(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu điều khiển đặc tính hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC
VIỆN HÀN LÂM
VÀ ĐÀO TẠO
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VÂN NGỌC

Nguyễn Vân Ngọc

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ
SĨNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA
(METAMATERIALS)
VẬT LÝ CHẤT RẮN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

2021
Hà Nội - 2021

Luan van


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Nguyễn Vân Ngọc

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ
CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS)

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH
VẬT LÝ CHẤT RẮN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. BÙI SƠN TÙNG
2. TS. BÙI XUÂN KHUYẾN

Hà Nội - 2021

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là cơng trình nghiên
cứu của tơi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tơi tự tìm hiểu và nghiên cứu
dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Sơn Tùng và TS. Bùi Xuân Khuyến. Chính vì vậy,
các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan. Đồng thời, kết quả này
chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực nếu sai tơi hồn chịu trách nhiệm.
HỌC VIÊN

NGUYỄN VÂN NGỌC

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi
Sơn Tùng và TS. Bùi Xuân Khuyến. Các thầy đã dành thời gian, tâm huyết, ln
tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hồn
thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ tại Học Viện Khoa học và
Công nghệ đã giảng dạy, trang bị những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt q trình học tập nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy cơ, anh, chị trong nhóm
nghiên cứu Metagroup – IMS của GS. TS. Vũ Đình Lãm đã hết lịng giúp đỡ, chia
sẻ và động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân đã ln
giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Văn Việt, người đã luôn
bên cạnh và ủng hộ tơi trong suốt q trình học tập và hồn thiện luận văn này.

HỌC VIÊN

NGUYỄN VÂN NGỌC

Luan van


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 9
1.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HĨA ........................... 9

1.1.1.

Khái niệm ........................................................................................ 9

1.1.2.

Lịch sử hình thành ......................................................................... 11

1.1.3.

Một số hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa trong nước ....
....................................................................................................... 13

1.2.

VẬT LIỆU BIẾN HĨA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ....................... 18

1.2.1.

Cơ chế hấp thụ dựa trên lý thuyết giao thoa................................. 18

1.2.2.

Cơ chế hấp thụ dựa trên lý thuyết môi trường hiệu dụng ............. 20

1.3.
TỪ

ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN
............................................................................................................. 21

1.3.1.

Ứng dụng của MA trong cảm biến ................................................ 21

1.3.2.

Ứng dụng của MA trong pin mặt trời ........................................... 23

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 25
2.1.

PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ........................................................... 25

2.2.

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN .......................................................... 28

2.3.

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................... 29

2.3.1.

Phương pháp chế tạo .................................................................... 29

2.3.2.

Phương pháp đo đạc ..................................................................... 30

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 32
3.1.

ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG THAM SỐ CẤU TRÚC
32

3.1.1. MA hoạt động trong vùng GHz (5 – 10 GHz) ................................... 32
3.1.2. MA hoạt động trong vùng THz (15 – 18 THz) .................................. 39
3.2. ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG SỰ ĐỊNH HƯỚNG VÀ
PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ .............................................................. 41

Luan van


3.2.1. Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc tới của sóng điện từ ............. 41
3.2.2. Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc phân cực của sóng điện từ ... 45
3.3.

ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG ĐIỆN ÁP NGOÀI..... 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 61
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 61
KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 62

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.......................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 64

Luan van


1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Anh

Chữ viết

Tiếng Việt

tắt/ Ký hiệu
Absorption
Computer Simulation

A
CST

Technology
Cut wire
Electric field
Electromagnetically Induced

Độ hấp thụ
Công nghệ mơ phỏng bằng
máy tính

CW
E

Dây bị cắt
Điện trường

EIT

Truyền qua cảm ứng điện từ

FIT

Kỹ thuật tích phân hữu hạn

Transparency
Finite Intergrate Technique
Fractional band width

FBW

Độ rộng dải tần

Frequency Domain Solver

FDS

Giải theo miền tần số

Full width at half maximum

FWHM

Độ bán rộng

Impedance

Z

Trở kháng

Magnetic field

H

Từ trường

Metamaterial

MM

Vật liệu biến hóa

Metamaterial Absorber

MA

Vật liệu biến hóa hấp thụ

Microelectromechanical

MEMS

Hệ vi cơ điện tử

MIMO

Truyền thông đa hướng

System
Multi input / Multi output
Permeability

μ

Luan van

Độ từ thẩm


2
ɛ

Permittivity
Polarization Conversion

PC

Printed Circuit Board

PCB

Reflection

R

Độ điện thẩm
Chuyển đổi phân cực
Bảng mạch in
Độ phản xạ

Scanning Electron Microscope

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Silicon on insulator

SOI

Silicon trên điện mơi

Split-disk Metamaterial

SDM

Vật liệu biến hóa dạng đĩa
tách

Split-Ring Resonant
Transient Solver

SRR
TS

Vòng cộng hưởng phân rãnh
Giải theo miền thời gian

Transmission

T

Độ truyền qua

Wave vector

k

Véc-tơ sóng

Luan van


3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Tham số cấu trúc của MA1.................................................................... 32
Bảng 2. Tham số cấu trúc của MA2.................................................................... 42
Bảng 3. Thông số mạch hiệu dụng cho đi-ốt biến dung SMV2019-079LF........ 50

Luan van


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc một ô cơ sở cơ bản của vật liệu biến hóa. .............................. 9
Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ɛ và μ......................................... 10
Hình 1.3. (a) Cấu trúc vật liệu chiết suất âm; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của
vật liệu chiết suất âm [6]. .................................................................................... 12
Hình 1.4.(a) Cấu trúc MA được N. I. Landy đề xuất năm 2008; (b) Phổ hấp thụ,
truyền qua và phản xạ [10]. ................................................................................. 13
Hình 1.5. Siêu thấu kính [12]. ............................................................................. 14
Hình 1.6. Thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ. (a) Mặt cắt ngang của ơ
cơ sở vật liệu biến hóa hấp thụ IR bao gồm một dải Au dày 50 nm trên màng Au
dày được ngăn cách bởi một lớp MgF2 dày 30 nm. (b) Ảnh chụp siêu vật liệu được
chế tạo có tổng diện tích 26 × 26 mm2 và (c) Ảnh SEM. (d) Thiết lập phép đo
phản xạ FT-IR bằng cách thay đổi góc tới θ [13]. .............................................. 15
Hình 1.7. (a) Hình ảnh sơ đồ của thiết bị tích hợp MEMS. Hình ảnh cận cảnh (phía
dưới bên phải) cho thấy ba lớp chồng lên nhau của tấm SOI. (b) Cấu trúc ô cơ sở
của vật liệu biến hóa EIT, bao gồm một dây bị cắt và một cặp dây bị cắt [13].. 16
Hình 1.8. Mô tả sự chuyển đổi phân cực bất đối xứng của vật liệu biến hóa lai siêu
mỏng. Ánh sáng phân cực tuyến tính đối với sự lan truyền tới và lui có thể được
biến đổi thành phân cực vng góc và phản xạ một cách hiệu quả tương ứng [28].
............................................................................................................................. 17
Hình 1.9. Mơ hình giao thoa triệt tiêu. ............................................................... 19
Hình 1.10. (a) Sơ đồ của bốn loại vật liệu biến hóa đĩa tách (SDM). Lần lượt là (i)
SDM 1, (ii) SDM-2, (iii) SDM-3 và (iv) SDM-4. (b) Mặt cắt ngang của SDM [49].
............................................................................................................................. 22

Hình 1.11. (a) Cấu trúc vật liệu biến hóa tích hợp trong pin mặt trời. (b) Kết quả
mơ phỏng của cấu trúc [50]. ................................................................................ 24
Hình 2.1. Phần mềm mơ phỏng CST. ................................................................. 25
Hình 2.2. Giao diện phần mềm CST. .................................................................. 27
Hình 2.3. Quy trình chế tạo mẫu sử dụng phương pháp quang khắc.................. 29
Hình 2.4. Hệ thiết bị quang khắc dùng trong chế tạo vật liệu biến hóa tại Viện
Khoa học vật liệu................................................................................................. 29
Hình 2.5. Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Viện Khoa học vật liệu. ..... 31
Hình 3.1. Cấu trúc ơ cơ sở của MA1. (a) Cấu trúc dấu cộng, (b) cấu trúc vòng
cộng hưởng và (c) cấu trúc MA1 kết hợp từ 2 cấu trúc trên. .............................. 33
Hình 3.2. Độ hấp thụ của MA có cấu trúc (a) dấu cộng, (b) vịng cộng hưởng và
(c) kết hợp cả 2 cấu trúc trên (MA1)................................................................... 34
Hình 3.3. Sự thay đổi độ hấp thụ của MA1 khi thay đổi khoảng cách d. ........... 35

Luan van


5
Hình 3.4. Phân bố dịng bề mặt trên cấu trúc MA1 tại tần số (a) 6,8 GHz; (b) 8,4
GHz và (c) 8,8 GHz............................................................................................. 36
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào góc tới (khi d = 1 mm)................. 37
Hình 3.6. Sự biến đổi của phổ hấp thụ khi (d = 0,5 mm) góc tới thay đổi. ........ 38
Hình 3.7. Cấu trúc ơ cơ sở của MA2. ................................................................. 39
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ MA2 vào khoảng cách d. ................... 40
Hình 3.9. Phân bố điện trường tại các tần số hấp thụ (a) 15,9 THz và (b) 16,7 THz.
............................................................................................................................. 41
Hình 3.10. Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MA3. ..................... 42
Hình 3.11. Ảnh hưởng của góc tới lên phổ hấp thụ của MA3. ........................... 43
Hình 3.12. Phổ hấp thụ của MA3 khi phân cực sóng điện từ thay đổi. .............. 46
Hình 3.13. Thiết kế của ô đơn vị được đề xuất với các tham số tối ưu L = 29,5; a

= 27; b = 12; d = 5; s = 1,2; m = 0,5; h = 0,5; t = 1,2 và t m = 0,035 mm. (b) Cấu
hình đo tương ứng bằng cách sử dụng Máy phân tích mạng vectơ ZNB20 (1 – 18
GHz). ................................................................................................................... 49
Hình 3.14. Trong chế độ hấp thụ, các kết quả mô phỏng của (a) hệ số phản xạ
phân cực đồng trục và phân cực vng góc; (b) hấp thụ đối với MM tích hợp ở
điện áp phân cực 0 V và (c)-(d) các tham số tương ứng của cấu trúc MM tương
đương với hai rãnh cắt trên bề mặt...................................................................... 52
Hình 3.15. Trong chế độ PC, (a) mơ phỏng hệ số phản xạ Rvu và Ruu; (b) PCR cho
MM lai ở điện áp phân cực ngược -19 V. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
(c)Rvu, Ruu và (d) PCR của cấu trúc MM tương đương với 3 rãnh cắt trên bề mặt.
............................................................................................................................. 53
Hình 3.16. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của (a) hệ số phản xạ phân cực đồng
trục Ruu và phân cực vng góc Rvu; (b) PCR tương ứng của MM tích hợp khi
điện áp phân cực thay đổi từ 0 V đến -19 V. Kết quả thực nghiệm của (c) hệ số
phản xạ và (d) PCR ở điện áp phân cực ngược 0 V và -4 V. .............................. 54
Hình 3.17. (a) Sơ đồ của chuyển đổi phân cực y sang x. (b) Độ lớn của hệ số phản
xạ u và v. Các pha phản xạ của hệ số phản xạ (c) phân cực đồng trục và (d) phân
cực vng góc khi vector điện của sóng điện từ tới dọc theo trục u và v. ......... 56
Hình 3.18. Sự phân bố của dịng điện cảm ứng bề mặt tại các lớp trên và dưới ở
các tần số cộng hưởng là (a) 3,5 GHz; (b) 5,5 GHz trong trường hợp chế độ hấp
thụ (khơng có điện áp phân cực) và (c) 4 GHz cho chế độ PC (ở điện áp phân cực
-19 V). ................................................................................................................. 57
Hình 3.19. Phân bố mật độ tổn hao tại (a) 3,5 GHz;(b) 5,5 GHz trong chế độ hấp
thụ (khơng có điện áp phân cực) và (d) 4 GHz cho chế độ PC (điện áp phân cực
của -19 V). ........................................................................................................... 58

Luan van


6

Hình 3.20. Khảo sát thêm trong phạm vi THz đối với (a) chế độ hấp thụ bằng cách
sử dụng cấu trúc MM đề xuất đã giảm kích thước và (b) PC bằng cách sử dụng
MM cải tiến với kích thước nhỏ hơn................................................................... 59

Luan van


7

MỞ ĐẦU
Từ vật lý và hóa học cơ bản, chúng ta biết rằng mọi vật chất đều được cấu
thành từ các nguyên tử và phân tử. Các nguyên tử và thành phần tạo thành quyết
định tính chất vật lý của vật chất, bao gồm cả các đặc tính quang học. Trải qua
hàng nghìn năm, con người đã nghiên cứu các vật liệu khác nhau để sử dụng trong
nhiều ứng dụng từ kiến trúc, giao thông vận tải, y học đến điện tử, quang học và
khám phá không gian. Cuối cùng giai đoạn mà các vật liệu sẵn có trong tự nhiên
khơng cịn đủ khả năng đáp ứng các ứng dụng khoa học và cơng nghệ cũng đã
đến. Do đó, sự xuất hiện của vật liệu biến hóa (Metamaterial – MM) cung cấp một
giải pháp khả thi cho những vấn đề này.
MM là vật liệu nhân tạo đóng vai trị rất quan trọng trong lĩnh vực khoa học
kỹ thuật ngày nay. MM được thiết kế hợp lý từ những “giả nguyên tử” (cấu trúc
cộng hưởng) có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động nhằm
thể hiện các đặc tính khác lạ khơng xuất hiện từ các ngun tố cấu thành nên
chúng. Với kích thước rất nhỏ, MM có cách thức tương tác với sóng điện từ hồn
tồn khác so với các vật liệu thơng thường. Vì vậy, lý thuyết môi trường hiệu dụng
được sử dụng để xem xét mối tương quan này. Nhờ đó, đặc tính của MM cũng
được thể hiện qua độ điện thẩm và độ từ thẩm hiệu dụng. Lưu ý rằng, hai thông
số này của MM hồn tồn có thể điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi các tham
số cấu trúc của ô cơ sở. Nhờ vậy, các tính chất khác lạ như đảo ngược định luật
Snell, chiết suất âm, hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ hay nghịch đảo hiệu ứng

Doppler có thể đạt được một cách dễ dàng nhằm phục vụ cho các ứng dụng thực
tế.
Với những đặc tính nổi trội và các ứng dụng tuyệt vời của các MM mà trong
đó đặc biệt phải kể đến là vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (Metamaterial
Absorber – MA) đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa
học trong và ngoài nước. Mặc dù vậy, việc tìm ra cấu trúc vật liệu cho độ hấp thụ
tối ưu, khả năng điều khiển được các đặc tính điện từ trong vùng tần số từ GHz
đến THz hiện vẫn là thách thức mà các nhà nghiên cứu cần phải triển khai trên cả

Luan van


8
phương diện lý thuyết và thực nghiệm. Điều này khiến cho các ứng dụng sử dụng
MM như bộ lọc tần số hay cảm biến đa chức năng còn đang bị hạn chế.
Do đó, mục tiêu nghiên cứu của luận văn hướng đến khả năng điều khiển
các đặc tính hấp thụ của MM như tần số và biên độ trong vùng tần số GHz để đáp
ứng các nhu cầu cấp thiết về ứng dụng trong quân sự, dân sự và chăm sóc sức
khỏe. Cụ thể, luận văn cần đạt được các kết quả:
- Đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong
vùng GHz và THz.
- Khảo sát và nghiên cứu cách thức điều khiển tần số và biên độ hấp thụ của
vật liệu biến hóa theo các yếu tố: tham số cấu trúc, góc tới của sóng điện
từ, sự phân cực của sóng điện từ và tác động ngoại vi.
Nội dung luận văn bao gồm 4 phần:
Chương 1. TỔNG QUAN
Trình bày lý thuyết cơ bản về vật liệu biến hóa nói chung và vật liệu
biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ nói riêng. Các ứng dụng và các
phương pháp điều khiển tần số và biên độ hấp thụ sóng điện từ của MA.
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn
bao gồm phương pháp tính tốn, mơ phỏng và thực nghiệm.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trình bày các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Đưa ra kết luận và kiến nghị về hướng nghiên cứu trong tương lai.

Luan van


9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HĨA

1.1.1. Khái niệm
Tính chất của vật liệu dạng khối về cơ bản được xác định bởi các nguyên
tố và các liên kết hóa học trong vật liệu. Con người chưa bao giờ ngừng tìm hiểu
nhằm kiểm sốt các đặc tính của vật chất. Ví dụ, hơn 3000 năm trước, tổ tiên của
chúng ta đã biết cách tổng hợp hợp kim để cải thiện tính chất cơ học của kim loại.
Độ dẫn điện của silicon có thể cao hơn với mức độ pha tạp nhẹ, đặt nền tảng cho
toàn bộ ngành cơng nghiệp bán dẫn hình thành vào khoảng năm 1960. Khoa học
và công nghệ nano gần đây nghiên cứu tính chất điện, quang, nhiệt và cơ học của
các vật liệu từ cấp độ nguyên tử hay phân tử. Tất cả những nỗ lực này đã mở rộng
đáng kể phạm vi vật liệu mà con người có thể tiếp cận.

Hình 1.1. Cấu trúc một ô cơ sở cơ bản của vật liệu biến hóa.

Luan van


10
Trong những thập kỷ trước, MM đã xuất hiện và mở ra một hướng đi hoàn
toàn mới nhằm nâng cao khả năng thiết kế vật liệu với các tính chất mong muốn
của con người [1]. Khác với các ví dụ đã nói ở trên, tính chất vật lý của MM ít
phụ thuộc vào các đặc tính nội tại của các thành phần tạo thành mà nó được quyết
định bởi các cấu trúc tạo nên MM. Các cấu trúc nhân tạo này có chức năng như
các nguyên tử và phân tử trong vật liệu truyền thống. Thông qua các tương tác với
sóng điện từ, chúng có thể tạo ra các đặc tính vật lý thú vị khơng có trong các vật
liệu tổng hợp hóa học hay tự nhiên.
Trong điện từ học, độ điện thẩm 𝜀 và độ từ thẩm 𝜇 là hai thơng số cơ bản
đặc trưng cho tính chất điện từ của một môi trường. Về mặt vật lý, độ điện thẩm
và độ từ thẩm mô tả ảnh hưởng của một trường điện từ lên mơi trường vật chất.

Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ɛ và μ.
Hình 1.2 biểu diễn một giản đồ cho phép phân loại các vật liệu theo tham
số điện từ: độ điện thẩm và độ từ thẩm. Vùng I ở góc phần tư phía trên bao gồm
các vật liệu có đồng thời độ điện thẩm và độ từ thẩm dương tương ứng với hầu

Luan van


11
hết các vật liệu điện mơi. Góc phần tư thứ II bao gồm kim loại, vật liệu sắt điện
và chất bán dẫn được pha tạp có thể biểu hiện độ điện thẩm âm ở các tần số nhất
định (dưới tần số plasma). Góc phần tư thứ IV bao gồm một số vật liệu ferit có độ
từ thẩm âm, tuy nhiên, các đáp ứng từ tính của chúng nhanh chóng biến mất trên
vùng tần số vi sóng. Vùng thú vị nhất là góc phần tư thứ III, trong đó độ điện thẩm

và độ từ thẩm đồng thời mang dấu âm. Loại vật liệu này chưa từng được tìm thấy
trong tự nhiên.
Về cơ bản, sự khúc xạ của sóng điện từ tại mặt phân cách giữa hai môi
trường được mô tả bởi định luật Snell:

𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖
𝑠𝑖𝑛𝜃𝑟

=

𝑛𝑟
𝑛𝑖

, trong đó mối liên hệ giữa góc

tới 𝜃𝑖 và góc khúc xạ 𝜃𝑟 phụ thuộc trực tiếp vào chiết suất 𝑛 = √𝜀𝜇. Tuy nhiên,
sự xuất hiện của MM đã thay đổi hoàn toàn quan điểm này. Trong đó, độ điện
thẩm và độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu được điều khiển dễ dàng bằng cách
thay đổi các tham số cấu trúc. Điều này giúp cho MM có thể tạo ra mơi trường có
chiết suất âm [1], đảo ngược hiệu ứng Doppler [2] và phát xạ Cherenkov [3] –
những đặc tính khơng thể quan sát được từ các thành phần nguyên tố tạo thành.
1.1.2. Lịch sử hình thành
Vật liệu biến hóa xuất hiện lần đầu tiên từ đề xuất của Veselago về sự tồn
tại của một loại vật liệu có chiết suất âm dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật
liệu có độ điện thẩm và độ từ thẩm âm vào năm 1968 [1]. Như đã đề cập ở trên,
loại vật liệu này chưa từng được tìm thấy trong tự nhiên, vì vậy, lý thuyết này đã
đứng trước sự ngờ vực của mọi người trong thời gian dài sau đó. Phải mãi đến
gần 30 năm sau, khi Pendry và cộng sự đưa ra mơ hình lưới dây kim loại nhằm hạ
thấp tần số plasma về vùng GHz vào năm 1996 [4], đề xuất của Veselago mới lại
nhận được sự quan tâm của giới nghiên cứu. Nhờ vậy, chỉ sau một thời gian ngắn,

vào năm 1999, Pendry và cộng sự lại tiếp tục đưa ra mô hình về vật liệu có độ từ
thẩm âm dựa trên cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (Split-Ring Resonant – SRR)
cũng trong vùng tần số GHz [5]. Hai mơ hình này đã mở ra khả năng đưa vật liệu
có chiết suất âm đến gần hơn với thực tiễn. Điều này được chứng minh rất nhanh
sau đó vào năm 2000, Smith và cộng sự đã lần đầu tiên chứng minh bằng thực

Luan van


12
nghiệm về sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm [6]. Cấu trúc được kết hợp bởi
các SRR và lưới dây kim loại sắp xếp tuần hoàn như mơ tả trong Hình 1.3.

Hình 1.3. (a) Cấu trúc vật liệu chiết suất âm; (b) Phổ phản xạ và truyền qua
của vật liệu chiết suất âm [6].

Cùng năm đó, Pendry cũng chỉ ra rằng vật liệu biến hóa có chiết suất âm có
khả năng ứng dụng trong chế tạo siêu thấu kính [7]. Điều này cũng đã được kiểm
chứng bằng thực nghiệm vào năm 2005 bởi nhóm của Zhang cùng các cộng sự
[8]. Ngay sau đó, trước sự ngạc nhiên của cộng đồng nghiên cứu, Pendry đưa ra
mơ hình và chứng minh bằng thực nghiệm về sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng
điện từ bằng vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số GHz vào năm 2006 [9].
Trước sự phát triển nhanh chóng của vật liệu biến hóa, các ứng dụng khác nhau
liên tiếp được đề xuất nghiên cứu. Đáng chú ý phải kể đến vật liệu biến hóa hấp
thụ sóng điện từ (MA) được N. I. Landy đề xuất năm 2008 [10]. Cấu trúc được

Luan van


13

biểu diễn trong Hình 1.4 bao gồm vịng cộng hưởng kép và thanh kim loại tương
ứng ở hai mặt trước và sau, cùng với lớp điện mơi ở giữa.

Hình 1.4.(a) Cấu trúc MA được N. I. Landy đề xuất năm 2008; (b) Phổ hấp
thụ, truyền qua và phản xạ [10].

1.1.3. Một số hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa trong nước
a. Vật liệu biến hóa có chiết suất âm
Được đề xuất và nghiên cứu đầu tiên là vật liệu biến hóa có chiết suất âm.
Với những đặc tính khác thường như đảo ngược hiệu ứng Doppler [2], phát xạ
Cherenkov [3] hay nghịch đảo định luật Snell [11], vật liệu biến hóa có chiết suất
âm nhận được sự quan tâm đặc biệt sau công bố lần đầu tiên của Veselago. Sự kết
hợp độ từ thẩm và độ điện thẩm cùng âm trên một dải tần số tạo ra vật liệu có
chiết suất âm với 3 vectơ của sóng điện từ E, H, k tuân theo quy tắc bàn tay trái
ra đời. Những tính chất kỳ diệu này hứa hẹn những tiềm năng ứng dụng như siêu
thấu kính [12].

Luan van


14

Hình 1.5. Siêu thấu kính [12].
b. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
MA là vật liệu biến hóa có khả năng hấp thụ năng lượng sóng điện từ chiếu
tới bề mặt vật liệu. Cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên MA hoạt
động dựa trên nguyên lý hấp thụ cộng hưởng. Hướng nghiên cứu hiện đang được
các nhà khoa học quan tâm là thiết kế MA có cấu trúc đơn giản và dễ dàng trong
chế tạo.
MA mở ra rất nhiều hướng nghiên cứu với các ứng dụng tiềm năng như

cảm biến [14], ứng dụng trong pin mặt trời hiệu suất cao [15] hay tàng hình ảnh
nhiệt trong lĩnh vực quốc phòng [16]. Để hiện thực hóa những ứng dụng này, bên
cạnh việc tìm kiếm các cấu trúc tối ưu, cách thức điều khiển đặc tính hấp thụ của
MA cũng rất được quan tâm [17].

Luan van


15

Hình 1.6. Thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ. (a) Mặt cắt ngang của
ơ cơ sở vật liệu biến hóa hấp thụ IR bao gồm một dải Au dày 50 nm trên màng
Au dày được ngăn cách bởi một lớp MgF2 dày 30 nm. (b) Ảnh chụp siêu vật
liệu được chế tạo có tổng diện tích 26 × 26 mm2 và (c) Ảnh SEM. (d) Thiết
lập phép đo phản xạ FT-IR bằng cách thay đổi góc tới θ [13].
c. Vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ
Hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ (Electromagnetically Induced
Transparency – EIT) là một hiện tượng lượng tử liên quan đến sự triệt tiêu giao
thoa trong các hệ nguyên tử [18, 19]. Nhờ hiện tượng này, mơi trường hấp thụ có
thể chuyển thành mơi trường “trong suốt”. Xung quanh vùng này, môi trường bị
phân tán mạnh và đỉnh truyền qua thu được hệ số phẩm chất cao. Do đó, hiệu ứng
EIT có nhiều ứng dụng hứa hẹn như thiết bị lưu trữ năng lượng [20], cảm biến
[21] và bộ lọc [22]. Tuy nhiên, EIT lượng tử yêu cầu các điều kiện khó khăn bao
gồm laser cường độ cao và nhiệt độ làm lạnh thấp. Điều này hạn chế các ứng dụng
của chúng trong thực tế. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu ứng EIT
có thể được bắt chước trong các hệ cổ điển như bộ dao động cơ [23] và điện từ
[24]. Một trong những hướng nghiên cứu thu được nhiều sự quan tâm là phát triển

Luan van

16
vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ. EIT-MM cũng thu hút
sự quan tâm đáng kể bởi thiết kế đơn giản của nó so với các hệ lượng tử truyền
thống [25].

Hình 1.7. (a) Hình ảnh sơ đồ của thiết bị tích hợp MEMS. Hình ảnh cận cảnh
(phía dưới bên phải) cho thấy ba lớp chồng lên nhau của tấm SOI. (b) Cấu
trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa EIT, bao gồm một dây bị cắt và một cặp dây
bị cắt [13].

d. Vật liệu biến hóa có hiệu ứng chuyển đổi phân cực của sóng điện từ
Hiệu ứng chuyển đổi phân cực có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực
như ăng-ten, điều hướng du hành vũ trụ và thông tin liên lạc [26]. Do đó, một bộ
chuyển đổi phân cực vẫn ln là mục đích mà các nhà nghiên cứu hướng đến để
điều khiển sóng EM. Các phương pháp truyền thống thường sử dụng tính chất

Luan van


17
quang của tinh thể với hiệu ứng lưỡng chiết luôn gặp phải nhược điểm là dải tần
đáp ứng yêu cầu hẹp và khó khăn trong việc tích hợp vào các hệ quang. Tuy nhiên,
sự xuất hiện của vật liệu biến hóa đã mở ra một phương pháp mới để điều khiển
trạng thái phân cực với lợi thế siêu mỏng và thu được hiệu ứng mong muốn trong
dải tần số rộng [27].

Hình 1.8. Mơ tả sự chuyển đổi phân cực bất đối xứng của vật liệu biến hóa lai
siêu mỏng. Ánh sáng phân cực tuyến tính đối với sự lan truyền tới và lui có thể
được biến đổi thành phân cực vng góc và phản xạ một cách hiệu quả tương

ứng [28].
Nhìn chung, có hai loại cấu trúc vật liệu biến hóa được sử dụng để chuyển
đổi phân cực là vật liệu biến hóa dị hướng và vật liệu biến hóa bất đối xứng. Tương
tự như các tinh thể lưỡng chiết, sự thay đổi pha khác nhau theo hai hướng trực
giao của sóng EM tới làm cho vật liệu biến hóa dị hướng có thể nhận ra sự quay
phân cực và độ lệch pha có thể được kiểm sốt bằng việc thiết kế cấu trúc vật liệu
biến hóa [29]. Khác với vật liệu biến hóa dị hướng, vật liệu biến hóa bất đối xứng
có các chiết suất khác nhau đối với sóng EM phân cực trịn phải và trái theo hai
hướng trực giao [30]. Điều này đóng vai trị quan trọng trong việc đưa chuyển đổi
phân cực vào ứng dụng rộng rãi như quay phân cực [31, 32], chuyển đổi phân cực

Luan van


18
thẳng sang tròn [33], và chuyển đổi từ phân cực tròn trái sang tròn phải hay ngược
lại [34]. Tuy nhiên, rất khó để hai loại cấu trúc vật liệu này giữ được hiệu suất
chuyển đổi cao trong dải tần rộng. Bên cạnh đó, dải tần hoạt động có thể được mở
rộng bằng cách xếp chồng nhiều lớp các cấu trúc vật liệu biến hóa để đạt được
cộng hưởng đơn trong mỗi lớp ở các tần số lân cận. Sự kết hợp của những cộng
hưởng này tạo ra một dải cộng hưởng rộng [35, 36]. Tuy nhiên, phương thức này
khiến cho cấu trúc trở nên cồng kềnh hơn và việc vật liệu bao gồm quá nhiều lớp
ảnh hưởng đến hiệu quả trong q trình tích hợp vào thiết bị và quy trình chế tạo
trở nên phức tạp. Ngồi ra, một số nghiên cứu cũng đã chỉ ra đặc tính chuyển đổi
phân cực thành cộng hưởng plasmon của cấu trúc vật liệu biến hóa ln bị kích
thích trên màng kim loại với các lỗ trống [37]. Do đó, các thiết bị này thường có
độ truyền qua thấp hơn, nghĩa là hiệu suất thấp trong chế độ truyền qua.

1.2.

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ
Lần đầu tiên được đề xuất và thực nghiệm vào năm 2008, vật liệu biến hóa

hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ 88% năng lượng sóng điện từ chiếu đến
với độ dày nhỏ hơn 30 lần so với bước sóng hoạt động. Kích thước này nhỏ hơn
rất nhiều lần so với các cấu trúc hấp thụ từng được nghiên cứu như màn Salisbury
hay bộ hấp thụ Jaumann [38] . So với các vật liệu hấp thụ thơng thường, MA có
kích thước mỏng hơn nhiều lần bước sóng hoạt động, có thể dễ dàng lựa chọn tần
số hấp thụ khi thiết kế và có khả năng hấp thụ cao hơn. Các kết quả nghiên cứu
về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đã được công bố với vùng tần số hoạt
động trải dài từ MHz [39], GHz [40], THz [41] cho đến vùng hồng ngoại [42, 43]
và quang học [44]. Mặc dù vậy, các cấu trúc vật liệu từng được đề xuất thường
khó có khả năng điều khiển độ hấp thụ cũng như tần số hấp thụ mong muốn.
Vì vậy, luận văn đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có
thể thay đổi linh hoạt nhằm điều khiển khả năng hấp thụ của vật liệu một cách dễ
dàng.
1.2.1. Cơ chế hấp thụ dựa trên lý thuyết giao thoa

Luan van


19

Hình 1.9. Mơ hình giao thoa triệt tiêu.
Lý thuyết thường được sử dụng để giải thích cơ chế hấp thụ trong vật liệu
truyền thống là lý thuyết giao thoa triệt tiêu. Như được thể hiện trong Hình 1.9,
sóng điện từ chiếu tới một phần sẽ bị phản xạ lại môi trường tới với hệ số phản
xạ 𝑟̃12 (𝜔) = 𝑟12 (𝜔)𝑒 𝑖𝜑12(𝜔) và một phần đi vào bên trong vật liệu với hệ số
̃ (𝜔) = 𝑡12 (𝜔)𝑒 𝑖𝛳12(𝜔) . Hằng số truyền sóng bên trong vật liệu là
truyền qua 𝑡12

𝛽̃ = 𝛽1 + 𝑖𝛽2 = √𝜀𝑑 𝑘0 𝑑, trong đó k0 là số sóng trong mơi trường chân khơng,
d là độ dày lớp điện môi, 𝛽1 thể hiện pha của thành phần truyền sóng, cịn 𝛽2
đặc trưng cho sự hấp thụ bên trong lớp điện môi. Tại tấm kim loại phía sau xảy
ra q trình phản xạ gương với hệ số phản xạ là -1, đồng thời gây ra sự trễ pha
𝛽̃. Sau đó, sự phản xạ và truyền qua một phần xảy ra một lần nữa ở mặt phân
cách kim loại đằng trước. Hệ số phản xạ và truyền qua tại mặt phân cách lúc này
lần lượt là 𝑟̃21 (𝜔) = 𝑟21 (𝜔)𝑒 𝑖𝜑21(𝜔) và 𝑡̃21 (𝜔) = 𝑡21 (𝜔)𝑒 𝑖𝛳21(𝜔) . Sự phản xạ
và truyền qua nhiều lần diễn ra bên trong lớp điện môi, và tổng năng lượng ra
ngồi mơi trường là sự chồng chập của tất cả các thành phần phản xạ:
𝑟̃ (𝜔) = 𝑟̃12 (𝜔)

̃
𝑡̃12 (𝜔)𝑡21 (𝜔)𝑒 2𝑖𝛽
̃

1+𝑟̃21 (𝜔)𝑒 2𝑖𝛽

.

(1.1)

trong đó, thành phần thứ nhất bên vế phải là thành phần phản xạ trực tiếp từ lớp
cấu trúc kim loại mặt trước, thành phần thứ hai là sự chồng chập của thành phần
phản xạ bậc cao.

Luan van