Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials) (tt)

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỰ TƢƠNG TÁC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI
GIẢ VẬT LIỆU (METAMATERIALS)
Mã số: ĐH2014-TN07-02

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Hiền

Thái Nguyên, 11/2016


2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỰ TƢƠNG TÁC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI
GIẢ VẬT LIỆU (METAMATERIALS)
Mã số: ĐH2014-TN07-02

Xác nhận của tổ chức chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu)

(ký, họ tên)

Thái Nguyên, 11/2016


1

Danh sách các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp chính
1. Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Hiền
2. Thành viên đề tài: TS. Nguyễn Xuân Ca
3. Đơn vị phối hợp chính: Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam


2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MMs

:

Metamaterials

MPA

:

metamaterial perfect absorber

CWP

:

cut-wire pair

SRR

:

split-ring resonator

eSRR

:

single electric split-ring resonator


3

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài:Nghiên cứu sự tương tác của sóng điện từ với giả vật liệu (metamaterials)
- Mã số: ĐH2014-TN07-02
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Hiền

- ĐT: 0983650263

Email:

- Cơ quan chủ trì đề tài:Trường Đại Học Khoa Học – ĐH Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 01/2014 đến 12/2015
2. Mục tiêu:
1. Xây dựng được chương trình tính toán các tham số hiệu dụng (độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε,
chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen.
2. Tìm kiếm Metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao.
3. Tìm kiếm cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broad band)
3. Tính mới và sáng tạo:
- Lần đầu tiên tại Việt Nam đã xây dựng được một chương trình tính toán các tham số hiệu dụng
(độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε, chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen.
- Tìm kiếm được cấu trúc vật liệu Meta đơn giản và có vùng tần hoạt động ở vùng GHz góp phần
sớm đưa vật liệu Meta vào ứng dụng thực tế
4. Kết quả nghiên cứu:
1. Đã xây dựng được chương trình tính toán các tham số hiệu dụng (độ từ thẩm µ, độ điện thẩm ε,
chiết suất n, trở kháng z) dựa trên thuật toán đề xuất bởi Chen.
2. Đã tìm được Metamaterials có cấu trúc đơn giản, đối xứng cao.
3. Đã tìm được cấu trúc và chế tạo vật liệu MMs có vùng tần số làm việc rộng (broad band).
5. Sản phẩm:
5.1 . Sản phẩm khoa học:
Có 02 bài ISI:
1. Hien N. T., Le L. N., Trang P. T., Tung B. S., Viet N. D, Duyen P. T., Thang N. M., Viet
D. T., Lee Y. P., Lam V. D, Tung N. T. (2015), “Characterizations of a thermo-tunable
broadband fishnet metamaterial at THz frequencies”, Computational Materials Science
103, pp. 189-193.
2. Viet D. T., Hien N. T., Tuong P. V., Minh N. Q., Trang P. T., Le L. N., Lee Y. P., Lam V.
D. (2014), “Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and broadband absorption”,

Optics Communications 322, pp. 209-213.
Có 01 bài đăng trên tạp chí quốc tế khác:


4

1. Hien N. T., Tung B. S., Tuan N. T., Tung N. T., Lee Y. P., An N. M. and Lam V. D.
(2014), “Metamaterial-based perfect absorber: polarization insensitivity and broadband”,
Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 5, pp. 025013-025019.
Có 03 bài đăng trên tạp chí trong nƣớc:
1. Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Phan Thị Duyên, Ngô Đức Việt, Lí
Nguyên Lê, Vũ Đình Lãm (2014), “Nghiên cúu sự mở rộng vùng tần số có chiết suất âm
dựa trên cơ sở mô hình lai hóa plasmon bậc hai”, Tạp chí Khoa học Công nghệ 52 (3B), tr.
45-53.
2. Duyen P. T., Hien N. T., Viet N. D, Tung N. T., and Lam V. D. (2015), “Decisive role of
the dielectric spacer on metamaterial hybridization”, Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công
nghệ Quân sự 35 (02), tr. 106-111.
3. Nguyễn Thị Hiền, Vũ Đình Quí, Trịnh Thị Giang, Nguyễn Thanh Tùng và Vũ Đình Lãm
(2016), “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo siêu vật liệu không phụ thuộc vào phân cực sóng
điện từ”, Tạp chí Khoa học Công nghệ 54 (02), tr. 258-265.
Có 01 bài đăng trên kỷ yếu hội nghị:
1. Vũ Đình Lãm, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Thị Hiền, Đỗ Thành Việt, Phạm Thị Trang và
Lê Văn Hồng (2015), “Một số kết quả nghiên cứu về siêu vật liệu biến hóa Metamaterial
tại Viện Khoa học Vật liệu”, Tuyển tập báo cáo – 40 năm thành lập Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam, tr. 195-214.
5.2.

Sản phẩm đào tạo:
Có 02 đề tài SVNCKH đã nghiệm thu đạt kết quả tốt:
1. Nguyễn Thị Hƣơng Liên (2014-2015), Đề tài sinh viên nghiên cứu Khoa học trường

Đại học Khoa học Thái Nguyên.
2. Nguyễn Thị Hải (2015-2016), Đề tài sinh viên nghiên cứu Khoa học trường Đại học
Khoa học Thái Nguyên.

6. Phƣơng thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích của kết quả nghiên cứu:
- Đề tài là một phần kết quả quan trọng trong đề tài NCS của chủ nhiệm đề tài
- Kết quả nghiên cứu của đề tài tạo điều kiện để sinh viên và các cán bộ giảng dạy trong khoa
VL&CN được cập nhật với các vấn đề khoa học thời sự hiện nay trên thế giới
- Việc nghiên cứu và chế tạo giả vật liệu mở ra một hướng nghiên cứu một loại vật liệu mới có
những ứng dụng có ý nghĩa rất quan trọng trong đời sống và đặc biệt trong quân sự như: tàng hình,
ảnh nhiệt, siêu thấu kính, antennas, sensơ…

Tổ chức chủ trì
(ký, họ và tên, đóng dấu)

Ngày tháng năm 2016
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)


5

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Study the interaction of electromagnetic wave with metamaterials
Code number: ĐH2014-TN07-02
Coordinator: MSc Nguyen Thi Hien
Phone: 0983650263

Email:

Implementing institution: College of Sciences – Thai Nguyen University
Duration: from 01/2014 to 12/2015
2. Objective(s):
- Build program calculates the effective parameters (permeability μ, permittivity ε, refractive index
n, impedance z) based on the algorithm of Chen.
- Search for structured metamaterials: simple, symmetrical high.
- Search for the structure and fabrication metamaterials working with a wideband frequency (broad
band).
3. Creativeness and innovativeness:
- This is the first time in Vietnam We has built a program calculates the effective parameters
(permeability μ, ε evaluation of power, refractive index n, impedance z) based on the algorithm
proposed by Chen.
- We have found simple structure base on metamaterials and they can activity in the region GHz
frequency. Our contributions brings metamaterials closer practical application.
4. Research results:
- Having built program calculates the effective parameters (permeability μ, permittivity ε, refractive
index n, impedance z) based on the algorithm of Chen.
- Having found structured metamaterials: simple, symmetrical high.
- Having found the structure and fabrication metamaterials working with a wideband frequency
(broad band).
5. Products:
5.1. Scientific publications:
There are 03 articles published in international journal (02 ISI):
1. Hien N. T., Le L. N., Trang P. T., Tung B. S., Viet N. D, Duyen P. T., Thang N. M., Viet
D. T., Lee Y. P., Lam V. D, Tung N. T. (2015), “Characterizations of a thermo-tunable
broadband fishnet metamaterial at THz frequencies”, Computational Materials Science
103, pp. 189-193.
2. Viet D. T., Hien N. T., Tuong P. V., Minh N. Q., Trang P. T., Le L. N., Lee Y. P., Lam V.
D. (2014), “Perfect absorber metamaterials: peak, multi-peak and broadband absorption”,

Optics Communications 322, pp. 209-213.
3. Hien N. T., Tung B. S., Tuan N. T., Tung N. T., Lee Y. P., An N. M. and Lam V. D.
(2014), “Metamaterial-based perfect absorber: polarization insensitivity and broadband”,
Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 5, pp. 025013-025019.


6

There are 03 articles published in national journal:
1. Hien N. T., Tung N. T., Tung B. S., Duyen P. T., Viet N. D., Le L. N, Lam V. D. (2014),
“Study broadband negative refaction base on second-order hybridiration”, Journal of

Science and Technology52 (3B), pp. 45-53.
2. Duyen P. T., Hien N. T., Viet N. D, Tung N. T., and Lam V. D. (2015), “Decisive role of
the dielectric spacer on metamaterial hybridization”, Journal Science Research and

Military Technology 35 (02), pp. 106-111.
3. Hien N. T., Qui V. D, Giang T. T., Tung N. T. and Lam V. D., “Study, design and fabricate
metamaterials independent on the polarization of electromagnetic waves,

Journal of

Science and Technology 54 (02), pp. 258-265.
There are 01 articles published in proceedingconference
1. Lam V. D., Tung N. T., Hien N. T, Viet D. T., Trang P. T. and Hong L. V. (2015), “Some
results of research on metamaterials at the Institute of Materials Science”, Proceedings
Report - 40th Vietnam Academy of Science and Technology, pp 195-214.
5.2. Training results:
There are 02 scientific research students:
1. Nguyen Thi Huong Lien (2014-2015),Thainguyen University of Science..

2. Nguyen Thi Hai (2015-2016),Thainguyen University of Science..
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:
- It is a important part of coordinator’s doctoralthesis
- The results of there search subject help students and teachers of the physics and technology
faculty are up dated with the currents cientific issues in the world today
- The study of materials and fabrication metamaterials are search study of new materials
applications extremely exciting and magical as "invisibility cloak" superlens, filter frequency,
sensobiology....There is a very important meaning in life and especially inmilitary


7

GIỚI THIỆU

Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu và năng lượng mới. Việc
nghiên cứu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn và rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đang
là vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính
chất đặc biệt, tốt hơn so với vật liệu tự nhiên, cótiềm năng ứng dụng rộng rãi. Từ đầu năm 2000,
giả vật liệu (metamaterials - viết tắt là MMs) xuất hiện như một hướng nghiên cứu rất tiềm năng
trong khoa học vật liệu mới. MMs được tạo thành từ sự sắp xếp tuần hoàn của những phần tử cơ
bản nhân tạo, được thiết kế với mục đích tạo ra những tính chất điện từ bất thường, không tồn tại
trong các vật liệu tự nhiên.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi tập trung vào một tính chất mới
được phát hiện và nghiên cứu của MMs trong vài năm gần đây, đó là MMs hấp thụ tuyệt đối sóng
điện từ. MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ có bản chất vật lý khác biệt, và tính năng vượt trội so
với các loại vật liệu hấp thụ truyền thống khác, ví dụ như: tần số hấp thụ được thiết kế và xác định
chính xác trước khi chế tạo, hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới, chiều dày vật liệu mỏng, chỉ
khoảng 1/10 bước sóng, cơ chế hấp thụ tổng quát có thể ứng dụng từ vùng MHz tới THz…
Mục tiêu của đề tài tập trung giải quyết ba vấn đề chính: i) Đưa ra được phương pháp
nghiên cứu và công nghệ chế tạo MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba. ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu

trúc MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba và iii) Nghiên cứu mở rộng dải tần hấp thụ.
Với mục tiêu đó, đề tài được chia thành 4 chương như sau. Chương I: Tổng quan - giới
thiệu chung về MMs và sự hấp thụ sóng điện từ sử dụng MMs. Các phương pháp nghiên cứu được
trình bày trong Chương II. Chương III trình bày về quy trình tối ưu hóa để tìm kiếm một cấu trúc
MMs hấp thụ đơn giản, không phân cực, có thể dễ dàng chế tạo. Dựa trên cấu trúc tối ưu tìm được,
chúng tôi nghiên cứu làm rõ bản chất của các tương tác phức tạp bên trong quá trình hấp thụ, từ đó
cải thiện hiệu suất hấp thụ và mở rộng bề rộng vùng hấp thụ của MMs là nội dung Chương IV. Các
tính chất của cấu trúc MMs hấp thụ sẽ được chứng minh và làm rõ bằng cả phương pháp thực
nghiệm và mô phỏng ở vùng tần số GHz.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢ VẬT LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về giả vật liệu

Hình 1.1: Sự tương tự về mặt cấu tạo giữa vật liệu Meta và vật liệu thông thường trongtự nhiên.
Giả vật liệu MMs được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là những mạch cộng
hưởng điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng mà tại đó các tính chất đặc biệt của vật liệu Meta xuất
hiện. Bằng cách thay đổi tính chất và mạng tinh thể (quy luật sắp xếp) của các “giả nguyên tử” này
một cách đồng thời, các nhà khoa học có thể thu được những tính chất bất thường không tồn tại
trong vật liệu tự nhiên. Hình 1.1 đưa ra hình ảnh so sánh cấu tạo giữa vật liệu truyền thống và vật
liệu Meta. Ở đây, ta thấy có sự hoàn toàn tương tự giữa hai cấu trúc này.


8

1.4.Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba
1.4.2. Phân loa ̣i vật liêụ hấ p thụ sóng vi ba
Ngoài vật liệu MMs hấp thụ sóng viba đối tượng nghiên cứu chính của đề tài sẽ được trình
bày chi tiết ở phần sau thì hiện nay có một số vật liệu khác hấp thụ sóng điện từ như:Vật liệu
polymer, Vâ ̣t liê ̣u Chiral,Hê ̣ vâ ̣t liê ̣u La1-xSrxMnO3.
1.4.3. MMs hấp thụ sóng điện từ
Hấp thụ hoàn hảo sóng điện từdựa trên giả vật liệu -MPA có thể được phân chia thành

hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có băng thông rộng (broadband
absorbers). Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách
cộng hưởng tại tần số xác định  0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số  0 là

0  2c / 0 với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng thông rộng dựa trên
vật liệu có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng điện từ
trên một dải rộng lớn. 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.
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 MPA 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.
Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu MPA trở thành những ứng dụng thực tế, vẫn còn những
vấn đề cơ bản cần được giải quyết. Một trong những hướng nghiên cứu được các nhà khoa học tập
trung giải quyết đó là tìm kiếm những cấu trúc MPA đơn giản. Cấu trúc MPA đầu tiên do I. Landy đề
xuất có độ hấp thụ tốt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi, với độ chính xác dưới 1%. Khi áp
dụng cấu trúc Landy cho vùng tần số cao, kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu với độ chính xác
cao càng trở nên khó khăn. Thực tế đã có nhiều đề xuất khác nhau để cải tiến cấu trúc của Landy.
Một trong những cấu trúc có thể kể đến là cấu trúc dấu cộng kết hợp với mạch cộng hưởng điện do
chính Landy đề xuất 1 năm sau đó. Cấu trúc này tuy có đơn giản và dễ chế tạo hơn, nhưng độ hấp thụ
lại giảm mạnh từ 99% xuống còn 78%. Cấu trúc này sau đó được cải tiến bằng mạch cộng hưởng
điện dạng vòng hở kết hợp với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis tại đại học Iowa đề xuất. Cấu
trúc do Soukoulis đề xuất cho độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng, có khả
năng hấp thụ với nhiều góc tới khác nhau, tuy nhiên vẫn đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp. Cho
tới nay, quá trình tìm kiếm một cấu trúc MPA tối ưu vẫn đang tiếp tục diễn ra một cách mạnh mẽ
trên mọi dải tần số.

Song song với việc tối ưu hóa cấu trúc, việc mở rộng dải tần hấp thụ của các cấu trúc
MPA cũng rất được quan tâm. Cơ chế chủ yếu để mở rộng dải hấp thụ của các cấu trúc MPA là kết
hợp nhiều cấu trúc hấp thụ đơn lẻ tại các tần số khác nhau trong một đơn vị cơ bản. Một trong
những kết quả tiêu biểu có thể kể đến là vật liệu MPA gồm nhiều cấu trúc vòng cộng hưởng tại các
tần số khác nhau do nhóm của Cummer đề xuất năm 2010. Mô hình của Cummer cho độ hấp thụ
99.9% tại 2.4 GHz với độ rộng hấp thụ lên tới 30%. Trong một hướng tiếp cận khác từ các cấu trúc
dẫn sóng, nhóm của Luo đã đề xuất sử dụng cấu trúc MPA dạng dải phủ hình vuông cũng cho độ
rộng hấp thụ tương đương. Ngoài ra, kỹ thuật sử dụng phần từ mạch tập trung (lumped circuit
element) cũng được áp dụng để thay đổi trở kháng của mạch cộng hưởng, dẫn tới thay đổi tần số
của mạch cộng hưởng để mở rộng dải hấp thụ.


9

1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Trong đề tàinày, chúng tôi tập trung giải quyết ba vấn đề:
Một là thiết lập phương pháp nghiên cứu bao gồm mô phỏng thiết kế, xây dựng mô hình
vật lý, công nghệ chế tạo và đo đạc thực nghiệm MMs hấp thụ tuyệt đối sóng viba. Trong khi MMs
đã phát triển được hơn một thập kỉ thì ở Việt Nam vẫn còn là một lĩnh vực còn mới, chưa có nhiều
nhóm nghiên cứu, đặc biệt là nghiên cứu chế tạo thực nghiệm. Chính vì vậy, việc tìm kiếm và thiết
lập một phương pháp nghiên cứu MMs toàn diện, phù hợp với điều kiện và tình hình nghiên cứu
của Việt Nam, sẽ có giá trị tham khảo rất lớn cho thực tiễn nghiên cứu về sau.
Hai là nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc MMs hấp thụ có dạng đơn giản dễ dàng chế tạo ở
vùng tần số GHz. Quá trình tối ưu hóa cấu trúc được tiến hành một cách hệ thống, thông qua các
cấu trúc trung gian. Sự hình thành và cơ chế hấp thụ ở mỗi bước tối ưu hóa được giải thích và
chứng mình bằng cả phương pháp mô phỏng và thực nghiệm.
Một trong những điều kiện quan trọng để MMs hấp thụ tuyệt đối có thể được ứng dụng
đó là bề rộng vùng hấp thụ phải được mở rộng. Do đó, mục tiêu thứ ba của đề tàilà nghiên cứu
nhằm mở rộng vùng hấp thụ của cấu trúc MMs.
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa xây dựng mô hình vật lý, mô phỏng thiết kế
cấu trúc, chế tạo mẫu, và kiểm chứng bằng các phép đo thực nghiệm.
-

Mô hình vật lý được xây dựng dựa trên mô hình mạch điện LC, ứng với mỗi cấu trúc sẽ
tương ứng với một mạch điện LC. Dựa theo mô hình này, các tần số cộng hưởng điện và
cộng hưởng từ có thể tính toán được theo các tham số cấu trúc.

-

Để mô phỏng thiết kế cấu trúc của vật liệu, đề tài sử dụng phần mềm mô phỏng thương mại
CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) vì tính hiệu quả và độ chính
xác đã được chứng minh bởi nhiều kết quả được công bố.

-

Trong đề tài, để chế tạo mẫu hoạt động ở dải tần số sóng microwave, chúng tôi sử dụng
phương pháp quang khắc.
CHƢƠNG 3. TỐI ƢU HÓA CẤU TRÚC MPA

3.1. Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc Landy
Trong phần này đề tài nghiên cứu và chế tạo lại cấu trúc hấp thụ của Landy (cấu trúc hấp thụ đầu
tiên dựa trên vật liệu MMs). Các kết quả nghiên cứu chi tiết được trình bày trong báo cáo đề tài và
kết quả chỉ ra đây là cấu trúc phức tạp khó khăn trong chế tạo và đo đạc.
3.2. Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc chữ I
Dựa trên cấu trúc của Landy ở trên, chúng tôi đã khảo sát thiết kế với mục đích tìm kiếm
cấu trúc đơn giản hơn nhưng vẫn đạt được độ hấp thụ cao. Đầu tiên, chúng tôi thay thế dải đồng
hình chữ nhật phía sau bằng một tấm đồng kín với mục đích loại bỏ hoàn toàn thành phần truyền
qua, đồng thời giúp đơn giản hơn trong việc chế tạo và đo đạc. Tiếp theo, chúng tôi mô phỏng tăng

dần thông số G(xem trong báo cáo đề tài) đến khi G = C khi đó thu được cấu trúc mới, đơn giản
hơn cấu trúc ban đầu, gọi là cấu trúc hình chữ I (xem Hình 3.1).
Các kết quả nghiên cứu được chỉ rõ trong báo cáo đề tài cho thấy cấu trúc chữ I là cấu
trúc đơn giản dễ dàng chế tạo và đo đạc hơn nhiều cấu trúc của Landy. Ngoài ra các kết quả nghiên
cứu còn phân tích rất kỹ và chỉ ra cơ chế hấp thụ của cấu trúc chữ I là: i) Mẫu hấp thụ được coi như
một môi trường hiệu dụng có trở kháng bằng trở kháng môi trường đối với sóng điện từ ở tần số
nhất định 14.26 GHz (tần số cho hấp thụ gần 100%). Khi đó, sóng điện từ tới hoàn toàn không bị
phản xạ khi gặp bề mặt mẫu. ii) Đồng thời cấu trúc mẫu tạo các dao động điện từ cộng hưởng dưới


10





tác động của các véc tơ E , H ; các dao động này chuyển năng lượng sóng điện từ thành các dòng
điện chạy trong cấu trúc, tuần hoàn theo dao động của sóng điện từ. iii) Với cấu tạo đặc thù của cấu
trúc, các dòng điện chạy qua lớp điện môi đã được lựa chọn có đặc tính tiêu hao năng lượng lớn;
đây chính là 3 đặc điểm hấp thụ của cấu trúc chữ I nói riêng và của các MPA được nghiên cứu
trong đề tài này.

(a)

(b
)

Hình 3.1. MPA cấu trúc hình chữ I:
3.3. Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc chữ CW

(b)

(a)

Hình 3.2. MPA cấu trúc CW:
Đây là một trong các cấu trúc rất đơn giản cho độ hấp thụ cao mà đề tài nghiên cứu rất chi tiết và
trình bày trong báo cáo.
3.4. Nghiên cứu tính chất hấp thụ của giả vật liệu có cấu trúc đĩa tròn
Từ các kết quả nghiên cứu sự phụ thuộc tính chất hấp thụ vào phân cực ở trên, có thể thấy
nhờ vàotính đối xứng về hình học có thể giúp tính chất hấp thụ của MPA ít phụ thuộc vào phân cực
sóng điện từ. Vì vậy, chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế MPA có cấu trúc đĩa tròn, là cấu trúc có tính
đối xứng hình học cao. Cấu trúc này được trình bày trên hình 3.15. Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu
này cũng bao gồm 3 lớp: kim loại – điện môi – kim loại. Kim loại được sử dụng trong cấu trúc này
là kim loại đồng có độ dẫn 5.96 x 107 S/m. Lớp điện môi là FR-4 có hằng số điện môi  = 4 và độ
tổn hao là 0.025. Cấu trúc của ô cơ sở và phân cực sóng điện từ được chỉ ra như hình 3.15. Đây là
cấu trúc tối ưu mà đề tài đạt được

(a)

(b)

Hình 3.15. MPA cấu trúc đĩa tròn: (a) ô cơ sở, phân cực sóng điện từ và (b) mẫu chế tạo được


11

3.4.1. Tính chất hấp thụ sóng điện từ
Hình 3.16 trình bày kết quả mô phỏng phổ phản xạ, truyền qua và hấp thụ của MPA cấu trúc
đĩa tròn với các tham số cấu trúc a = 12 mm, R = 3 mm, td = 0.4 mm, độ dày lớp đồng là tm = 0.036 mm.
Kết quả mô phỏng cho thấy xuất hiện một đỉnh hấp thụ đạt gần 100% tại tần số 13.8 GHz.

1.0

1.0

0.8

§é hÊp thô

0.6

C-êng ®é

M« pháng
Thùc nghiÖm

0.8
Ph¶n x¹
TruyÒn qua
HÊp thô

0.4
0.2

0.6
0.4
0.2

0.0
12

13

14

15

16

17

0.0
12

18

13

14

15

16

TÇn sè (GHz)

TÇn sè (GHz)

Hình 3.17. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn

Hình3.16. Kết quả mô phỏng của MPA cấu trúc đĩa
tròn

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của vật liệu được trình bày trên
Hình 3.17 cho thấy có sự phù hợp với nhau cả về cường độ hấp thụ (hấp thụ gần 100%)
và dáng điệu của phổ hấp thụ. Sự lệch tần số nhỏ có thể do sự sai lệch nhỏ giữa giá trị thực nghiệm
và mô phỏng của hằng số điện môi FR-4.
Ngoài ra trong phần này, đề tài cũng trình bày các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các
tham số cấu trúc đến sự hấp thụ của cấu trúc này. Đặc biệt sử dụng mô hình mạch điện LC để tính
toán và giải thích cho sự phụ thuộc của sự hấp thụ này vào các tham số cấu trúc.
3.4.3. Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ
90

(a)

1

(b)

0.8

75

0.6

Gãc ph©n cùc (§é)

0.4
0.2

60

0

HÊp thô

45
30
15
0
12

13

14

15
16
TÇn sè (GHz)

17

18

Hình 3.20. MPA cấu trúc đĩa tròn với các tham số cấu trúc:(a) Sự phân cực sóng điện từ;(b) Kết
quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực 

Như đã trình bày ở trên, MPA cấu trúc chữ I và cấu trúc CW có thể đạt được giá trị hấp
thụ tuyệt đối. Tuy nhiên, một trong nhữngnhược điểm của cấu trúc này là độ hấp thụ phụ thuộc rất
mạnh vào góc phân cực của sóng điện từ chiếu tới. Thậm chí, khi góc phân cực là 900 thì độ hấp

thụ của mẫu gần bằng không. Do vậy, muốn thu được sự hấp thụ cao đối với cấu trúc này thì sóng
điện từ chiếu tới phải được giữ cố định theo một hướng nhất định. Điều này dẫn đến hạn chế trong
ứng dụng thực tế. Hạn chế này có thể được khắc phục hoàn toàn khi sử dụng các cấu trúc có đối
xứng hình học cao như cấu trúc dấu cộng đã trình bày ở trên và đặc biệt là cấu trúc đĩa tròn. Đây là
cấu trúc có tính đối xứng cao nên ta chỉ cần giữ cố định phương của vectơ sóng





k , quay vectơ E

và H góc bất kỳ thì cấu trúc không bị mất tính đối xứng, do đó độ hấp thụ không phụ thuộc vào
góc phân cực của sóng điện từ. Kết quả mô phỏng trong Hình 3.20 chứng minh độ hấp thụ không
bị thay đổi khi quay góc phân cực từ 00 đến 900. Đây là một ưu điểm nổi bật của cấu trúc này so
với các cấu trúc đã nghiên cứu và công bố trước đó trong lĩnh vực nghiên cứu về MPA.


12

CHƢƠNG 4: MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG

Để đưa MPA ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, một trong những điều kiện rất quan trọng
đó là MPA phải có dải tần số hấp thụ rộng. Những cấu trúc trình bày trong các phần trước đây có
độ hấp thụ gần tuyệt đối, nhưng chỉ có khả năng hấp thụ trong một dải rất hẹp hoặc tại một tần số
nhất định. Điều này hạn chế trong các ứng dụng thực tế. Chính vì vậy, việc thiết kế và tìm kiếm cấu
trúc để thu được MPA có độ hấp thụ cao trong dải tần số rộng đã thu hút được sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Dựa vào tính chất hấp thụ của mẫu phụ thuộc vào tham
số cấu trúc và hằng số mạng như trình bày ở phần trên. Chúng tôi đã nghiên cứu tìm kiếm vật liệu
có hấp thụ trên dải tần số rộng.

4.1.Cấu trúc MPA eSRR hai đỉnh hấp thụ
Để khởi đầu nghiên cứu mở rộng dải tần hấp thụ, chúng tôi đã tiến hành lặp lại mô phỏng,
chế tạo và đo đạc đối với cấu trúc vòng cộng hưởng điện đơn có rãnh (single electric split-ring
resonator - viết tắt eSRR). Theo công bố trước đây, cấu trúc eSRR có hai đỉnh hấp thụ ở tần số
11.15 và 16.01 GHz.

(c)
Hình 4.1. Cấu trúc vòng cộng hưởng điện đơn có rãnh – eSRR:(a) thành phần cơ sở và các
tham số hình học chính của cấu trúc, (b) ô cơ sở và phân cực sóng điện từ, (c) mẫu chế tạo với
các tham số: r2 = 2.3mm, r1 = 2.7mm, w = 0.2mm, l = 1.6mm, d = 0.4mm, ax = ay = 12mm
Hình 4.1 cho thấy, để chế tạo được cấu trúc eSRR, chỉ cần tạo cấu trúc trên một mặt đồng.
Điều này tạo thuận lợi cả trong quá trình chế tạo, do chỉ phải tiến hành quang khắc trên một mặt
mẫu, đồng thời loại bỏ được sai số chế tạo gây ra do không trùng khớp cấu trúc được tạo trên hai
mặt mẫu. Ngoài ra, vì mặt sau của cấu trúc được phủ kín bởi một tấm đồng, quá trình đo đạc cũng
đơn giản hơn, do loại bỏ được phép đo truyền qua, vốn là phép đo có sai số lớn hơn so với phép đo
phản xạ.
1.0

0.8

Biªn ®é

0.6

HÊp thô
TruyÒn qua
Ph¶n x¹

0.4

0.2

0.0
10

11

12

13

14

15

16

17

18

TÇn sè (GHz)

Hình 4.2. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua, phản xạ và hấp thụ của cấu trúc eSRR


13

Kết quả mô phỏng được trình bày trên Hình 4.2đã cho thấy cấu trúc eSRR có hai đỉnh hấp thụ
ở 11.4 GHz và 16.1 GHz. Sai khác không đáng kể về tần số của hai đỉnh hấp thụ so với kết quả

được công bố trong có thể do một vài khác biệt về tham số đầu vào của bài toán mô phỏng.
Những nhược điểm trên của cấu trúc eSRR, cùng với các kết quả nghiên cứu đạt được với cấu
trúc thanh kim loại hết sức đơn giản, hiệu quả như đã trình bày trong chương 3 là tiền đề để chúng
tôi tiến hành nghiên cứu cấu trúc MPA hấp thụ dải rộng sử dụng hai thanh kim loại so le.
4.2. Cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le hấp thụ dải rộng
Khai thác các kết quả thu được từ cấu trúc MPA thanh kim loại đã nghiên cứu trong
chương 3, chúng tôi đưa ra ý tưởng đạt được hai đỉnh hấp thụ cộng hưởng có tần số gần nhau gây
ra do hai thanh kim loại có chênh lệch chiều dài tương ứng. Hai đỉnh hấp thụ có tần số gần nhau
xen phủ được kỳ vọng sẽ tạo một đỉnh hấp thụ rộng.
Hình 4.5 trình bày chi tiết thiết kế ô cơ sở của cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le. Để
hạn chế tương tác giữa các thanh kim loại nên các thanh kim loại được bố trí cách đều theo phương
ngang (a/2 theo trục x) và so le theo phương dọc (trục y), điều này cũng nhằm mục đích thu gọn ô
cơ sở của cấu trúc MPA. Thiết kế này được áp dụng cho mạch in tạo mẫu có hai mặt phủ lớp đồng
dày 36 μm, đế là vật liệu FR-4 có hằng số điện môi là 4.0. Có thể nhận thấy đây là cấu trúc đơn
giản, ít tham số hình học. Điều này sẽ giúp giảm thiểu được sai số chế tạo, cũng như đơn giản hóa
quá trình khảo sát tùy biến tính chất.
1.0

a =a

L = 4.8

y

M« pháng
Thùc nghiÖm

0.8

2

= 8.3

mm

mm

a/
4
L = 5.0
1

0.6

D

x

0.4

0.2

0.0
12

mm

Hình 4.5.Ô cơ sở cấu trúc MPA hấp thụ dải
rộng hai thanh kim loại so le

13

14

15

16

17

18

TÇn sè (GHz)

Hình 4.6.Phổ hấp thụ mô phỏng và thực
nghiệm của cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le

Kết quả phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le
được trình bày trên Hình 4.6. Có thể thấy rằng, kết quả thực nghiệm tương đối phù hợp với kết quả
mô phỏng và điều đặc biệt là độ rộng đỉnh hấp thụ đã được mở rộng khoảng 200%. Đây là một kết
quả khả quan, có thể tiếp tục khai thác nghiên cứu để có thể tìm ra các cấu trúc hấp thụ dải rộng tối
ưu hơn nữa.
Trong phần này cơ chế hấp thụ cũng được nghiên cứu và giải thích chi tiết trong báo cáo đề tài.
4.3. MPA siêu ô cơ sở gồm các cấu trúc đối xứng cao
Ý tưởng ban đầu là tạo ra vật liệu MPA gồm các siêu ô cơ sở, trong mỗi siêu ô cơ sở có
nhiều đĩa tròn có bán kính khác nhau. Cấu trúc đầu tiên chúng tôi nghiên cứu gồm 4 đĩa tròn có bán
kính khác nhau được bố trí trong cùng một ô cơ sở. Cấu trúc siêu ô cơ sở và mẫu chế tạo được trình
bày trong Hình 4.3.

14

(a)

(b)
R2

R1

R3

R4

Hình 4.3. MPA có 4 đĩa tròn: (a) cấu trúc ô cơ sở và (b) mẫu chế tạo
Ô cơ sở gồm 4 đĩa tròn có bán kính khác nhau, R1= 3 mm, R2= 2.8 mm, R3= 2.6 mm, R4=
2.4 mm và hằng số mạng a = 14 mm. Phổ hấp thụ của vật liệu có cấu trúc này được trình bày trên
Hình 4.3 (a). Kết quả cho thấy xuất hiện bốn đỉnh hấp thụ tại các tần số 13.72 GHz, 14.76 GHz,
15.73 GHz và 17.06 GHz.
Từ kết quả trên, ta thấy các đĩa tròn có bán kính R1= 3 mm, R2= 2.8 mm, R3= 2.6 mm, R4=
2.4 mm tương ứng tạo ra các đỉnh hấp thụ ở các tần số f1 = 13.72 GHz, f2 = 14.76 GHz, f3 = 15.73
GHz và f4 = 17.06 GHz. Bán kính đĩa tròn tăng thì tần số đỉnh hấp thụ giảm và ngược lại. Ngoài ra
ta có thể nhận thấy cường độ hấp thụ tại mỗi đỉnh là không đều. Một trong những nguyên nhân là
do sự ảnh hưởng của R lên cường độ hấp thụ như đã khảo sát tại mục 3.4.2. Một nguyên nhân khác
là do tương tác giữa các ô cơ sở gần nhau cũng làm thay đổi cường độ hấp thụ của mỗi đỉnh hấp
thụ. Kết quả mô phỏng đã được khẳng định bằng thực nghiệm được trình bày như Hình 4.4.
1.0

§é hÊp thô

0.8

0.6
0.4
0.2
0.0
12

M« pháng
Thùc nghiÖm

13

14
15
16
TÇn sè (GHz)

17

18

Hình 4.4. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc có 4 đĩa tròn
Hình 4.4 cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm về cơ bản là trùng khớp. Sự sai lệch
nhỏ có thể là do các tham số cấu trúc của mẫu trong khi chế tạo sai khác so với các số liệu thiết kế.
Ngoài ra, có thể là do ảnh hưởng của nhiễu trong quá trình đo đạc.
Từ kết quả thu được ở trên, chúng ta thấy rằng tần số các đỉnh hấp thụ phụ thuộc mạnh vào
bán kính của các đĩa tròn. Ứng với MPA có cấu trúc đĩa tròn có kích thước khác nhau chúng ta sẽ thu
được các đỉnh hấp thụ khác nhau. Để thu được vật liệu hấp thụ tuyệt đối có dải rộng, một trong những
vấn đề quan trọng là phải dịch chuyển các tần số hấp thụ lại gần nhau đến khi chùm lên nhau. Do vậy
để các đỉnh hấp thụ sát lại gần nhau tạo thành một dải liên tục, thì chúng tôi đã tiến hành điều chỉnh
kích thước của các đĩa tròn sao cho chúng sai khác nhau đủ nhỏ. Bằng phương pháp này, chúng tôi đã

tạo ra được cấu trúc hấp thụ dải rộng. Tham số cấu trúc đối với ô cơ sở có 4 đĩa tròn: R1= 2.5 mm, R2
= 2.65 mm, R3= 2.75 mm và R4 = 2.6 mm, a = 14 mm, td = 0.4 mm. Phổ hấp thụ của cấu trúc được
trình bày trên Hình 4.5.


15

1.0

§é hÊp thô

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

4 ®Üa trßn
9 ®Üa trßn

13

14

15
16
TÇn sè (GHz)

17

Hình 4.5. Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và cấu trúc gồm 9 đĩa
tròn
Kết quả cho thấy đối với cấu trúc 4 đĩa tròn, độ rộng dải đạt được là 1.3 GHz với độ
hấp thụ trên 90%. Độ hấp thụ lớn nhất đạt được trong dải này là 99% tại tần số 15.3 GHz.
Để tiếp tục mở rộng dải làm việc của vật liệu, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng vật liệu với
ô cơ sở gồm 9 đĩa tròn có bán kính khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy dải có độ rộng 2 GHz
ứng với độ hấp thụ trên 95% và 2.5 GHz ứng với độ hấp thụ trung bình trên 90%. Nếu tiếp tục tăng
số đĩa tròn trong một ô cơ sở, độ rộng của phổ hấp thụ sẽ tăng.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Qua các kết quả nghiên cứu của đề tàiđược trình bày ở trên, cho thấy đề tàiđã đóng góp
được những kết quả nghiên cứu mới, có thể tóm lược trong một số kết luận như sau:
(i) Đã đưa ra được quy trình nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng MMs hoạt động ở
vùng tần số GHz. MMs được chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc, cho ra các mẫu có độ phân
giải 0.2 mm, (tương ứng với 1 % bước sóng tại vùng cộng hưởng) và độ lặp lại cao. Phổ truyền qua
và phản xạ của MMs được đo trong không gian bằng hệ phân tích mạng véc tơ. Kết quả đo thực
nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm tính toán thương mại. Sự so sánh chéo
giữa mô hình vật lý, số liệu mô phỏng và số liệu thực nghiệm cho kết quả có độ tin cậy cao. Ngoài
ra quy trình nghiên cứu này có thể áp dụng để nghiên cứu nhiều tính chất khác của MMs như vật
liệu chiết suất âm, vật liệu phản xạ tuyệt đối, vật liệu hấp thụ tuyệt đối.
(ii) Đã nghiên cứu tối ưu hóa các cấu trúc MMs hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ. Nhiều cấu
trúc đã được thiết kế, chế tạo, đo đạc, và mô phỏng một cách hệ thống như cấu trúc ban đầu của
Landy, cấu trúc chữ “I”, cấu trúc thanh kim loại và cấu trúc dạng đĩa tròn. Trong số đó, cấu trúc
dạng đĩa tròn có tính tối ưu cao, hấp thụ gần như tuyệt đối sóng viba, không phụ thuộc vào góc
phân cực, góc tới, không bị ảnh hưởng bởi nhiều tham số hình học, và chế tạo đơn giản.
(iii) Đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc MMs có dải tần hấp thụ rộng ở vùng
sóng viba. Đặc tính hấp thụ gần như tuyệt đối trong một dải tần số rộng hơn thiết kế ban đầu 300%
được chứng minh bằng cả thực nghiệm lẫn mô phỏng.
Hƣớng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các cấu trúc tối ưu trong chế tạo và đo đạc, có hiệu suất hấp

thụ tốt, không phụ thuộc phân cực sóng điện từ và có vùng hấp thụ rộng.
- Tối ưu và chính xác hóa quy trình nghiên cứu, chế tạo và đo đạc, khảo sát khả năng triển
khai MMs hoạt động ở các vùng tần số cao hơn như THz.
- Bước đầu triển khai các nghiên cứu định hướng ứng dụng như chế tạo thiết bị mẫu hấp
thụ sóng điện từ trong môi trường.