nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu meta (metamaterials) tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


ĐỖ THÀNH VIỆT


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA
CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS)

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU





Hà Nội – 2015
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội




Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu
PGS. TS. Vũ Đình Lãm

Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Kiên
Phản biện 3: PGS. TS. Đào Ngọc Chiến




Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………



Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
Tạp chí trong nước
[1] Tung, NT, Viet, DT, Tuong, PV, Lam, VD, Binh, NT and Hoai, PV (2010) Perspective of
invisibility using metamaterials. Tạp Chí Nghiên Cứu KH & CN Quân Sự, 10, 65.
[2] Đỗ Thành Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Lê Văn Quỳnh, Nguyễn Thị Hiền, Lê Thị
Quỳnh et al. (2011) Thiết kế và chế tạo vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng viba trên cơ sở
metamaterial. Kỉ Yếu Hội Nghị Toàn Quốc Lần Thứ 7 về Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu,
TP Hồ Chí Minh.
[3] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Le Thi Quynh, and Vu Dinh Lam (2012) Meta-magnetic cut-

wire-pair structures: A numerical study on the dielectric loss. Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và
Công Nghệ Quân Sự, 18.
[4] Lam V D, Hien N T, Tuan N T, Viet D T, Tung N T, Lee Y P (2012) A broadband and nearly
polarization-insensitive metamaterial absorber using multi-ring structure. IWAMSN 2012,
Halong, Vietnam.
[5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee
Young Pak et al. (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking metamaterials.
Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, 51, 371–7.
[6] Do, TV, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Van Hieu and Vu Dinh Lam (2013)
Nghiên cứu vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba trên cơ sở Metamaterial. Tạp chí nghiên cứu KH
& CN Quân sự, Đặc san Vật lí kỹ thuật.
Tạp chí nước ngoài
[7] Thuy, VTT, Viet, DT, Hieu, NV, Lee, YP, Lam, VD and Tung, NT (2010) Triple negative
permeability band in plasmon-hybridized cut-wire-pair metamaterials. Optics Communications,
283, 4303–6.
[8] Vu, DL, Pham, VT, Do, TV, Nguyen, TT, Vu, TTT, Le, VH et al. (2010) The electromagnetic
response of different metamaterial structures. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and
Nanotechnology, 1, 045016.
[9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances
supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials. Journal of Nonlinear
Optical Physics & Materials, 21, 1250019.
[10] Tung, NT, Viet, DT, Tung, BS, Hieu, NV, Lievens, P and Lam, VD (2012) Broadband Negative
Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials. Applied Physics Express, 5, 112001.

[11] Do, TV, Bui, ST, Le, VQ, Nguyen, TH, Nguyen, TT, Nguyen, TT et al. (2012) Design, fabrication
and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials. Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 3, 045014. />6262/3/4/045014
[12] Viet, DT, Hien, NT, Tuong, PV, Minh, NQ, Trang, PT, Le, LN et al. (2014) Perfect absorber
metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption. Optics Communications, 322, 209–13.

[13] Viet, D T, Hieu, N V, Lam, V D and Tung, N T (2015) Isotropic Metamaterial Absorber Using
Cut-wire-pair Structures. Applied Physics Express. Accepted


1

A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài
Để phát triển, hội nhập khoa học công nghệ với thế giới,
trong điều kiện hiện tại, Việt Nam cần tìm cho mình những
ngành nghiên cứu mũi nhọn. Trong mỗi ngành nghiên cứu cụ
thể như Khoa học Vật liệu, cũng lại cần xác định các hướng
nghiên cứu triển vọng, phù hợp với trình độ và điều kiện
nghiên cứu trong nước, chiến lược này đóng vai trò then chốt
nhằm giúp chúng ta có thể đạt hiệu quả tối đa trong nghiên
cứu, phát triển khoa học công nghệ.
Vật liệu Meta (Metamaterials) là một hướng nghiên cứu
mới chỉ phát triển mạnh từ đầu thế kỷ 21. Tuy nhiên, với các
kết quả kỳ thú và tiềm năng sớm được công bố như vật liệu
chiết suất âm, tàng hình sóng điện từ, siêu thấu kính, hấp thụ
tuyệt đối vật liệu Meta đã và đang tiếp tục được tập trung
nghiên cứu sâu rộng.
Thêm vào đó, điều kiện nghiên cứu cần thiết của vật liệu
Meta tùy thuộc vào vùng tần số hoạt động, chính vì vậy ở
những nước có điều kiện nghiên cứu chưa phát triển vẫn có thể
triển khai nghiên cứu loại vật liệu này, trong những vùng tần số
hoạt động phù hợp.
Nhánh nghiên cứu Vật hiệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện
từ thu hút được nhiều sự quan tâm, đặc biệt là cho mục đích
quân sự. Với khả năng hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới

ở một, vài tần số, vùng tần số định trước, vật liệu Meta hấp thụ
tuyệt đối sóng điện từ có triển vọng ứng dụng trong chế tạo cảm
biến, biến đổi năng lượng, và đặc biệt trong quân sự là các ứng
2

dụng ngụy trang, Radar Cho đến nay, nghiên cứu vật liệu
Meta là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới nhưng rất triển vọng
và phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
i) Đưa ra đượcphương pháp nghiên cứu và công nghệ chế
tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba.
ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ
tuyệt đối sóng viba.
iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta
ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đưa ra những cơ sở vật lý và
cơ chế hoạt động của vật liệu Meta. Trình bày các phương
pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ chế tạo mẫu vật liệu
Meta hoạt động ở vùng tần số GHz.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm
năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối trong
nghiên cứu, ngụy trang sóng điện từ. Ngoài ra, các kết quả
nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia của
các nhà khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu Meta
phát triển cảm biến, chuyển đổi năng lượng, radar phục vụ
quốc phòng và dân sinh.
3. Những đóng góp mới của luận án
(i) Trình bày kiến thức tổng quan về vật liệu Meta. Giới

thiệu các phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta nói chung và
3

vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz nói riêng.
(ii) Đưa ra được quy trình chế tạo vật liệu Meta hoạt động ở
vùng tần số GHz trên cơ sở công nghệ quang khắc. Quy trình
này có độ ổn định và cho ra các mẫu có chất lượng tốt.
(iii) Đã chế tạo được các mẫu vật liệu Meta có cấu trúc khác
nhau. Lần đầu tiên, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba
được chế tạo thành công ở Việt Nam. Kết quả đo đạc cho thấy
đạt được hấp thụ gần như hoàn toàn tại tần số xác định.
(iv) Đã đưa ra được các cấu trúc nhằm nâng cao hiệu suất
hoạt động của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. Buồng
hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên được thiết kế, chế tạo tại
Việt Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối
sóng viba đã nghiên cứu.
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 104 trang được chia thành các phần như sau:
Mở đầu 3 trang; Chương 1. Tổng quan 23 trang; Chương 2.
Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo gồm 22 trang;
Chương 3.Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc MPA gồm
27 trang và 4.MPA hấp thụ dải rộng gồm 12 trang. Kết luận và
kiến nghị 1 trang. Ngoài ra, luận án có 01 bảng; 69 hình vẽ và
đồ thị; 90 tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
MỞ ĐẦU
Cấu trúc vật liệu Meta được xem là một loại vật chất nhân
tạo, tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn thành phần
cấu tạo. Cấu trúc vật liệu Meta có rất nhiều ứng dụng kỳ diệu
4

đã được các nhà khoa học nghiên cứu bằng lý thuyết và chứng
minh bằng thực nghiệm như siêu thấu kính, áo khoác tàng
hình, bộ lọc tần số antennas, cảm biến sinh học Vật liệu hấp
thụ tuyệt đối là một trong nhiều loại vật liệu nhân tạo được
nghiên cứu chế tạo trên cơ sở cấu trúc vật liệu Meta, các
nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ thuộc dải vi ba có thuận lợi là
điều kiện thực nghiệm đơn giản. Từ khi Landy đưa ra cấu trúc
hấp thụ sóng vi ba đầu tiên năm 2008, nhiều cấu trúc hấp thụ
khác đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố. Tất
cả các cấu trúc hấp thụ đều có hiệu suất hấp thụ cao và được
giải thích về cơ chế hấp thụ.
Tuy nhiên, các cấu trúc hấp thụ đã công bố thường rất phức
tạp, có nhiều tham số hình học, vì thế rất khó tùy biến để đạt
được một đặc tính hấp thụ mong muốn.
Trong luận án này, chúng tôi lần đầu tiên nghiên cứu chế
tạo thành công vật liệu Meta ở Việt Nam. Kết quả mới của luận
án là đưa ra các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, đo đạc, ít tham
số hình học, vì vậy, dễ tùy biến mà vẫn đảm bảo có được tính
hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ thuộc dải sóng vi ba.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu Meta
Vật liệu Meta là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của
nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo. Tên
tiếng Anh metamaterial thường được sử dụng cho một vật liệu
có tính chất khác thường. Thuật ngữ đã được đặt ra vào năm
1999 do Rodger M. Walser của Trường Đại học Texas tại
Austin. Ông đã xác định vật liệu Meta như vật liệu kết hợp
5

nhân tạo, 1, 2 hoặc ba chiều, cấu trúc tuần hoàn được thiết kế
để tạo ra những đặc tính vật lý không có sẵn trong tự nhiên.
Vật liệu Meta được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu
trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra các
tính chất vật lý vĩ mô (chủ yếu là tính chất điện từ) theo ý
muốn. Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai
thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật
liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự sắp xếp các cấu trúc
vi mô có thể theo 1 trật tự hoặc hỗn loạn. Các cấu trúc "nguyên
tử" này có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc
bất đẳng hướng, được làm từ kim loại hoặc điện môi, có thể là
chất phi từ hoặc sắt từ, và có kích thước nhỏ hơn so với bước
sóng hoạt động.
Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu
được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số
điện môi. Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu liên
quan chặt chẽ tới hai đại lượng này. Nguyên lý cơ bản của vật
liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ, từ những cấu
trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại
lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự
nhiên. Sự truyền sóng điện từ trong vật liệu Meta, do đó cũng
có thể dự đoán, thiết kế trước và điều chỉnh theo ý muốn. Hiện
nay nghiên cứu về vật liệu đã mở rộng ra nhiều dải tần của
sóng điện từ và sóng âm.
1.2. Ứng dụng của Vật liệu Meta
Việc ra đời của vật liệu Meta hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt
ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của
vật liệu này làm nó trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin,
6

cảm biến, các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu
Meta nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất
quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế.
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu
thấu kính được đề xuất bởi Pendry được trình bày trong Hình
1. Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã được Zhang
và các cộng sự chế tạo thành công.

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên
vật liệu Meta.
Một ứng dụng khác là lớp vỏ “tàng hình”. Khi chúng ta nhìn
mặt đường mùa hè vào ngày nắng gắt, từ một khoảng cách
thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước” lung
linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường. Hiện tượng này
được gây ra do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số lớn
trong vùng không khí mát hơn phía trên đến trị số nhỏ hơn
trong vùng không khí nóng tiếp giáp với mặt đường. Sự thay
đổi chiết suất sẽ làm uốn cong đường đi của ánh sáng. Các nhà
khoa học cũng đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu Meta có sự
thay đổi chiết suất làm uốn cong đường đi của sóng điện từ
7

xung quanh một vật thể. Vì không có sự phản xạ sóng từ vật
nên đối với người quan sát vật này là “tàng hình”. Như vậy, vật
liệu Meta không những có thể có chiết suất âm mà còn là một
tập hợp của những mảnh khảm (mosaic) quang học mang từng
trị số chiết suất khác nhau làm uốn cong đường đi của sóng
điện từ.
Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith và
Pendry phát hiện và kiểm chứng. Với ứng dụng này, chúng ta

có quyền nghĩ về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được
"bao phủ" bởi nó, thì không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù
chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ. Điều này tạo nên đột
phá lớn, đặc biệt là trong quân sự. Các thí nghiệm của nhóm
Smith (Đại học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng
nhìn thấy, các thí nghiệm với sóng ánh sáng trong vùng nhìn
thấy đang được tập trung nghiên cứu.
Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu Meta
còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần
số, cộng hưởng, cảm biến sinh học, đặc biệt là tính siêu hấp thụ
của loại vật liệu này.
1.3. Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial
perfect absorber - MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn
toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động.
Do MPA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên
nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần
số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều
bị triệt tiêu.
8

MPA thường được cấu tạo gồm 3 lớp: hai lớp kim loại
thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc,
đồng và xen kẽ là lớp điện môi. Tại tần số xác định, MPA hấp
thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với các vật liệu được nghiên
cứu trước đây (màn Salisbury, lớp Dällenbach ). Ngoài ra,
một trong những tính chất hết sức thú vị của MPAs là có khả
năng điều chỉnh được vùng tần số hoạt động mong muốn thông
qua thay đổi kích thước và lợi thế độ dày nhỏ như đã được
chứng minh là

0

/40,
0

/69.
Năm 2008, MPA đầu tiên đã được đề xuất bởi Landy. Loại
vật liệu này gồm ba lớp, hai lớp kim loại và một lớp điện môi
được mô tả trên Hình 2. Vật liệu có độ hấp thụ là A

99% tại
tần số 11.65 GHz.

Hình 2. MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008.
a) Cấu trúc ô cơ sở và phân cực; b) Kết quả mô phỏng.
Sau khi phát hiện ra khả năng hấp thụ tuyệt đối của vật liệu
Meta. Vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn.
Bằng chứng là các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cấu trúc vật
liệu Meta hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện
9

từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh
sáng nhìn thấy.
Các hướng nghiên cứu hiện nay về vật liệu metamaterial
hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra các vùng
sóng điện từ như sau: vi sóng (1 GHz–30 GHz: 30 cm–10 mm),
vùng sóng milimet (30 GHz–300 GHz: 10 mm–1 mm), vùng
THz (300 GHz–10 THz: 1mm–30 m), vùng hồng ngoại giữa
(10 THz–100 THz: 30 m–3m), vùng hồng ngoại gần (100

THz–400 THz: 3 m–0.75 m) và vùng khả kiến (400 THz–
800 THz: 750nm–375 nm).
Trong cộng đồng nghiên cứu về vật liệu Meta nói chung,
hiện các nhà nghiên cứu đang gặp phải một số khó khăn như:
tạo ra cấu trúc ba chiều và tổn hao lớn có sẵn trong các loại vật
liệu. Tuy nhiên, đối với MPA thì đây lại là lợi thế, độ tổn hao
lớn có thể tạo ra vật liệu hấp thụ cao. Hiện nay, các nhà khoa
học đang tập trung vào một số hướng nghiên cứu như sau:
- Tìm kiếm MPA có cấu trúc đơn giản.
- MPA không phụ thuộc phân cực sóng điện từ.
- MPA có hấp thụ dải rộng.
- MPA tuỳ biến: vật liệu Meta nói chung và MPAs nói riêng,
tính chất phụ thuộc rất mạnh vào các thông số cấu trúc. Ngoài ra,
các tính chất của chúng còn phụ thuộc vào hằng số điện môi và
các đặc tính vật lý của lớp điện môi. Như vậy, trong trường hợp
tác động ngoại vi như nhiệt, điện, quang có thể làm cho đặc
tính vật lý của lớp điện môi thay đổi, sẽ dẫn đến các tính chất của
vật liệu Meta thay đổi theo.
10

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu MPA hoạt động ở vùng tần số
cao như: THz, hồng ngoại, vùng ánh sáng khả kiến
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
2.1. Mô hình mch điện tương đương
Vật liệu Meta được tạo thành bằng cách tổ hợp có trật tự
những cấu trúc cơ bản nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt
động. Những cấu trúc này chính là những mạch cộng hưởng
điện từ sub-wavelength, có tác dụng tương tác với sóng tới,
và thay đổi tính chất của sóng truyền qua tại tần số cộng

hưởng. Chính vì vậy, đặc tính điện từ của vật liệu Meta có
thể được mô hình hóa thông qua mô hình mạch LC tương
đương của các cấu trúc cơ bản này. Tần số cộng hưởng và
các tính chất dị thường của vật liệu Meta cũng có thể được
tiên đoán chính xác dựa trên mô hình mạch tương đương LC.
Giá trị của L và C có thể được tính toán chính xác thông qua
các thông số hình học và tính chất của vòng dây SRR, từ đó tần
số cộng hưởng có thể được tiên đoán trước.
2.2. Mô phng vật lý
Các đặc tính điện từ như phổ truyền qua, phổ phản xạ, tổn
hao điện từ, phân bố năng lượng điện từ, và phân bố dòng điện
cảm ứng của các cấu trúc vật liệu Meta được mô phỏng bằng
các phần mềm máy tính. Các phần mềm chuyên dùng để mô
phỏng vật liệu Meta điện từ chủ yếu hiện nay được chia làm
hai loại, phần mềm thương mại và các phần mềm tự xây dựng.
Các phần mềm thương mại như CST Microwave Studio, HFSS
11

và Comsol có ưu điểm chính xác, nhiều tính năng, giao diện dễ
sử dụng tuy nhiên giá thành rất đắt, khả năng tùy biến km, và
tốn nhiều bộ nhớ. Trong một số trường hợp nhất định, các
phương pháp mô phỏng tự xây dựng dựa trên các phần mềm
mã nguồn mở như phương pháp ma trận truyền (Transfer
Matrix Method - TMM) và phương pháp đạo hàm hữu hạn
trong miền thời gian (Finite Difference Time Domain - FDTD)
cho tốc độ tính toánh nhanh, khả năng tùy biến tốt, cho php
can thiệp sâu vào cấu trúc và tính chất vật liệu, cũng như thêm
vào các tương tác ngoại vi Kết quả mô phỏng các tính chất
điện từ của vật liệu Meta đã được kiểm chứng bằng thực
nghiệm và nhiều phương pháp khác, cho độ tin cậy cao.

2.3. Kiểm chứng bằng thực nghiệm
Một trong những phương pháp nghiên cứu quan trọng để
kiểm chứng tính chất của vật liệu Meta điện từ là chế tạo mẫu
và thực hiện php đo xác định các đặc tính điện từ. Các php
đo này chủ yếu là php đo phổ truyền qua và phổ phản xạ ở các
vùng tần số khác nhau.  vùng sóng microwave, vật liệu Meta
được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp quang khắc truyền
thống với ưu điểm là đơn giản, độ chính xác cao và giá thành
r. Vật liệu ban đầu là bảng mạch in thương phẩm có hằng số
điện môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã được
phủ đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm. Bảng
mạch in sẽ được phủ lớp cảm quang và phơi sáng sau khi được
che bởi mặt nạ được in từ trước. Mặt nạ được thiết kế dựa trên
kết quả mô phỏng và mô hình hóa bằng mạch LC tương đương.
Hình 3 trình bày cấu trúc ô cơ sở cùng các tham số cấu trúc của
vật liệu Meta có tính chất khác nhau: a) vật liệu Meta có độ từ
12

thẩm âm, b) vật liệu Meta có chiết suất âm, c) vật liệu Meta
hấp thụ tuyệt đối. Hình 4 là ảnh chụp mặt trước của mẫu vật
liệu Meta: (a) cấu trúc CWP có độ từ thẩm âm và (b) cấu trúc
vật liệu Meta kết hợp có chiết suất âm.

Hình 3. Cấu trúc ô cơ sở của một số vật liệu Meta: (a) vật
liệu Meta có độ từ thẩm âm CWP, b) vật liệu Meta có chiết
suất âm, (c) vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối.


Hình 4. Vật liệu Meta CWP có độ từ thẩm âm (a) và vật
liệu Meta kết hợp có chiết suất âm (b).

Để đo các tính chất của vật liệu như phổ truyền qua, phổ
13

phản xạ hay hấp thụ chúng tôi sử dụng hệ phân tích mạng vc
tơ gồm hai ăng ten chuẩn, một ăng ten có vai trò phát, ăng ten
còn lại có vai trò thu tín hiệu. Hệ thiết bị đo được đặt trong
buồng hấp thụ sóng điện từ để giảm tác động nhiễu từ bên
ngoài. Vùng tần số hoạt động của vật liệu đã được tính toán
dựa trên thiết kế mô phỏng và mô hình mạch điện LC trước đó.

Hình 5. Hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ.
Hình 5 mô tả hệ và bố trí phép đo phổ truyền qua của một
mẫu vật liệu Meta. Hai ăng ten thu phát được đặt lần lượt ở bên
trái và phải. Tín hiệu nền được chuẩn hóa cùng với giá đ mẫu
trước mỗi php đo để loại bỏ ảnh hưởng của giá đ và nhiễu
nền lên kết quả đo. Mẫu đo được đặt trên giá để mẫu, giữa hai
ăng ten để khảo sát trong dải tần số cần quan sát. Kết quả thu
được từ các php đo là các phổ truyền qua, phản xạ và pha
tương ứng.
2.4. Phương pháp lý thuyết môi trưng hiệu dụng
Lý thuyết môi trường hiệu dụng là nguyên lý đầu tiên và cơ
bản xuyên suốt quá trình nghiên cứu vật liệu Meta điện từ. Bản
chất của vật liệu Meta là tổ hợp những “nguyên tử” có tính chất
14

điện từ nhân tạo để tạo ra các tính chất hiệu dụng của vật liệu.
Vì thế các “nguyên tử” này thường là các mạch cộng hưởng
điện từ và phải đủ nhỏ để được xem là liên tục tại tần số mà
tính chất hiệu dụng của nó hoạt động. Việc thay đổi tính chất
vật lý của các mạch điện từ này sẽ dẫn đến những biến đổi vĩ

mô của vật liệu Meta, điều này giúp cho việc kiểm tra và so
sánh tính chất của vật liệu Meta với vật liệu thường có thể
được thực hiện một cách dễ dàng.
2.5. Phương pháp truy hồi tham số điện từ
Trong khi phương pháp lý thuyết trường hiệu dụng được sử
dụng để nghiên cứu một cách định tính, xây dựng một phương
pháp nghiên cứu định lượng các tính chất điện từ của vật liệu
Meta là rất cần thiết. Tuy nhiên, việc đo trực tiếp các đặc tính
điện từ như độ từ thẩm µ, độ điện thẩm , chiết suất n, và trở
kháng Z theo tần số của vật liệu Meta lại rất khó thực hiện một
cách chính xác. Chính vì vậy kỹ thuật tính toán các giá trị này
dựa trên biên độ và pha của sóng truyền qua và phản xạ trở nên
rất hữu ích trong nghiên cứu định lượng các tính chất của vật liệu
Meta. Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi để
tính các tham số điện từ từ phổ truyền qua và phản xạ là phương
pháp chuẩn đề xuất bởi Chen và các cộng sự, cho php xác định
được chính xác phần thực của chiết suất n từ công thức
exp(inkod) = X ± i(1 – X2)1/2 (1)
trong đó, X = 1/2S21(1 – S112 + S212), ko là số sóng, d là độ
dày của lớp vật liệu Meta, và n là chiết suất. Khi các giá trị độ
từ thẩm, độ điện thẩm, chiết suất và trở kháng hiệu dụng của
vật liệu Meta được thể hiện, chúng ta có thể xác định rõ dấu, và
15

độ lớn cũng như bản chất của vùng truyền sóng là chiêt suất
âm hay không. Có thể nói đây là một trong những phương
pháp nghiên cứu ưu việt và là công cụ mạnh để nghiên cứu vật
liệu Meta. Trong các kết quả nghiên cứu sắp trình bày dưới đây
của chúng tôi, phương pháp tính các tham số điện từ này được
sử dụng bổ trợ và tỏ ra rất hữu ích trong việc tìm hiểu bản chất

của vật liệu Meta.
2.6.Công nghệ chế to
Vật liệu ban đầu gồm có một lớp điện môi có hằng số điện
môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã được phủ
đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm. Qui trình chế
tạo vật liệu được trình bày trên hình 6.

Hình6. Quy trình chế tạo vật liệu Meta.

16

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA
HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG TẦN SỐ GHZ
3.1. MPA cấu trúc chữ I
Cấu trúc hấp thụ MPA được đề xuất bởi Landy (Hình 2)
tương đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo.
Tìm kiếm một cấu trúc MPA đơn giản nhưng có hiệu suất hấp
thụ không đổi là một bài toán được nhiều nhóm nghiên cứu quan
tâm. Dựa trên bản chất vật lý của cấu trúc Landy, chúng tôi đã
tiến hành nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc hấp MPA,
hướng tới một cấu trúc có tính ưu việt trong chế tạo và đo đạc.
Mẫu hấp thụ MPA hình chữ I là sự rút gọn của cấu trúc Landy
dựa trên cơ sở mạch cộng hưởng LC (Hình 7). Đây là một trong
những kết quả nghiên cứu, chế tạo vật liệu MPA đầu tiên ở Việt
Nam. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng, tồn
tại mộtđỉnh hấp thụ ~100% ở tần số 14,2 GHz (Hình 8).

Hình 7. MPA cấu trúc hình
chữ I: a) Ô cơ sở và các tham

số cấu trúc; b) mẫu chế tạo.
Hình 8. Kết quả mô phỏng và
thực nghiệm phổ hấp thụ của
MPA cấu trúc chữ I.
17

3.2. MPA cấu trúc thanh kim loi hữu hn
Chúng tôi tiếp tục đơn giản hóa cấu trúc MPA một lần nữa
bằng cách giới thiệu cấu trúc thanh kim loại hữu hạn (Hình 9).

Hình 9. MPA cấu trúc thanh kim loại hữu hạn. (a) Các tham số
cẩu trúc ax = 5 mm,ay = 11 mm, l = 5.5 mm, w = 1 mm, td =
0.4 mm, tm = 0.036 mm và (b) mẫu chế tạo.
Cấu trúc thanh kim loại hữu hạn là sự tối giản của mạch
cộng hưởng LC từ cấu trúc ban đầu của Landy. Tần số cộng
hưởng và các tính chất điện từ khác của MPA thanh kim loại
hữu hạn chỉ phụ thuộc vào độ dài và độ rộng của dây kim loại.
Hình 10. Kết quả mô phỏng và
thực nghiệm phổ hấp thụ của
cấu trúc thanh kim loại hữu hạn.

Hình 11. Kết quả mô phỏng
sự phụ thuộc của độ hấp thụ
vào góc phân cực

.
18

Kết quả thể hiện trên Hình 10 cho thấy kết quả thực nghiệm
phù hợp với kết quả mô phỏng, tồn tại mộtđỉnh hấp thụ ~100%

ở tần số 15 GHz. Tuy nhiên do tính bất đối xứng của cấu trúc,
độ hấp thụ giảm khi tăng góc phân cực tạo bởi 𝐸
⃗

và trục dọc
dây thank kim loại (Hình 11).
3.3. MPA cấu trúc dấu cộng
Để nâng cao hiệu suất hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ,
chúng tôi đã thiết kế và chế tạo cấu trúc MPA dấu cộng (Hình 12).

Hình 12. MPA cấu trúc dấu cộng. (a) Ô cơ sở, phân cực
sóng điện từ; và (b) mẫu chế tạo.
Kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng minh cấu trúc dấu
cộng có hiệu suất hấp thụ tốt khi thay đổi giá trị góc phân cực.
3.4. MPA cấu trúc đĩa tròn
Từ kết quả đạt được với cấu trúc dấu cộng, cấu trúcđĩa tròn
(Hình 13) được nghiên cứu nhằm tăng tối đa hiệu suất hấp thụ
bằng đối xứng phân cực.

19


Hình 13. MPA cấu trúc đĩa tròn.(a) Ôcơ sở, phân cực
sóng điện từ và (b) mẫu chế tạo.

Hình 14. Kết quả mô phỏng
và thực nghiệm phổ hấp thụ
của cấu trúc đĩa tròn.

Hình 15. Kết quả mô phỏng

sự phụ thuộc của độ hấp thụ
vào góc phân cực φ MPA cấu
trúc đĩa tròn.
Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm độ hấp thụ của cấu
trúc đĩa tròn cho kết quả rất tốt. Độ hấp thụ đạt gần như tuyệt
đối trong khi không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng. Hình 14
và 15 cho thấy cấu trúcđĩa tròn là cấu trúc có kết quả tốt nhất,
tồn tạiđỉnh hấp thụgần như tuyệtđối ở tần số 13,8 GHz đối với
tất cả các góc phân cực φ được khảo sát.

20

CHƯƠNG 4: MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG
4.1. MPA siêu ô cơ sở
Dựa trên nguyên lí cộng hưởng, các cấu trúc đã khảo sát ở
trên chỉ thu được đỉnh hấp thụ ở 1 tần số nhất định, do mẫu được
tạo từ các ô cơ sở có cấu trúc một phần tử dẫn ở mặt trước có
kích thước giống hệt nhau. Hấp thụ dải rộng được tiến hành với ý
tưởng tạo mẫu hấp thụ từ các ô cơ sở có nhiều phần tử kim loại ở
mặt trước có kích thước khác nhau. Sai khác về kích thước đủ
nhỏ để các đỉnh hấp thụ cộng hưởng thu được nằm sát, phủ lên
nhau; mang lại hiệu ứng giống như một phổ hấp thụ dải rộng.
Hình 16. MPA có 4 đĩa tròn: (a) ô cơ sở và (b) mẫu chế tạo

Hình 17. Kết quả mô phỏng và
đo thực nghiệm phổ hấp thụ
của cấu trúc có 4 đĩa tròn.
Hình18. Sự phụ thuộc phổ
hấp thụ của cấu trúc gồm 9
đĩa tròn vào góc phân cực.

21

Hình 16 trình bày ô cơ sở và mẫu chế tạo cấu trúc MPA dải
rộng dựa trên tổ hợp của bốn cấu trúc đĩa tròn có đường kính
khác nhau. Kết quả mô phỏng rất khớp với giá trị đo thực
nghiệm (Hình 17), thu được một phổ hấp thụ dải rộng, với 4
đỉnh hấp thụ cộng hưởng gây ra do 4 đĩa tròn với kích thước
tương ứng. Đỉnh hấp thụ dải rộng này không phụ thuộc vào
phân cực sóng như đối với cấu trúc một đĩa tròn.
Hình 18 trình bày một phổ hấp thụ dải rộng có hiệu suất hấp
thụ tốt và đều, là kết quả của cấu trúc có ô cơ sở là 9 đĩa tròn
có bán kính khác nhau. Ngoài ra, kết quả này một lần nữa
khẳng định ưu điểm của cấu trúc đĩa tròn là tính đẳng hướng
cao: không suy giảm độ hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ.
4.2. Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động
ở vùng tần số GHz
Với các kết quả khả quan thu được với các mẫu vật liệu
Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba, buồnghấp thụ 3D được thiết
kế, chế tạo thử nghiệm (Hình 19).

Hình 19. Buồng hấp thụ 3D được chế tạo từ mẫu MPA cấu trúc
dấu cộng (a) và (b) thí nghiệm khảo sát tính chất điện từ buồng
hấp thụ 3D ở dải tần 12-18 GHz.
(a)
(b)