Nghiên cứu khả năng điều khiển tần số và biên độ cộng hưởng của vật liệu biến hóa (Metamaterial) (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

PHẠM THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
VÀ BIÊN ĐỘ CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU
BIẾN HÓA (METAMATERIAL)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

PHẠM THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
VÀ BIÊN ĐỘ CỘNG HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU

BIẾN HÓA (METAMATERIAL)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Vũ Đình Lãm
2. PGS. TS. Lê Văn Hồng

Hà Nội - 2017


i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................. viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA ...............................................5
1.1. Vật liệu biến hóa...................................................................................................................5
1.1.1. Khái niệm vật liệu biến hóa ...................................................................5
1.1.2. Phân loại vật liệu biến hóa .....................................................................7
1.1.3. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa ................................................16
1.2. Tổng quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ .................................................... 18
1.2.1. Sự hấp thụ của vật liệu truyền thống ....................................................18
1.2.2. Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa ...................................................21

1.2.3. Một số phương pháp thiết kế vật liệu biến hóa ....................................24
1.3. Khái quát về cộng hưởng điện và cộng hưởng từ .......................................................... 25
1.3.1. Phương pháp xác định cộng hưởng điện và cộng hưởng từ .................25
1.3.2. Đặc điểm về cộng hưởng từ bậc 1 và cộng hưởng từ bậc 3 .................28
1.4. Kết luận chương 1: ............................................................................................................ 30
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................31
2.1. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu vật liệu biến hóa........................................ 31
2.2. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu ........................................................................................... 32


ii
2.3. Phương pháp mô hình vật lí dựa trên mạch LC tương đương...................................... 33
2.4. Phương pháp mô phỏng vật lý ......................................................................................... 36
2.4.1. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm CST ...............................37
2.5. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................................... 42
2.5.1. Công nghệ chế tạo mẫu ........................................................................44
2.5.2. Phương pháp đo đạc .............................................................................48
2.6. Phương pháp tính toán tham số hiệu dụng ..................................................................... 50
2.7. Kết luận chương 2: ............................................................................................................ 51
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN ĐỘ RỘNG
VÙNG TỪ THẨM ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA............................................52
3.1. Cộng hưởng từ của vật liệu biến hóa dựa trên cấu trúc CWP ...................................... 53
3.2. Vai trò của độ dày lớp điện môi lên mở rộng vùng từ thẩm âm................................... 54
3.2.1. Mô hình lí thuyết ..................................................................................54
3.2.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ......................................................57
3.3. Ảnh hưởng của tính bất đối xứng lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu cấu
trúc CWP.................................................................................................................................... 61
3.3.1. Mô hình mạch LC tương đương ...........................................................61
3.3.2. Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo phương điện trường ..64
3.3.3. Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo phương từ trường......69

3.3.4. Ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc theo hai phương ................70
3.3.5. Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên vật liệu có cấu trúc CWP ..72
3.4. Ảnh hưởng tính bất đối xứng cấu trúc lên độ mở rộng vùng từ thẩm âm của vật liệu
biến hóa dựa trên cấu trúc vòng xuyến ................................................................................... 72
3.5. Kết luận chương 3: ............................................................................................................ 75


iii
CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ ĐẲNG HƯỚNG .......................77
SÓNG ĐIỆN TỪ .......................................................................................................77
4.1. Vật liệu biến hóa hấp thụ một chiều sóng điện từ .......................................................... 77
4.1.1. Vật liệu biến hóa hấp thụ cấu trúc CW ................................................77
4.1.2. Cấu trúc hình vuông .............................................................................79
4.1.3. Cấu trúc vòng xuyến ............................................................................81
4.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ ...................................................... 84
4.2.1. Vật liệu biến hóa hấp thụ dựa trên cấu trúc CWP ................................84
4.2.2. Vật liệu biến hóa cấu trúc cặp hình vuông ...........................................86
4.2.3. Vật liệu biến hóa cấu trúc cặp vòng xuyến ..........................................97
4.3. Kết luận chương 4: .......................................................................................................... 102
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................103
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................................................105
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................106
DANH MỤC NGHIÊN CỨU KHÁC .....................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................108
PHỤ LỤC ................................................................................................................114


iv
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS. TS. Vũ Đình Lãm và PGS. TS. Lê Văn Hồng. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công
trình khác.

NGHIÊN CỨU SINH

Phạm Thị Trang


v
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. Vũ
Đình Lãm và PGS. TS. Lê Văn Hồng. Các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định
hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và động viên
tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial –
Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm KH &CN Việt Nam: NCS. Bùi Sơn Tùng,
ThS. Nguyễn Hoàng Tùng, NCS. Bùi Xuân Khuyến, NCS. Phạm Văn Tưởng, NCS.
Đặng Hồng Lưu, TS. Nguyễn Thị Hiền, TS. Đỗ Thành Việt, TS. Lê Đắc Tuyên, ThS.
Nguyễn Văn Cường, KS. Bùi Hữu Nguyên, ThS. Lương Minh Anh, CN. Trịnh Thị
Giang, CN. Vũ Đình Quý, CN. Lê Đình Hải,… đã giúp đỡ, tương trợ tôi trong suốt
thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm.
Tôi xin được gửi những tình cảm, sự yêu mến và lòng biết ơn đến các thầy cô,
anh, chị, em trong Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ,
động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Phòng thí nghiệm trọng
điểm – Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CN đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật
chất, thủ tục hành chính, hỗ trợ kinh phí… giúp tôi có thể hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Mỏ - Địa chất, bộ môn Vật lý,
Khoa Khoa học Cơ bản nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và
công việc tại cơ quan, tạo thuận lợi để tôi thực hiện luận án này. Xin cảm ơn các anh
chị đồng nghiệp trong Bộ môn, Khoa đã giúp đỡ, động viên tinh thần, chia sẻ gánh
vác công việc ở trường trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình mình, các cơ quan, cá nhân, đã giúp đỡ, tạo
điều kiện tốt để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này.
NGHIÊN CỨU SINH
Phạm Thị Trang


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

CW

Cut – Wire

Dây bị cắt

CWP

Cut – Wire Pair

Cặp dây bị cắt

CST

Computer Simulation Technology

Bằng công nghệ mô phỏng

FIT

Finite Integration Technique

Kỹ thuật tích phân hữu hạn

FN

Fishnet

Cấu trúc dạng lưới

LHM

Left - Handed Metamaterial

Vật liệu chiết suất âm

MM

Metamaterial

Vật liệu biến hóa

MA

Metamaterial Absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ

MPA

Metamaterial Perfect Absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối

NRI

Negative Refractive Index

Chiết suất âm

NIM

Negative Index Material

Vật liệu chiết suất âm

NIR

Near Infrared

Hồng ngoại gần

SRR

Split – Ring Resonator

Vòng cộng hưởng


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả so sánh sự phụ thuộc tần số cộng hưởng từ theo độ dày điện môi
ứng với mô phỏng, thực nghiệm, tính toán lý thuyết. ...............................................58
Bảng 3.2: Số liệu sự phụ thuộc độ mở rộng vùng từ thẩm âm trên tần số cộng
hưởng với các giá trị độ dày điện môi td. ..................................................................61
Bảng 4.1: Tần số cộng hưởng từ theo giá trị m. .......................................................89


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa ..................................6
Hình 1.2: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa µ và ε. ................................................7
Hình 1.3: (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và
khoảng cách giữa các dây là a, (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số .........9
Hình 1.4: (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), cấu trúc dây kim loại bị cắt
và định hướng của điện trường ngoài, (b) Mô hình mạch điện LC tương đương.......9
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc SRR và các cấu trúc SRR trong dãy tuần hoàn ...............10
Hình 1.6: (a) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µ < 0, (b) Độ từ thẩm hiệu

dụng cho mô hình SRR với giả thiết là vật liệu không có tổn hao ...........................11
Hình 1.7: (a) Cấu trúc SRR và phân cực sóng điện từ; (b) Sự biến đổi từ cấu trúc
SRR thành cấu trúc CWP. .........................................................................................12
Hình 1.8: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz, (b) Phổ phản xạ và
truyền qua của vật liệu có cấu trúc ở hình (a) ..........................................................14
Hình 1.9: a) Sự kết hợp giữa thanh kim loại liên tục và CWP tạo ra cấu trúc .........14
kết hợp cho n < 0, b) Cấu trúc dạng lưới - FN một cấu trúc biến đổi của ................14
cấu trúc kết hợp. ........................................................................................................14
Hình 1.10: (a) Cấu trúc CWP, (b) Cấu trúc hình hoa. ..............................................15
Hình 1.11: (a) Các thành phần cấu trúc, (b) Phổ phản xạ, phổ truyền qua, phổ hấp
thụ của MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 . ........................................16
Hình 1.12: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính . ...........................................17
Hình 1.13: (a) Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình (b) Ánh sáng có thể
bị bẻ cong không phản xạ vì vậy vật thể được “tàng hình”. .....................................17
Hình 1.14: Mô phỏng tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong cấu trúc Landy . ......22


ix
Hình 1.15: Mô hình đường truyền ánh sáng đến MPA . ..........................................23
Hình 1.16: (a) Ô cơ sở cấu trúc CWP và phân cực của sóng điện từ, (b) Phổ truyền
qua của vật liệu biến hóa có cấu trúc CWP và cấu trúc CWP nối tắt. ......................26
Hình 1.17: (a) Cấu trúc CWP được nối tắt, (b) Mô hình mạch LC tương đương. ...26
Hình 1.18: Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số. ...............................................27
Hình 1.19: Phân bố dòng tại tần số cộng hưởng (a) f1 = 13.9 GHz, .........................28
(b) f2 = 29.4 GHz. ......................................................................................................28
Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận án. ...........................................31
Hình 2.2: Ô cơ sở của cấu trúc CWP. ......................................................................32
Hình 2.3: Một số cấu trúc nghiên cứu trong luận án, (a) Cấu trúc cặp hình vuông, 32
(b) Cấu trúc cặp kim cương, (c) Cấu trúc cặp vòng xuyến. ......................................32
Hình 2.4: (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt ....................34

(b) Mạch tương đương LC của cấu trúc ....................................................................34
Hình 2.5: (a) Mô hình MM cấu trúc CWP, (b) Mạch điện tương đương LC có thể
mô tả cho một ô cơ sở; điểm 1, 2 tương đương do tính tuần hoàn, (c) và (d) Các
mode đối song và song song tương ứng với cộng hưởng từ và cộng hưởng điện. ...34
Hình 2.6: Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2016 ........38
Hình 2.7: Kết quả (a) Mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc CWP, CB và các các
dây lim loại liên tục, (b) Tính toán độ điện thẩm, độ từ thẩm và chiết suất từ dữ liệu
mô phỏng của cấu trúc CB tương ứng ......................................................................40
Hình 2.8: Mô phỏng: (a) Dòng mặt trước, (b) Dòng mặt sau và (c) Mật độ tiêu tán
năng lượng trên đĩa tròn, điện môi, tấm đồng mặt sau tại tần số fm =13.8 GHz. ......41
Hình 2.9: Đường truyền sóng điện từ tới lăng kính có chiết suất âm ứng với các góc
tới khác nhau. ............................................................................................................41
Hình 2.10: (a) MPA hoạt động ở vùng vi ba, (b) MPA hoạt động ở vùng THz .....43


x
Hình 2.11: Hình ảnh một số MPA khác nhau được chế tạo ....................................43
Hình 2.12: Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hoá. ......................................................44
Hình 2.13: Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa. .......................................................45
Hình 2.14: (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP, (b) Mẫu chế tạo cấu trúc CWP với: ......47
ax = 3.6 mm, ay = 7.2 mm, l = 5.0 mm, w = 1.0 mm. ................................................47
l = 4.2 mm, ts = 0.036 mm. ........................................................................................47
Hình 2.16: Hệ thiết bị Vector Network Analyzer đặt tại Viện Khoa học và ...........48
Công nghệ Quân sự - Việt Nam. ...............................................................................48
Hình 3.1: (a) Ô cơ sở của cấu trúc CWP, (b) MM chế tạo có cấu trúc CWP với: ...53
ax = 3.6 mm, ay = 7.2 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0 mm, td = 0.4 mm, ts = 0.036 mm. .53
Hình 3.2: (a) Phổ truyền qua mô phỏng và thực nghiệm của vật liệu biến hóa có cấu
trúc CWP; (b) Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số, (c) Phân bố dòng tại tần số
cộng hưởng fm = 13.392 GHz. ...................................................................................54
Hình 3.3: Đồ thị sự phụ thuộc của độ rộng tương đối vùng tần số ứng với độ từ

thẩm âm vào bề dày td dựa theo mô hình lý thuyết. ..................................................57
Hình 3.4: Phổ truyền qua theo bề dày td = 0.4, 0.8, 1.0 mm ....................................58
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm. ...............................................................................58
Hình 3.5: Phổ truyền qua phụ thuộc bề dày điện môi. .............................................59
Hình 3.6: (a) Sự phụ thuộc độ từ thẩm tại td = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm, ..............60
(b) Độ rộng tương đối vùng từ thẩm âm theo mô phỏng và lý thuyết tại .................60
td = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm. ...................................................................................60
Hình 3.7: (a) Cấu trúc CWP chuyển từ đối xứng sang bất đối xứng (theo phương.62
điện trường E), (b) Mạch điện tương đương của cấu trúc CWP bất đối xứng. .........62


xi

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của

l
f td
,
vào tỉ số
. ...............................................63
td
f td

Hình 3.9: Cấu trúc CWP bất đối xứng theo phương từ trường. ..............................64
Hình 3.10: Phổ truyền qua mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc CWP khi phá vỡ
tính đối xứng cấu trúc với l = 0, 0.5, 1 mm ............................................................65
Hình 3.11: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi ∆l thay đổi ...........66
từ 0 – 1.2 mm. ...........................................................................................................66
Hình 3.12: Độ từ thẩm khi ∆l có giá trị lần lượt là 0.125td, 1.5td, 2td, 2.5td. ............66
Hình 3.13: Phân bố điện trường tại tần số cộng hưởng từ trên cấu trúc CWP tại vị

trí: (a) l  0 , (b) l  1.5td , (c) l  2.5td . .......................................................67
Hình 3.14: Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng với
hệ số kích thước S = 1, 0.1, 0.01, 0.001. ...................................................................68
Hình 3.15: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi w tăng, ..............69
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm. ...............................................................................69
Hình 3.16: (a) Kết quả mô phỏng phổ truyền qua theo các giá trị w , (b) Độ từ
thẩm khi ∆w = 0, td, 2.5td. .........................................................................................70
Hình 3.17: Phổ truyền qua của cấu trúc CWP bất đối xứng khi w, l tăng, ..........71
(a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm. ...............................................................................71
Hình 3.18: Tổng quát hóa sự phụ thuộc độ rộng vùng cộng hưởng từ vào w, l . 71
Hình 3.19: (a) Sự phân cực sóng điện từ, (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ
truyền qua vào góc phân cực của vật liệu biến hóa cấu trúc CWP. ..........................72
Hình 3.20: (a) Ô cơ sở của cấu trúc vòng xuyến chuyển từ đối xứng sang bất đối
xứng, (b) Mẫu chế tạo cấu trúc vòng xuyến bất đối xứng tại ∆w = 0.3 mm.............73
Hình 3.21: Phổ truyền qua của cấu trúc vòng xuyến bất đối xứng khi w tăng từ .74


xii

0-1.0 mm, (a) Mô phỏng, (b) Thực nghiệm. .............................................................74
Hình 3.22: Sự phụ thuộc độ từ thẩm theo bề rộng ∆w = 0, 0.6, 1.0 mm. ................74
Hình 3.23: Sự phụ thuộc phổ truyền qua vào góc phân cực của vật liệu biến hóa cấu
trúc vòng xuyến tại bề rộng ∆w = 0.4 mm. ...............................................................75
Hình 4.1: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc cặp CW bất đối xứng với
∆w, ∆l thay đổi từ 0 đến 1.25 mm.............................................................................78
Hình 4.2: (a) Cấu trúc ô cơ sở ax = 3.5 mm, ay = 9 mm, w = 1 mm, l = 5.5 mm, ....78
td = 0.4 mm, tc = 0.036 mm, (b) Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa cấu trúc CW. ...78
Hình 4.3: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ phụ thuộc vào góc phân cực. .................79
Hình 4.4: Vật liệu biến hóa chuyển từ cấu trúc CW sang cấu trúc hình vuông. ......79
Hình 4.5: (a) Cấu trúc ô cơ sở, Kết quả mô phỏng: (b) Phổ hấp thụ (c) Phổ hấp thụ

phụ thuộc góc phân cực cấu trúc hình vuông. ...........................................................80
Hình 4.6: MPA cấu trúc vòng xuyến: (a) Ô cơ sở, sự phân cực sóng điện từ ..........81
(b) Mẫu chế tạo với các tham số cấu trúc: a = 10 mm, Ri = 1mm, ...........................81
w = 1.7mm, td = 0.4mm, ts = 0.036mm. ...................................................................81
Hình 4.7: (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của MPA cấu trúc vòng
xuyến, (b) Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực. .....................................82
Hình 4.8: Phần thực của phối hợp trở kháng giữa toàn cấu trúc và không khí. .......82
Hình 4.9: Phân bố dòng cảm ứng trên: (a) Cấu trúc vòng xuyến, (b) Tấm kim loại
đồng mặt sau tại tần số cộng hưởng fm = 13.73 GHz. ..............................................83
Hình 4.10: Mô phỏng mật độ tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong (a) Lớp đồng
vòng xuyến, (b) Lớp điện môi, (c) Lớp đồng phía sau của cấu trúc. ........................83
Hình 4.11: Ô cơ sở của cấu trúc CWP và sự phân cực sóng điện từ với w = 1mm, 85
l = 6 mm, ax = ay = a = 14.5 mm, td = 1.2 mm, ts = 0.036 mm. ................................85


xiii

Hình 4.12: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ truyền qua, (b) Phổ hấp thụ của cấu trúc
CWP. .........................................................................................................................85
Hình 4.13: Biến đổi cấu trúc CWP sang cấu trúc hình vuông. ................................86
Hình 4.14: Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa cấu trúc hình vuông theo mô phỏng.86
Hình 4.15: Cấu trúc CWP chuyển sang cấu trúc hình kim cương. ..........................87
Hình 4.16: Phổ hấp thụ tương ứng với các cấu trúc: hình vuông (m = 6 mm) sang
cấu trúc bát giác (m = 4 mm và m = 2 mm) và cấu trúc kim cương (m = 0 mm). ....90
Hình 4.17: Phổ hấp thụ mô phỏng của cấu trúc kim cương với giá trị m thay đổi. .91
Hình 4.18: (a) Ảnh chụp mẫu chế tạo, (b) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ
hấp thụ cấu trúc kim cương. ......................................................................................91
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc kim cương (màu đen), phần
''
ảo của độ điện thẩm  '' (màu cam), độ từ thẩm  (màu xanh). ................................92

Hình 4.20: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ hấp thụ cấu trúc hình vuông khi thay đổi
hằng số mạng a, các tham số khác được giữ nguyên như mục 4.2, (b) Phổ hấp thụ
của cấu trúc hình vuông với a = 14.5 mm, 18 mm, 21 mm. ....................................94
Hình 4.21: (a) Sự phụ thuộc độ từ thẩm, (b) Sự phụ thuộc độ điện thẩm vào hằng số
mạng a, các tham số khác giữ không đổi. .................................................................94
Hình 4.22: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc kim cương theo góc tới, (a)
Theo mode TE, (b) Theo mode TM. .........................................................................95
Hình 4.23: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ cấu trúc kim cương với hệ số tỉ lệ giảm
dần: s = 0.1, 0.01, 0.001 tương ứng. .........................................................................96
Hình 4.24: (a) Ô cơ sở và sự phân cực sóng điện từ, (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp
thụ cấu trúc cặp vòng xuyến......................................................................................98
Hình 4.25: Phổ hấp thụ cấu trúc cặp vòng xuyến với hằng số mạng thay đổi. ........98


xiv
Hình 4.26: Kết quả mô phỏng: (a) Phổ truyền qua của cấu trúc cặp vòng xuyến ứng
với bề rộng w = 4.3 mm, (b) Phân bố dòng bề mặt tại mặt trước (dòng trên), mặt sau
(dòng dưới) ứng với mỗi tần số cộng hưởng, các cột từ trái sang phải tương ứng với
tần số f1, f2, f3. ..........................................................................................................100
Hình 4.27: (a) Kết quả mô phỏng, (b) Thực nghiệm phổ truyền qua, phổ phản xạ,
phổ hấp thụ cấu trúc cặp vòng xuyến. .....................................................................101
Hình 4.28: Phối hợp trở kháng hiệu dụng với bề rộng vòng xuyến w thay đổi. ....101


1
MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, cuộc cách mạng khoa học công nghệ về tìm kiếm và
nghiên cứu vật liệu mới diễn ra rất sôi nổi trên toàn thế giới. Việc nghiên cứu tìm ra
các loại vật liệu mới tốt hơn, rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đã và đang

trở thành nhu cầu cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích tạo ra những
vật liệu có tính chất mới lạ so với vật liệu truyền thống trong các ứng dụng thực tế.
Vật liệu biến hóa (Metamaterial - MM) là một trong những vật liệu mới đang
được quan tâm mạnh mẽ trong những năm gần đây. Đây là vật liệu có cấu trúc nhân
tạo được hình thành bằng cách sắp xếp và quy luật hóa trật tự các ô cấu trúc, ở đây
hình dạng cũng như kích thước của các ô cấu trúc đóng vai trò như những “nguyên
tử” trong vật liệu truyền thống. Tính chất của vật liệu biến hóa có thể được thay đổi
thông qua hình dạng, thành phần và trật tự của các ô cấu trúc.
Vật liệu biến hóa được nghiên cứu với rất nhiều hướng khác nhau trong đó
loại MM được nghiên cứu đầu tiên và nhiều nhất là vật liệu biến hóa chiết suất âm
(NRI). Vật liệu chiết suất âm được chế tạo thành công đầu tiên năm 2000 bởi Smith
[1], tính chất của nó (về mặt lý thuyết) được tiên đoán từ năm 1968 bởi Veselago [2].
Vật liệu biến hóa chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ
tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên
cùng một dải tần số. Vật liệu này sở hữu nhiều tính chất bất thường như sự nghịch
đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, sự nghịch đảo của
bức xạ Cherenkov, đặc biệt là ba véc tơ của sóng điện từ: E , H , k tuân theo quy tắc
tam diện nghịch. Chính từ lý do này, vật liệu biến hóa chiết suất âm nói riêng và vật
liệu biến hóa nói chung được đặc biệt quan tâm nghiên cứu vì những tiềm năng ứng
dụng to lớn của nó. Một trong ứng dụng quan trọng đầu tiên phải kể đến đó là áo tàng
hình được đề xuất bởi Pendy và các cộng sự năm 2006 [3]. Bằng cách sắp xếp các
lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau một cách hợp lý, lớp vỏ vật liệu biến
hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng quanh một vật thể, biến nó trở thành “tàng hình”
thực sự.


2
Một đối tượng nữa đang được quan tâm rất mạnh mẽ trong lĩnh vực vật liệu
biến hóa đó là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA). Vật liệu này
được đề xuất và chứng minh đầu tiên vào năm 2008 bởi Landy và các cộng sự. Landy

đã chứng minh được vật liệu biến hóa có thể hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng điện
từ và không phản xạ. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có nhiều ưu điểm như
mỏng, dễ chế tạo, giá rẻ, dễ điều khiển, đặc biệt là điều khiển được bằng tác động
ngoại vi [4]. Để khai thác tính nhân tạo cấu trúc của MM, rất nhiều cấu trúc MPA đã
được đề xuất và nghiên cứu với mục đích tìm kiếm cấu trúc đơn giản, có dải tần số
làm việc rộng nhằm ứng dụng trong thực tiễn như: thiế t bi ̣ khoa ho ̣c, y tế , pin năng
lươ ̣ng và đặc biệt trong liñ h vực quân sự (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng
hin
̀ h ảnh nhiê ̣t, tác chiế n đêm). Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật
liệu biến hóa còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số, cộng
hưởng, ăng ten và cảm biến sinh học [5].
Tính chất thú vị và khả năng ứng dụng đầy triển vọng này của vật liệu biến
hóa đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn
thế giới. Số lượng các nhà khoa học nghiên cứu về vật liệu biến hóa và số lượng các
công trình nghiên cứu khoa học được công bố liên quan đến vật liệu này đã tăng đột
biến trong những năm vừa qua. Gần đây những nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã và
đang được quan tâm nghiên cứu tại một số nơi ở nước ta như nhóm nghiên cứu của
PGS. TS. Vũ Văn Yêm trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu của TS.
Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia
thành phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu của TS. Trần Mạnh Cường thuộc Khoa
Vật lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. Điển hình là nhóm nghiên cứu của PGS.TS
Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã nghiên cứu và thu được một số kết quả quan trọng về vật liệu biến hóa chiết
suất âm và vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ [5-7].
Vật liệu biến hóa nói chung hoạt động dựa trên tính chất cộng hưởng từ và cộng
hưởng điện từ khi tương tác với các thành phần điện trường E và từ trường H của
sóng điện từ chiếu đến. Tuy nhiên, tính chất cộng hưởng thường xảy ra trong vùng


3

tần số hẹp và phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ. Do đó, để đưa vật liệu biến
hóa vào ứng dụng thực tế cần phải nghiên cứu giải quyết một số vấn đề sau: tìm kiếm
vật liệu có cấu trúc đơn giản, có dải tần số hoạt động rộng, không phụ thuộc phân cực
sóng điện từ, dễ dàng trong việc chế tạo và triển khai ứng dụng hay tìm kiếm vật liệu
có thể nhận sóng điện từ theo hai chiều cũng đang được quan tâm sâu sắc.
Trong nghiên cứu về vật liệu biến hóa của nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa
học Vật liệu, NCS. Đỗ Thành Việt đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về vật liệu
biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ vào năm 2015. Luận án của TS. Đỗ Thành
Việt đã tập trung nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc và mở rộng dải tần làm việc của vật
liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc cặp dây bị cắt và cấu trúc đĩa tròn
ở vùng tần số GHz. Tuy nhiên các cấu trúc mà TS. Đỗ Thành Việt nghiên cứu trong
luận án chỉ hấp thụ sóng điện từ theo một hướng xác định mà không nhận sóng theo
hướng ngược lại. Trong khi đó, NCS. Nguyễn Thị Hiền đã bảo vệ thành công luận án
tiến sĩ vào đầu năm 2016 về vật liệu biến hóa chiết suất âm. Luận án này tập trung
nghiên cứu khả năng mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu chiết suất âm dựa trên
cấu trúc kết hợp (cặp dây bị cắt với dây kim loại) [6]. Tác giả đã thành công trong
nghiên cứu mở rộng dải tần số làm việc của vật liệu chiết suất âm bằng việc sử dụng
hiệu ứng lai hóa plasmon. Trong hiệu ứng này, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của
sự tương tác giữa các lớp cấu trúc (tương tác ngoại) lên tính chất của vật liệu.
Trong luận án này, nghiên cứu sinh tập trung vào nghiên cứu hai nội dung
chính đó là: i) Nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa bằng cách
sử dụng hiệu ứng tương tác nội trong cấu trúc: cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng của
lớp điện môi, ảnh hưởng của tính bất đối xứng cấu trúc lên sự mở rộng vùng từ thẩm
âm của vật liệu. ii) Nghiên cứu tìm kiếm vật liệu biến hóa có cấu trúc hấp thụ đẳng
hướng, không phụ thuộc phân cực của sóng điện từ.
Với lí do đó, mục tiêu của luận án là thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa:
i) Cấu trúc đơn giản, dải tần số làm việc rộng,
ii) Cấu trúc có tính đối xứng cao, hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ.

4
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ.
Phương pháp nghiên cứu: Luận án được thực hiện dựa trên sự kết hợp của 3
phương pháp: xây dựng mô hình vật lý dựa trên mạch LC kết hợp với mô phỏng và
thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án: Luận án là một công
trình nghiên cứu khoa học cơ bản. Các nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề như mở
rộng dải tần hoạt động của MM với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo. Ngoài ra luận án
thành công trong việc tìm kiếm vật liệu biến hóa có cấu trúc hấp thụ đẳng hướng sóng
điện từ, không phụ thuộc phân cực của sóng điện từ hoạt động ở vùng tần số GHz.
Kết quả này đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng Quốc phòng như tàng hình ảnh
nhiệt trong vùng sóng Rada. Không chỉ vậy, đây còn là tiề n đề cho những nghiên cứu
tiế p theo ở vùng tần số cao, tiế n tới làm chủ hoàn toàn công nghê ̣ thiế t kế chế ta ̣o vâ ̣t
liê ̣u biến hóa hoa ̣t đô ̣ng ở vùng hồ ng ngoa ̣i và nhìn thấy, với nhiề u ứng du ̣ng thú vi ̣
trong thực tiễn.
Luận án chia thành 4 chương
Chương 1: Tổng quan vật liệu biến hóa
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên độ rộng vùng từ thẩm âm của
vật liệu biến hóa
Chương 4: Vật liệu biến hóa hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ


5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA
1.1. Vật liệu biến hóa
1.1.1. Khái niệm vật liệu biến hóa
Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định bởi
cấu tạo nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu [8]. Từ ý tưởng sắp xếp
nguyên tử nhân tạo trong mạng tinh thể, chúng ta có thể tạo ra các vật liệu nhân tạo

có những tính chất đặc biệt không có trong vật liệu tự nhiên.
Năm 2000, sự ra đời vật liệu biến hóa có cấu trúc nhân tạo với những tính chất
mới khác lạ so với vật liệu truyền thống đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà
khoa học. Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những ô cơ sở có cấu trúc nhất
định và được coi như “giả nguyên tử”, khi những “giả nguyên tử” này nhỏ hơn nhiều
lần bước sóng (≤ 7 lần) thì các tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện. Bằng
cách thay đổi tính chất và quy luật sắp xếp của các “giả nguyên tử” chúng ta có thể
thu được vật liệu biến hóa có những tính chất mong muốn khác nhau như độ từ thẩm
âm, chiết suất âm hay vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ.
Để hiểu rõ hơn đặc tính của vật liệu biến hóa, Hình 1.1 đưa ra hình ảnh so sánh
về cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa. Vật liệu truyền thống được
hình thành từ những phân tử, nguyên tử, giữa là hạt nhân, xung quanh là các điện tử.
Tính chất của vật liệu chủ yếu được quyết định bởi lớp điện tử ngoài cùng và sự sắp
xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong khi đó, vật liệu biến hóa được xây dựng
bởi các ô cơ sở, mỗi ô cơ sở này tương tự như một nguyên tử của vật liệu truyền thống
và gọi là "giả nguyên tử". Tính chất của vât liệu biến hóa được quyết định chủ yếu
bởi hình dạng cấu trúc của “giả nguyên tử” và trật tự sắp xếp của “giả nguyên tử”.
Nguyên tắc cơ bản tạo ra vật liệu biến hóa đó là kích thước của “giả nguyên
tử” nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hoạt động. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính
chất của vật liệu biến hóa thường được biểu diễn thông qua các giá trị trung bình
và được mô tả dựa trên lý thuyết môi trường hiệu dụng. Khi đó, đối với ánh sáng


6
chiếu tới, môi trường vật liệu được coi như đồng nhất (mặc dù trên thực tế nó có thể
không đồng nhất) và được đặc trưng bởi hai đại lượng là độ từ thẩm hiệu dụng  và
độ điện thẩm hiệu dụng  .

Hình 1.1: Cấu trúc vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa [9].
Về cấu tạo, vật liệu biến hóa có cấu trúc tương tự như một loại vật liệu nhân

tạo khác có tên là tinh thể quang tử (photonic crystals). Tuy nhiên, nguyên lý hoạt
động của hai loại vật liệu này hoàn toàn khác nhau về bản chất. Cấu trúc ô cơ sở của
tinh thể quang tử thường có kích thước cỡ bước sóng và hoạt động dựa trên nguyên
lý nhiễu xạ. Trong khi đó, cấu trúc cơ sở của vật liệu biến hóa nhỏ hơn rất nhiều lần
bước sóng (cỡ 1/7 lần bước sóng) nhằm mục đích quan sát tính chất cộng hưởng tại
1 tần số nào đó. Gần đây, lý thuyết môi trường hiệu dụng đã gây ra nhiều tranh cãi
khi kích thước thật của vật liệu biến hóa trong một số trường hợp có thể so sánh được
với bước sóng hoạt động [10]. Điều này có nghĩa là sự cần thiết của điều kiện nhỏ
hơn nhiều lần bước sóng của lý thuyết môi trường hiệu dụng có thể trở thành một chủ
đề để tranh luận. Hơn nữa, một lý thuyết môi trường hiệu dụng vượt khỏi giới hạn
bước sóng dài cũng đã được phát triển bởi Wu và cộng sự [11]. Lý thuyết này có thể


7
phù hợp cho trường hợp sóng tới có bước sóng lớn hơn 1.3 lần kích thước ô cơ sở của
vật liệu biến hóa.
1.1.2. Phân loại vật liệu biến hóa
Hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định sự lan truyền sóng điện từ trong
vật liệu là độ điện thẩm ɛ và độ từ thẩm µ. Việc phân loại vật liệu biến hóa có thể dựa
trên giá trị âm hay dương của hai đại lượng này (Hình 1.2).

Hình 1.2: Mối liên hệ giữa µ và ε.
Hầu hết các loại vật liệu trong tự nhiên đều có cả hai giá trị ɛ và µ dương (ɛ >
0, µ > 0) cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong các vật liệu và có tổn
hao rất lớn (góc phần tư thứ nhất). Khi một trong hai giá trị này âm và giá trị còn lại
dương (như ở góc phần tư thứ hai và thứ tư) thì sóng điện từ nhanh chóng bị dập tắt
và không thể lan truyền trong vật liệu. Trường hợp đặc biệt, vật liệu có độ điện thẩm
và độ từ thẩm đều có giá trị âm (ɛ < 0, µ < 0), vật liệu này gọi là vật liệu chiết suất
âm (góc phần tư thứ ba). Giống như vật liệu chiết suất dương, sóng điện từ cũng có
thể lan truyền trong vật liệu có chiết suất âm. Vật liệu hấp thụ tuyệt đối được tạo ra

dựa trên vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0) hoặc sự kết hợp tổn hao của độ từ thẩm âm
(µ < 0) và độ điện thẩm âm (ɛ < 0) trong cùng vật liệu.


8
Theo sơ đồ hình 1.2, vật liệu biến hóa có thể phân ra thành 4 loại chính:
 Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ɛ < 0.
 Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): µ < 0.
 Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0.
 Vật liệu hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ.
1.1.2.1. Vật liệu có độ điện thẩm âm
Trong vật liệu tự nhiên, độ điện thẩm âm   0 chỉ xảy ra dưới tần số plasma
và xuất hiện trong một số kim loại quý hiếm như vàng, bạc. Sự phụ thuộc của hằng
số điện môi của vật liệu được biểu diễn bởi phương trình Drude [12].

 p2
 ( )  1 
 (  i )

(1.1)

với  là tần số dập tắt,  p là tần số plasma được xác định bởi biểu thức:

 p2 

Ne2
 0 me

(1.2)

Ở đây, N là mật độ điện tử, me là khối lượng của điện tử, e là điện tích của điện
tử và  0 là độ điện thẩm trong môi trường chân không. Tần số plasma của các kim
loại thường ở vùng khả kiến hoặc tử ngoại (ví dụ như nhôm có tần số plasma vào cỡ
3.6 PHz [9, 13]. Tuy nhiên, tại vùng hồng ngoại gần và thấp hơn, hàm điện môi hoàn
toàn là ảo do sự tổn hao là rất lớn.
Năm 1996, Pendry đã đề xuất một cấu trúc MM nhân tạo dựa trên lưới dây
kim loại mỏng (hình 1.3) để giảm tần số plasma về vùng tần số thấp (GHz) [13]. Mô
hình này bao gồm một dãy các dây kim loại mỏng, dài vô hạn được đặt song song và
cách đều nhau. Môi trường lưới dây kim loại này có khả năng hạ thấp đáng kể tần số
plasma bởi hai lý do chính: Thứ nhất, mật độ điện tử hiệu dụng loãng bớt vì các điện
tử bị giới hạn bên trong các dây kim loại mỏng nằm trong một ô cơ sở. Thứ hai là
khối lượng hiệu dụng được tăng lên đáng kể. Do các dây kim loại trong mô hình có


9
độ tự cảm rất lớn nên theo định luật Lenz, độ tự cảm này sẽ chống lại tốc độ biến
thiên của dòng điện. Hệ quả là các điện tử giống như được tăng thêm một khối lượng
đáng kể. Chi tiết về cơ chế và giải thích hiện tượng được trình bày trong tài liệu tham
khảo [13, 14].
Một cách khác cũng cho ta   0 khi sử dụng các cấu trúc cộng hưởng theo
mạch LC như cấu trúc vòng cộng hưởng hở (SRR) và cấu trúc thanh kim loại (CW)
(Hình 1.4 (a)).

Hình 1.3: (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và
khoảng cách giữa các dây là a, (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số [13].

Hình 1.4: (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), cấu trúc dây kim loại bị cắt
và phân cực của điện trường ngoài, (b) Mô hình mạch điện LC tương đương [13].