tư thứ ba của Hình 1.1). Đây chính là ý tưởng khởi nguồn để tạo ra thế hệ vật liệu nhân tạo có chiết suất âm đầu tiên. Hình 1.2. (A)-(C) Các mô hình cấu trúc ô cơ sở khác nhau cấu tạo từ kim loại – điện môi của vật liệu biến hóa [47]. Bằng cách sắp xếp linh hoạt các “giả nguyên tử”, sự truyền sóng điện từ bên trong môi trường tạo bởi MMs có thể được điều khiển theo ý muốn. Hình 1.2 trình bày một số cấu trúc ô cơ sở hai chiều và ba chiều điển hình của vật liệu MMs chiết