Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (19.87 MB, 122 trang )
B GIÁO DO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI
Thành Vit
NGHIÊN CU CH TO
VÀ TÍNH CHT HP TH TUYI SÓNG VI BA
CA VT LIU META (METAMATERIALS)
LUN ÁN TIC VT LIU
Hà Ni 2015
B GIÁO DO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI
Thành Vit
NGHIÊN CU CH TO
VÀ TÍNH CHT HP TH TUYI SÓNG VI BA
CA VT LIU META (METAMATERIALS)
Chuyên ngành: Vt lin t
Mã s: 62440123
LUN ÁN TIC VT LIU
NG DN KHOA HC:
1. PGS. TS. Nguyu
Hà Ni 2015
2
L
u ca tôi. Các s liu, kt qu nêu trong
lun án là trung thc công b trong các công trình khác.
NGHIÊN CU SINH
THÀNH VIT
3
LI C
c tiên, tôi xin gi li cchân thành và sâu sc nht ti PGS. TS. Nguy
Hiu Lãm. Là nhng dn, các th ng
kp thi và tu kin thun li nht c v vt cht và tinh thn tôi có th hoàn thành
tài nghiên cu này.
Tôi xin chân thành cn Thanh Tùng, là i i, i anh em,
c nghiên cng dn, sát cánh khi tôi thc hin
lun án này.
Tôi xin chân thành co và tu kin trong quá
trình tôi hc tp và nghiên cu lun án này.
Tôi xin chân thành cTp chí Nghiên cu Khoa hc và Công ngh quân s và
Vin Vt lý k thut - Vin Khoa hc và Công ngh quân su kin cho tôi v
thi gian và công vic t, to thun l tôi thc hin lun án này.
Tôi xin chân thành cm siêu cao tn - Vin Radar - Vin Khoa hc
và Công ngh quân s u kic kho sát kt qu thc nghim
ca lun án.
Tôi xin chân thành c NCS. Phn
Th Hin, NCS. Phm Th Trang và các thành viên nhóm nghiên cu Metamaterial -
Vin Khoa hc Vt liu - Vin Hàn lâm Khoa hc và Công ngh Vi,
tr tôi trong sut thi gian tôi thc hi tài nghiên cu ti nhóm.
Tôi xin chân thành c c Khoáng và các
thành viên nhóm nghiên cu Gas Sensor - Vin ITIMS i hc Bách khoa Hà Ni,
, h tr tôi trong thi gian tôi sinh hot và nghiên cu ti nhóm.
Lu c hoàn thành vi s h tr kinh phí t tài Nafosted (103.02-
2013.54).
Cui cùng, tôi xin c mình, các , tu
kin t tôi thc hi tài nghiên cu này.
NGHIÊN CU SINH
THÀNH VIT
4
MC LC
DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT
DANH MC CÁC BNG
DANH MC CÁC HÌNH NH VÀ TH
M U 12
TNG QUAN 15
1.1 Gii thiu chung v vt liu Meta 15
1.2 Các khái nin v vt liu Meta 17
1.3 Mt s ng dng ca Vt liu Meta 20
1.4 Mô hình gin t vi vt liu Meta 22
1.5 Vt liu Meta hp th n t (MPA) 26
1.5.1 Các loi vt liu hp th sóng vi ba 26
1.5.2 hp th ca vt liu 31
1.5.3 Vt liu Meta hp th n t 34
1.6 Mc tiêu nghiên cu ca lun án 36
U 38
2.1 u và công ngh ch to vt liu Meta 38
2.1.1 u 38
2.1.1.1 38
2.1.1.2 ng 39
2.1.1.3 thc nghim 43
2.1.1.4 44
2.1.1.5 t hiu dng 45
2.1.2 Ch to MPA 46
2.2 Quy trình nghiên cu MPA hong trong vùng tn s GHz 49
2.2.1 La chn cu trúc và vt liu 49
2.2.2 Công ngh ch to 51
2.2.2.1 Xây dng h thit b ch to mu 51
2.2.2.2 Quy trình ch to mu 52
2.2.3 ng 50
2.2.4 c 54
2.2.5 55
TU TRÚC MPA 60
3.1 MPA cu trúc ch I 60
3.1.1 Tính cht hp th n t 60
5
3.1.2 ng ca tham s cu trúc lên tính cht hp th - cu trúc ch I 67
3.1.3 ng ca phân cn t lên tính cht hp th 68
3.2 MPA cu trúc CW 69
3.2.1 C 69
3.2.2 Tính cht hp th n t 69
3.3 MPA cu trúc du cng 71
3.3.1 C 71
3.3.2 Tính cht hp th n t 72
3.3.3 ng s phân cn t lên tính cht hp th 73
3.4 MPA c 74
3.4.1 C 74
3.4.2 Tính cht hp th n t 74
3.4.3 ng ca tham s cu trúc lên tính cht hp th 75
3.4.4 ng s phân cn t lên tính cht hp th 79
3.5 MPA cu trúc vòng tròn 81
3.6 hp th n t 82
3.7 Kt lun 86
MPA HP TH DI RNG 87
4.1 Cnh hp th 87
4.2 Cu trúc MPA hai thanh kim loi so le hp th di rng 90
4.3 MPA 92
4.4 Thit k ch to, kho sát bung hp th 3D hong vùng tn s GHz . 96
4.5 Kt lun 98
KT LUN CHUNG VÀ KIN NGH 99
DANH M CA LUN ÁN
PH LC
6
DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT
MMs
MPA
CWP
SRR
eSRR
:
:
:
:
:
metamaterials
metamaterial perfect absorber
cut-wire pair
split-ring resonator
single electric split-ring resonator
7
DANH MC CÁC BNG
[62]. 40
8
DANH MC CÁC HÌNH V VÀ TH
[9] 16
[10] 17
, 20
[11] 21
[13] 21
Hình 1.6. ca vt liu Meta có cu trúc cp thanh kim loi hu
hn; (b) ma cu trúc [28] 23
Hình 1.7. (a)
; ([29] 24
CWP 25
25
Hình 1.10. Mô hình
m
f
=13.8 GHz và
e
f
= 30.0 GHz 26
27
38
Hình 2.2. [70] 41
g [70] 41
Hình 2.4. (kim
(
([70] 42
Hình
: (
và (b) k 45
[10]. 48
quy trình 49
Hình 2.8. 50
51
52
Hình 2.11. (
s
= 0.4 mm [85]. (b) Mô hình c
CWP,
x
= 5 mm; a
y
= 11 mm; l = 5.5 mm; w = 1 mm; t
s
= 0.4 mm. 53
9
Hình 2.12. (
d
= 0.4 mm [86]. (
x
=
4.0 mm, a
y
= 7.6 mm, l
s
=5.6 mm, w
s
= 3.2 mm và w
n
= 0.8 mm. 53
Hình 2.13.
wire
= w
cutwire
= 1.0 mm, l
cut-wire
= 5.5 mm, a
x
= a
y
= 7.0 mm, t
s
= 0.4 mm. 54
55
Hình 3.1. C 60
(b) t 61
vào 62
: (a) C
2.5 mm; t = 0.6 mm, a
x
= 4 mm; a
y
= 7.2 mm; t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm; (b)
63
trúc 64
I 65
Hình 3.7.
65
66
67
68
69
: (a) Cu trúc a
x
= 5 mm, a
y
= 11 mm,
l = 5.5 mm, w = 1 mm, t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm; (b) 69
.5 mm và w = 1.
c)
[87] 70
Hình 3.14. 71
a
x
= a
y
= 8.3 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0
mm 72
72
10
a = 8.3 mm, l = 5.5
mm, w = 1 mm: k
.
0
73
Hình 3.18.
a = 12 mm, R = 3 mm, t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm 74
75
75
77
LC 78
Hình 3.23. R = 3 mm, t
d
=
0.4 mm, a = 12 mm: (b) K
79
80
80
: a = 8 mm, R =
1.3 mm, t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm; 82
tròn 83
(a)
(b) l (c) 83
Hình 3.29. (
18 nm; ( 84
Hình 3.30.
85
eSRR: (a) thành phn
và các tham s hình hc chính ca cu trúc, ( và phân cc sóng
n t, (c) mu ch to vi các tham s: r
2
= 2.3 mm, r
1
= 2.7 mm, w = 0.2
mm, l = 1.6 mm, d = 0.4 mm, a
x
= a
y
= 12 mm 87
eSRR 88
trúc eSRR: (.4 GHz và (.1 GHz 88
89
90
91
11
trúc hai (.28 GHz và (.82 GHz 91
Hình 4.8. MPA có 4 92
: (a) p
tròn và 93
94
Hình 4.11.
95
96
Hình 4.13. (a)
( 96
97
12
MỞ ĐẦU
ng trong thi ca cuc cách mng vt ling
mi. Vic nghiên c tìm ra các loi vt liu t cho các
vt liu truyn th cp thit. Nghiên cu vt liu mi còn nhm
m to ra nhng vt liu có tính chc bit, ti vt liu t
nhiên, có ti ng dng rng rãi. T t liu Meta
(metamaterials - vit tt là MMs) xut hi ng nghiên cu rt tim
c vt liu mi. Vt liu Meta c to thành t s sp xp tun
hoàn ca nhng phn t n nhân tc thit k vi mo ra nhng
tính chn t bng, không tn ti trong các vt liu t nhiên.
Hin nay có nhing nghiên cu khác nhau v vt liu Meta. ng nghiên
c u tiên và rng rãi nht là vt liu Meta chit sut âm (negative refractive
metamaterial). Vt liu Meta chit suc ch to thành công lu tiên
i Smith và các cng s tng i hc Duke (Hoa K), chng
minh s tn ti cng chit su Vt liu
Meta chit sut âm có nhiu tính cht vt lý thú v nm cùng phía
vi tia t
) cn t lan truyng chit
sut âm to thành tam din nghch (left- ng
Poynting
c chiu nhaui nay, rt nhiu tính cht
c bit khác ca vt liu Meta chit suc phát hin và chng minh bng
thc nghim. Mt trong nhng ng dng ni bt nht ca vt liu Meta chit sut
âm là siêu thu kính (super lens) xut b
c Zhang và các cng s ch t
Gt ng dc nghiên cu rng rãi t
vc vt liu Meta t li . Vt liu
xut và chng minh ti vùng GHz bi Schurig và các
cng s u chnh các tham s n t hiu dng mt cách
hng vt liu Meta b un cong theo ý
mun. Nh t th b giu bên trong lp v vt liu Meta hoàn toàn tr nên
13
mc sóng nhnh. Ngoài ra, hàng lot ng dng quan trng
khác ca vt liu Meta c các nhà khoa h xut và t
nghiên cu, lc tn s, b cng, cm biì nhng tính chc
bit và kh ng dng to ly, vt liu Meta c các nhà
khoa hc trên th gii quan tâm nghiên cu. Ti Vit Nam, nhóm nghiên cu ca
n Khoa hc Vt liu Vin Hàn lâm Khoa hc và
Công ngh Vit Nam là mt trong nhng nhóm tiên phong trong nghiên cu v vt
liu Meta c mt s kt qu nhnh.
Trong khuôn kh nghiên cu ca lun án tip trung vào mt
tính cht mc phát hin và nghiên cu ca vt liu Meta
vt liu Meta hp th tuyi n t. Vt liu Meta hp th tuyi
n t có bn cht vt lý khác bit tri so vi các loi vt
liu hp th truyn thng khác, ví d n s hp th c thit k nh
c khi ch to, hp th gtoàn b n t ti, chiu dày vt
liu mng, ch khong hp th tng quát có th ng dng t
vùng MHz t
Mc tiêu ca lun án tp trung gii quyt ba v chính: c
pháp nghiên cu và công ngh ch to vt liu Meta hp th tuyi sóng viba. ii)
Nghiên cu t u trúc vt liu Meta hp th tuy i sóng viba và iii)
Nghiên cu nâng cao hiu sut hp th ca vt liu Meta vùng sóng viba bng cách
m rng di tn hp th.
Vi m c chia I: Tng
quan - gii thiu chung v vt liu Meta và s hp th n t s dng vt liu
Metac nghim và mô phc s d nghiên cu vt
liu Meta s c gii thi
quy trình t tìm kim mt cu trúc vt liu Meta hp th n, không
phân cc, có th d dàng ch to. c tính hp th ca cu trúc vt liu Meta t
c chng minh làm rõ bc tính truyn qua và so sánh vi kt qu
mô phng. Da trên cu trúc tc, chúng tôi nghiên cu làm rõ bn cht
cc tp bên trong quá trình hp th, t i thin hiu sut hp
14
th và m rng b rng vùng hp th ca vt liu Meta là ni dung C. Các
tính cht ca cu trúc vt liu Meta hp th s c chng minh và làm rõ bng c
c nghim và mô phng vùng tn s GHz.
1.1
15
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta
Trong t nhiên, các tính cht vt lý ca vt lic quynh bi tính
cht ca các nguyên t và cu trúc mng tinh th ca nhng nguyên t này [5]. Ý
ng v s tn ti ca nhng nguyên t nhân tc sp xp trong các mng tinh
th nhân ti có th to ra nhng tính cht mi l không tn ti
trong t nhiên, t quan tâm ca các nhà khoa hc. Vi s phát
trin ca khoa hc công ngh, nhng tính chc bit,
c to ra bng cách sp xp có ch ý nhiu nguyên t cùng hoc khác lo
i t u nha th k c [33]. Mt trong nhng ví d n hình v
s thành công trong vic to ra các tính cht mi ca vt liu bng cách can thip
nhân to vào mng tinh th có th k n ng nano các bon [52] và g
graphene [56].
Tuy nhiên, thú v là s i ca vt lin t nhân to Meta. Vt liu
c xây dng da trên nh nguyên tng mch cng ng
n t nh u lc sóng mà tc bit ca vt liu
Meta xut hin. Bi tính cht và mng tinh th (quy lut sp xp)
c nguyên tng thi, các nhà khoa hc có th c
nhng tính cht bng không tn ti trong vt liu t nhiên. Mt trong nhng
tính cht thú v c tìm kiu tiên ca vt liu Meta là kh o ra môi
ng có chit sut âm. V mt lý thuyt, s tn ti ca vt liu có chit su
xu[79], da trên s kt hng thi ca vt li t
thm âm (µ<0 n thm âm ( t
xut c9, Pendry mt liu có chit sut âm
u tiên da trên cu trúc vòng cng có rãnh (split-ring resonator) [61]. Sau
ng s lu tiên chng minh bng thc nghim s tn
ti ca vt liu chit sut âm (n < 0) bng vt liu Meta [65].
ng ca vt liu Meta không dng li kh
n ca nh nguyên tt liu Meta có th c thit k thay
16
.
i toàn din tính cht truyn t ct
ln na thu hút s chú ý ca cng khoa hng minh
bng thc nghim s tn ti ca lp v n t bng vt liu Meta ti
vùng GHz [64]. Gvt liu Meta hp th tuyn
t (metamaterial perfect absorber - MPA xut bi I. Landy.
Cu trúc MPA gm ba lp: hai lp kim loi và mt lc mô t trên
Hình 1.1 hp th là A
99% ti tn s 11.65 GHz [39].
Hình 1.1. c tìm ra b[39]
Kh ng dng to ln ca vt liu Meta hp th tuyn t trong
cuc sng và quân s khin cho vt lic quan tâm mc bit
trong thi gian ngn, các nhà nghiên cn các cu trúc vt liu
MPA hot ng các vùng khác nhau ca ph n t
THz, hng ngoi, thm chí vùng ánh sáng nhìn thy (Hình 1.2).
(a)
(b)
1.1
17
Hình 1.2. Lch s nghiên cu và phát trin ca MPA [83]
thun tin cho vic nghiên cn t
sau: vi sóng (1 GHz30 GHz: 30 cm1 cm), vùng sóng milimet (30 GHz300 GHz:
10 mm1 mm), vùng THz (300 GHz10 THz: 1mm30
m), vùng hng ngoi
gia (10 THz100 THz: 30
m3
m), vùng hng ngoi gn (100 THz400 THz:
3
m0.75
m) và vùng kh kin (400 THz800 THz: 750 nm375 nm).
1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta
(1.1)
(1.1) th hin mi liên h gia tn s c
i vi các vt liu mt chiu c
ánh sáng (1.1) có th c vit li dn sau:
2
22
2
kn
c
(1.2)
18
.
vi:
n
2
=
(1.3)
T (1.2) và (1.3) ta có th thy rng vi s i mng
thi du c không n m a n
2
và k
2
. Tuy
ng hp vt liu có giá tr ó s dn nhng
tính cht vt lý k diu. Nhng tính cht này hoàn toàn khác bit vi tính cht ca
các vt li
hiu rõ hiu ng ca loi vt liu này, thì chúng ta s phân tích bu t
(1.4)
Vi:
(1.5)
và xut hin mc lp khác vi (1.1),
(1.2) và (1.3) khi và xut hing thi trong mt th i vi sóng phng
ng B và D là t l vi e
i(kz-
và do v(1.4) và
(1.5) có th c rút gn thành:
k H E
c
r
rr
(1.6)
k E H
c
r
rr
Biu thc (1.6) rt quan trng, nó giúp chúng ta hiu rõ bn cht ca vt liu có
chit sut âm. Nu c và
,
,
to thành mt tam
1.2 Meta
19
din thun (tuân theo quy tc bàn tay phng hng thi âm,
,
,
s to thành mt tam din nghch (tuân theo quy tc bàn tay
ng cnh b
không ph thuc vào d ln ca và :
4
c
S E H
r
rr
(1.7)
i vi vt liu có và
ng ra t ngun phát x
(t
và
song song vng hp vt liu có
và
ng vào ngun phát x
và
i
t trong nhm khác bit chính ging hp vt liu có
và cùng âm vng hp vt liu có hai giá tr và
Hình 1.3 biu din mi liên h gia và . Các vt ling có
n t có th lan truyc trong vt liu (góc phn
nht). Khi mt trong hai giá tr t thm hon thm âm và giá tr còn li
trong min không gian góc ph hai và th n
t nhanh chóng b dp tt và không th lan truyng
hp c a chúng mang giá tr
n t vn có th lan truyn bên trong vt ling này
c gi là vt liu chit sut âm.
20
.
Hình 1.3. ,
v
1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta
Vt liu Meta ng là vt liu có cu trúc nhân to cho phép chúng ta quan sát
thy nhng tính cht vt lý kì l, không xut hin trong nhng vt liu tn ti sn có
trong t nhiên. Chính vì vy, vii ca loi vt liu mi này ha hn s mang
li hàng lot ng dng mi và quan trng trong cuc sng. S linh hot ca vt liu
này làm cho vt liu tr nên quan trc thông tin, cm ng, các thit
b quang hc. S thú v thc s ca vt liu Meta nm kh u khin sóng
n t hay tính cht quang ca vt liu phc v cho hàng lot các ng dng thc t.
Mt trong nhng ng dng ni bt nht ca vt liu này là siêu th
xut bi Pendry [59] Hình 1.4. c bit ca thu kính này là có th t
qua gii hn quang hc ca các thu kính c cho nh hi t ca hai ngun
sáng cách nhau mt khong nh c sóng. Vì th phân gii s c nâng
lên gp nhiu ln so vi các thu kính quang hc truyn thng. N, siêu thu
kính quang hc da trên vt liu Meta c Zhang và các cng s chng minh
bng thc nghim thành công [23].
1.3 Mt s ng dng ca Vt liu Meta
21
Hình 1.4. [59]
nhóm Smith
[64].
Hình 1.5. Nguyên lý hong ca lp v tàng hình vt liu Meta [60]
Hình 1.5).
,
ày
22
.
Ngoài nhng ng dng kì diu rõ ràng k trên, vt liu Meta còn t ra rt tim
lc tn s [9,40], cng [22,58], cm bin
sinh hc [41,86]c bit là tính hp th tuyi ca loi vt liu này [21,39,89].
Vi s phát trin mnh m ca vt liu nano, kéo theo kh to vt liu siêu
hp th ánh sáng mt tri, to trin vng ng dng vt liu Meta làm pin mt tri hiu
sut cao [18,49,82].
Tuy bin kh ng dng ca vt liu Meta thành nhng ng dng
trong thc t, còn rt nhiu v cc làm rõ và cn nghiên cu mt cách
thc tiên là b ch to vt liu có cn, d
i xc bit là hong vùng tn s THz hay vùng kh
kin. Tin vic m rng vùng tn s hong ca vt liu,
ch to vt liu không ph thuc phân cn t, hay viu khin tính
cht ca vt liu bng các tác ng ngoi vi (quang, nhin, t
c các nhà khoa hc quan tâm mt cách sâu sc.
-Hàn lâm
vt liu Meta
[71,73,76]. Vt
liu Meta vi tính chm ni bt so vi các vt liu hp th thông
ng khác. Do vy, vic nghiên cu tính cht hp th ca vt liu Meta
n t
1.4 Mô hình giải thích tƣơng tác sóng điện từ với vật liệu Meta
n nay, s a vt liu Meta vn t c gii
thích da trên mô hình mch cng LC , xut bi Zhou
và cng s [90]. T mô hình này, chúng ta có th d c tn s mà t
xy ra hing hp th tuyi hay tính cht chit sut âm ca vt liu.
1.4 M
23
Hình 1.6. ca vt liu Meta có cu trúc cp thanh kim loi hu hn;
(b) ma cu trúc [90]
Hình 1.6 (a) trình bày c ca vt liu Meta có cu trúc cp thanh kim
loi hu hn mc ch ra trên Hình 1.6 (b).
, t n C xut hin u ca CWP, cun cng vi mi
i vi vt liu Meta có cu trúc khác nhau, mô hình mch cng LC
gii thích hing này.
ng hp tng quát, c sp xp tun hoàn to thành
vt liu Meta xy ra s trong vt liu.
Bng cách tính toán ta có tn s cng t và c
11
11
2
2 / 2 2 / 2
m
m
r
c
f
l
l c c
(1.8)
1
2
e
ee
f
CL
(1.9)
l là chiu dài ca thanh kim loi,
là hng s n môi ca ln môi,
là h s có giá tr trong [0.2, 0.3], C
e
c sinh ra do hai thanh kim
loi c
, L
e
t cc sinh ra bi thanh kim loi. Chi
tit v s din gii biu th cp trong tài liu tham kho [90].
Mt cách g, tn s cng t ph thuc vào các tham s cu trúc
u th:
