Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa một chiều hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc đĩa tròn

ỜI
Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn này là những gì chính tôi đã nghiên
cứu trong suốt thời gian học thạc sĩ dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Vũ Đình Lãm
các số liệu và kết quả là trung thực chưa được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở
nào khác dưới dạng luận văn.
GƢỜI

PHẠM HẢI


ỜI Ả

Ơ

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. Vũ
Đình Lãm, người thầy đã dành rất nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn tôi
nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn CN.Vũ Đình Quý, CN. Lê Đình Hải, CN. Trịnh
Thị Giang, NCS. Đặng Hồng Lưu, TS. Nguyễn Thị Hiền, NCS. Phạm Thị Trang,
TS. Nguyễn Thanh Tùng…và các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm
KH&CN Việt Nam đã giúp đỡ, tương trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài
nghiên cứu tại nhóm.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện ITIMS đã tận tình giảng dạy,
đào tạo và tạo điều kiện trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu luận văn này.
Luận văn này được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài cấp Viện Hàn
lâm KH&CN Việt Nam mã số VAST 03.02(15-16).
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà nội, ngày 27 tháng 9 năm 2016
HỌC VIÊN

PHẠM HẢI


Ụ

Ụ

ỜI
ỜI Ả Ơ
Ụ
Ụ
D H Ụ
Á KÝ HIỆU VIẾT TẮT
D H Ụ
Á HÌ H VẼ
Ở ẦU .................................................................................................................... 1
HƢƠ G I: TỔ G QU
..................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa ................................................................ 2
1.2. Khái niệm cơ bản của vật liệu biến hóa ............................................................. 5
1.3. Các hướng nghiên cứu chính của vật liệu biến hóa ........................................... 7
1.3.1.Vật liệu có chiết suất âm ................................................................................ 7
1.3.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ .......................................... 8
1.4. Mô hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu biến hóa ..................... 11
1.5. Cơ chế hấp thụ sóng điện từ ............................................................................. 13
1.6. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa ............................................................ 15
HƢƠ G II: PHƢƠ G PHÁP GHIÊ
ỨU ................................................. 18
2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu ........................................................................... 18
2.2. Phương pháp mô phỏng ................................................................................... 20

2.3. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................... 21
2.3.1. Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu ............................................................... 21
2.3.2. Quy trình chế tạo mẫu ................................................................................. 22
2.3.3. Phương pháp đo .......................................................................................... 24
HƢƠ G III. KẾT QUẢ VÀ THẢ
UẬ ...................................................... 25
3.1. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc đĩa tròn ................... 25
3.1.1. Cấu trúc đĩa tròn ......................................................................................... 25
3.1.1.1. Phổ hấp thụ của vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa tròn ................................... 25
3.1.1.2. Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ của cấu trúc đĩa
tròn .................................................................................................................................... 29
3.1.2. Cấu trúc nhẫn tròn....................................................................................... 33
3.2. Cấu trúc kết hợp Đĩa-Nhẫn tròn (Dish-ring).................................................... 34
3.3. Cấu trúc Đĩa-Nhẫn tròn có rãnh (Dish-split ring) ............................................ 37
3.4. Hấp thụ dải rộng ............................................................................................... 42
KẾT UẬ .............................................................................................................. 47
Ô G TRÌ H Ã Ô G BỐ IÊ QU
Ế HƢỚ G GHIÊ
ỨU
Ủ
UẬ VĂ .................................................................................................... 48
TÀI IỆU TH
KHẢ ...................................................................................... 49


D

H

Ụ

Á KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt

Tên đầy đủ

MMs

Metamaterials

MPAs

Metamaterial perfect absorber

MA

Metamaterial absorber

CW

Cut-wire

CWP

Cut-wire pair

SRR

Split-ring resonator

CST

Computer simulation technology


D

H

Ụ

Á HÌ H VẼ

Hình 1.1. Sự tương tự về mặt cấu tạo giữa vật liệu biến hóa và vật liệu truyền thống.
.....................................................................................................................................3
Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0)
được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3. ...........................................................................7
Hình 1.3. (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 SRR. ....................................................................8
Hình 1.4. (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt, gồm 3 lớp: hai
lớp kim loại hai bên và lớp điện môi ở giữa, (b) mạch tương đương LC. ................11
Hình 1.5. Vật liệu biến hóa hoạt động ở tần số THz .................................................16
Hình 1.6. Hình minh họa sử dụng vật liệu biến hóa làm vật liệu tàng hình. ............16
Hình 2.1. Sơ đồ tiến trình nghiên cứu .......................................................................18
Hình 2.2. Sơ đồ tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc vòng cộng hưởng ...........................19
Hình 2.3. Giao diện chương trình mô phỏng – CST Microwave Studio 2015. ........21
Hình 2.4. Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa ..........................................................22
Hình 2.5. Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng GHz......................22
Hình 2.6. (a) Cấu trúc ô cơ sở có các tham số cấu trúc: a = 15 mm, R=2.4 mm, độ

dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ dày lớp đồng tm = 0.036 mm; (b) Mẫu chế tạo. ...23
Hình 2.7. Hệ thiết bị Vector Network Analyzer đặt tại Viện Khoa học và kỹ thuật
Quân sự - Việt Nam. .................................................................................................24
Hình 3.1.Cấu trúc đĩa tròn, (a) Ô cơ sở, phân cực sóng điện từ, (b) Mẫu chế tạo, có
các tham số cấu trúc a = 15 mm, R = 2.4 mm, độ dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ
dày lớp đồng là tm = 0.036 mm. ................................................................................25
Hình 3.2. (a) Phổ hấp thụ vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa tròn (b) So sánh giữa kết
quả mô phỏng và thực nghiệm ..................................................................................26
Hình 3.3. Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc đĩa tròn, (a) Sự phân bố dòng tại mặt
trước, (b) Sự phân bố dòng tại mặt sau .....................................................................27
Hình 3.4. (a) Mặt cắt của cấu trúc theo phương H-k; (b)Mặt cắt của cấu trúc theo
phương E-H; (c) Mạch điện tương đương của cấu trúc đĩa tròn ...............................27
Hình 3.5. (a) Ảnh hưởng của góc phân cực , (b) Ảnh hưởng của góc tới θ, (c) Ảnh
hưởng của góc tới ψ ..................................................................................................30
Hình 3.6. Cấu trúc đĩa tròn có các tham số cấu trúc: R = 2.4 mm, td = 0.8 mm, a =
15 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ
hấp thụ vào góc phân cực ......................................................................................30
Hình 3.7. (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp
thụ vào góc tới θ ........................................................................................................31


Hình 3.8. (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp
thụ vào góc tới ψ .......................................................................................................33
Hình 3.9. Cấu trúc nhẫn tròn, (a) Các tham số cấu trúc: a = 15 mm, Ro = 3.3 mm, Ri
=3 mm, td = 0.8 mm, tm = 0.036 mm; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng
của cấu trúc nhẫn tròn, (c) Kết quả mô phỏng. .........................................................33
Hình 3.10. (a) Ô cơ sở của cấu trúc Dish-ring có các tham số cấu trúc a = 15 mm, R
= 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm; (b) Mẫu chế tạo (c), (d) Kết quả mô phỏng và
thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc Dish-ring. .....................................................35
Hình 3.11. Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-ring tại 8.9 GHz, (a), (b) Sự

phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring.................................36
Hình 3.12. Sự phân bố dòng điện của cấu trúc Dish-ring tại 15.8 GHz, (a), (b) Sự
phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-ring.................................37
Hình 3.13. (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring với các tham số a = 15 mm, ....38
R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm,g=0.8 mm, (b) Mẫu chế tao, (c) Sơ đồ mạch
điện tương đương hiệu dụng của cấu trúc Dish- Split ring, (d) kết quả mô phỏng phổ
hấp thụ của cấu trúc Dish-Split ring..........................................................................38
Hình 3.14. Sự phân bố dòng bề mặt của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz, (a),
(b) Sự phân bố dòng tại mặt trước và mặt sau của cấu trúc Dish-split ring..............39
Hình 3.15. Sự phân bố điện trường của cấu trúc Dish-split ring tại 13.04 GHz .......40
Hình 3.16. (a), Ô cơ sở của cấu trúc Dish-split ring, (b) Mẫu chế tạo, (c), (d) Kết
quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ khi khoảng cách (g) thay đổi từ 0.2 đến
1.4 mm. ......................................................................................................................42
Hình 3.17. Cấu trúc có 4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn: (a) cấu trúc ô cơ sở, (b) mẫu chế
tạo ..............................................................................................................................43
Hình 3.18. Phổ hấp thụ dải rộng của vật liệu dựa trên cấu trúc Đĩa tròn-Nhẫn tròn.
...................................................................................................................................43
Hình 3.19. Từ trường cảm ứng tại các tần số cộng hưởng (f1=12.32 GHz, f2=13.12
GHz, f3=13.8 GHz, f4=14.68 GHz, f5=15.16 GHz, f6=16 GHz, f7=17 GHz và
f8=17.84)....................................................................................................................44
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và 4 nhẫn
tròn. ...........................................................................................................................45
Hình 3.21. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc gồm
4 đĩa tròn và 4 nhẫn tròn. ..........................................................................................45


Ở ẦU
Năm 2008, Landy và cộng sự [35] đã phát hiện một tính chất hết sức thú vị
của vật liệu biến hóa Metamaterials (MMs), đó là khả năng siêu hấp thụ. Chính vì
thế, MMs ngày càng được các nhà khoa học quan tâm sâu sắc hơn vì khả năng ứng

dụng to lớn của nó.
Tấm hấp thụ dựa trên nền MMs được k vọng có khả năng hấp thụ gần như
tuyệt đối và hầu như không bị phản xạ, với công nghệ chế tạo đơn giản, khả năng
điều khiển vùng hấp thụ linh hoạt. Với tính chất chất này, MMs có thể được ứng
dụng hết sức ý nghĩa trong các thiết bị khoa học, y tế, pin năng lượng và trong lĩnh
vực quân sự. Mục đích hiện tại của các nhà khoa học là sớm đưa vật liệu này vào
ứng dụng trong thực tế đối với các thiết bị hoạt động ở vùng tần số GHz đồng thời
thúc đẩy việc chế tạo vật liệu này hoạt động ở tần số cao hơn như THz, hồng ngoại
phục vụ cho các ứng dụng mới trong quang học. Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu
này vào ứng dụng, vẫn còn tồn đọng khá nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ và giải
quyết một cách thỏa đáng. Một trong những vấn đề then chốt đó là tìm kiếm vật liệu
biến hóa hấp thụ có cấu trúc đơn giản để thuận lợi cho việc chế tạo, đặc biệt là tìm
kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ
để dễ dàng hơn trong ứng dụng thực tế. Đây là lý do chính cho việc chọn đề tài luận
văn nghiên cứu của chúng tôi.
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
(i)

Tối ưu hóa cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ có dạng đơn giản dễ dàng
chế tạo ở vùng tần số GHz.

(ii)

Nghiên cứu mở rộng vùng tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa.

Luận văn được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô
hình hóa và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm.
Với các mục tiêu đó, luận văn được chia thành 3 chương như sau:
hƣơng I: Tổng quan về vật liệu biến hóa (Metamaterial – Meta)
hƣơng II: Phương pháp nghiên cứu

hƣơng III: Kết quả và thảo luận
1


HƢƠ G I: TỔ G QU
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa
Xét sự tương tác của ánh sáng với một vật liệu bất k . Ánh sáng là một dạng
sóng điện từ được đặc trưng bởi các đại lượng tần số hoặc bước sóng. Bước sóng
của ánh sáng thường có kích thước lớn gấp hàng trăm lần kích thước của các
nguyên tử cấu thành vật liệu cũng như khoảng cách giữa chúng. Vì thế, ánh sáng
không thể nào phân giải được chi tiết hình ảnh của từng nguyên tử độc lập. Nhờ đó,
ta có thể tính trung bình tất cả các nguyên tử và coi vật liệu như một khối đồng nhất
được đặc trưng bởi hai tham số điện từ ɛ và µ. Trên thực tế, điều này không nhất
thiết phải bị giới hạn ở các nguyên tử hay phân tử. Lý thuyết môi trường hiệu dụng
(effective medium theory– EMT), cho phép bất k vật chất không đồng nhất nào mà
kích thước và khoảng cách giữa các vật chất này nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước
sóng của sóng điện từ đều có thể được mô tả thông qua các tham số ɛ và µ hiệu
dụng.
Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định bởi
tính chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của những nguyên tử đó [37].
Một ví dụ đơn giản cho thấy, kim cương và than chì đều được cấu tạo từ các bon
nhưng do sự sắp xếp trong cấu trúc mạng tinh thể khác nhau dẫn đến sự khác biệt về
tính chất vật lý giữa kim cương và than chì. Từ kết quả đó, ý tưởng về sự tồn tại của
những nguyên tử nhân tạo cùng loại hoặc khác loại được sắp xếp có chủ ý trong các
mạng tinh thể nhân tạo, cho phép con người có thể tạo ra những tính chất mới lạ
không tồn tại trong tự nhiên, từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học.
Một trong những ví dụ điển hình về sự thành công trong việc tạo ra các tính chất
mới của vật liệu bằng cách can thiệp nhân tạo vào mạng tinh thể có thể kể đến như
ống nano các bon [22], và gần đây là graphene [25].
Tuy nhiên, thú vị hơn cả là sự ra đời của vật liệu điện từ nhân tạo “vật liệu

biến hóa”, bởi khả năng sở hữu những tính chất khác lạ trong hầu như toàn bộ dải
tần [50]. Vật liệu biến hóa 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
2


biệt của vật liệu biến hóa 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
biến hóa cho thấy có sự hoàn toàn tương tự giữa hai cấu trúc này khi coi nguyên tử
tương đương như mạch cộng hưởng điện từ LC.

Hình 1.1. Sự tương tự về mặt cấu tạo giữa vật liệu biến hóa và vật liệu
truyền thống.
Dựa trên lý thuyết môi trường hiệu dụng, vật liệu biến hóa thường được định
nghĩa:
Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, bao gồm các cấu trúc cơ bản
được sắp xếp một cách tuần hoàn (hoặc không tuần hoàn), mà tính chất phụ thuộc
vào cấu trúc ô cơ sở hơn là các vật liệu cấu thành nên nó. Cấu trúc cơ bản của vật
liệu biến hóa không phải là đồng nhất nhưng có kích thước nhỏ hơn rất nhiều lần
bước sóng hoạt động nên tính chất điện từ của vật liệu biến hóa được biểu diễn
thông qua các tham số hiệu dụng ɛ và µ.

3


Một điểm cần chú ý về mặt cấu tạo đó là vật liệu biến hóa có cấu trúc tương
tự như một loại vật liệu nhân tạo khác là tinh thể photonic. Tuy nhiên, nguyên lý

hoạt động của hai loại vật liệu này hoàn toàn khác nhau về bản chất. Cấu trúc cơ sở
của tinh thể photonic 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 loại bỏ các hiện tượng
nhiễu xạ. Gần đây, giá trị của giới hạn bước sóng dài trong 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 [43]. 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 [50]. Lý thuyết này có thể 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.
Ưu điểm của vật liệu biến hóa là tạo ra các vật liệu nhân tạo với những tính
chất lạ thường không có trong vật liệu truyền thống. Để điều khiển tính chất này, về
cơ bản dựa trên việc điều khiển các tham số cấu trúc của mạch cộng hưởng dẫn đến
việc điều khiển sóng điện từ. Vật liệu chiết suất âm ra đời đã mở ra một cánh cửa
mới với những tính chất khác lạ, mà hầu như không thể tiếp cận được từ trước đến
nay. Từ nền tảng đó, sự kiểm soát sóng điện từ cũng như sự hấp thụ tuyệt đối sóng
điện từ dựa trên việc điều khiển thành phần vật liệu ra đời hứa hẹn những ứng dụng
mà nó mang lại.
Do vật liệu biến hóa có kích thước ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt
động nên khi sóng điện từ chiếu đến vật liệu sẽ tách thành ba thành phần: thành
phần phản xạ (reflection - R) do không phối hợp trở kháng tốt giữa vật liệu với môi
trường ngoài, thành phần hấp thụ (absorption - A) do bản chất của vật liệu và thành
phần truyền qua (T), bỏ qua các thành phần nhiễu xạ và tán xạ. Như vậy, ta dễ dàng
có thể nhận thấy tổng năng lượng của ba tín hiệu phản xạ, truyền qua và hấp thụ
phải bằng tổng năng lượng của tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R +
T + A = 1 (100%) [36, 6]. Như vậy, khi biết được hai trong ba giá trị này thì có thể
4

suy ra được giá trị còn lại. Trong thực tế việc xác định độ phản xạ (R) và truyền qua
(T) rất dễ dàng thông qua các hệ số phản xạ S11 và truyền qua S21 bằng cách sử dụng
các ăng ten ghi nhận tín hiệu đặt ở các vị trí thích hợp (với R = (S11)2 và T = (S21)2),
còn độ hấp thụ được tính toán qua công thức: A = 1 - R - T = 1- (S11)2 - (S21)2.
1.2. Khái niệm cơ bản của vật liệu biến hóa
Về mặt lý thuyết, hai tham số cơ bản của vật liệu là hằng số điện môi ε và độ
từ thẩm µ là hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định sự lan truyền sóng điện từ
trong vật liệu. Đây là hai tham số đặc trưng của vật liệu trong phương trình tán sắc:
|

|

(1.1)

Phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa tần số ω của sóng ánh sáng đơn
sắc và vectơ sóng ⃗ . Đối với các vật liệu một chiều đẳng hướng thì phương trình tán
sắc ánh sáng (1.1) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản sau:
k2 

2
c2

n2

(1.2)

với:
n2 = εμ

(1.3)

Từ phương trình (1.2) và (1.3) ta có thể thấy rằng với sự thay đổi một cách
đồng thời dấu của ε và μ sẽ không ảnh hưởng đến mối tương quan giữa n2 và k2. Tuy
nhiên trong trường hợp vật liệu có giá trị ε và μ cùng âm, khi đó sẽ dẫn đến những
tính chất vật lý k diệu. Những tính chất này hoàn toàn khác biệt với tính chất của
các vật liệu thông thường khi ε và μ cùng dương.
Để hiểu rõ hiệu ứng của loại vật liệu này, thì chúng ta sẽ phân tích bắt đầu từ
phương trình Maxwell:
⃗

⃗
⃗

⃗

(1.4)

Với
⃗

⃗

(1.5)

5


⃗

⃗

Ở đây ε và μ xuất hiện một cách độc lập khác với ở trong các phương trình
(1.1), (1.2) và (1.3) khi ε và μ xuất hiện đồng thời trong một thể tích. Đối với sóng
phẳng đơn sắc, các đại lượng ⃗ và ⃗ là tỉ lệ với ei(kz-ωt) và do vậy phương trình (1.4)
và (1.5) có thể được rút gọn thành:
⃗⃗⃗
⃗⃗⃗

⃗

⃗
⃗

⃗

(1.6)

Biểu thức (1.6) rất quan trọng, nó giúp chúng ta hiểu rõ bản chất của vật liệu
có chiết suất âm. Nếu cả ε và μ cùng dương, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗ , ⃗ tạo thành một
tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Trong trường hợp ε và μ đồng thời
âm, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗ , ⃗ sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn
tay trái). Cùng lúc đó, hướng của dòng năng lượng được xác định bởi vectơ
Poynting

không phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:
⃗

⃗

⃗

⃗

(1.7)

Đối với vật liệu có ε và μ cùng dương, vectơ sóng ⃗ hướng ra từ nguồn phát xạ
(tức là hai vectơ

và ⃗ song song với nhau). Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có

ε và μ cùng âm, khi đó vectơ sóng ⃗ hướng vào nguồn phát xạ (hai vectơ ⃗ và

đối

xong). Đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa trường hợp vật liệu có ε
và μ cùng âm với trường hợp vật liệu có hai giá trị ε và μ cùng dương.
Hình 1.2 biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ. Các vật liệu điện môi thông thường
có ε > 0 và μ > 0 cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong vật liệu (góc
phần tư thứ nhất). Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị còn
lại dương như ở trong miền không gian góc phần tư thứ hai và thứ tư, khi đó sóng
điện từ nhanh chóng bị dập tắt và không thể lan truyền trong môi trường. Trong
trường hợp cả ε và μ cùng âm nhưng tích của chúng mang giá trị dương (góc phần

6


tư thứ 3), khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu. Môi trường
này được gọi là vật liệu chiết suất âm.

Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm
(n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3.
1.3. ác hƣớng nghiên cứu chính của vật liệu biến hóa
Dựa trên những tính chất và khả năng ứng dụng, vật liệu biến hóa có thể được
chia trên một số hướng nghiên cứu khác nhau. Trong đó có hai hướng đang được
đặc biệt quan tâm:
i)

Vật liệu biến hóa có chiết suất âm.

ii)

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối.

1.3.1.Vật liệu có chiết suất âm
Dựa trên ý tưởng ban đầu của Veselago [44], vật liệu 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 và độ điện thẩm âm (µ < 0, ɛ < 0) trên cùng một dải tần số. Từ đó dẫn đến
những tính chất điện từ và quang học bất thường, trong đó có sự nghịch đảo của
định luật Snell [39], sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler [20], hay sự nghịch
đảo của phát xạ Cherenkov [51]. Một trong những tính chất thú vị nữa của vật liệu
chiết suất âm là 3 vector của sóng điện từ ⃗ , ⃗ , ⃗ tuân theo quy tắc bàn tay trái
(Left-hand set). Do vây, vật liệu chiết suất âm còn được gọi là vật liệu left-handed

7


material – LHM. Nhờ vào các tính chất kì diệu này, vật liệu biến hóa có chiết suất
âm hứa hẹn rất nhiều tiềm năng ứng dụng như: siêu thấu kính [18], antena [38, 33],
và là một trong những thành phần chế tạo " áo khoác tàng hình" [17].

Vật liệu biến hóa có chiết suất âm hiện vẫn chưa được tìm thấy tồn tại trong tự
nhiên nhưng được chế tạo và kiểm chứng đầu tiên bởi nhóm Smith [10] dựa trên mô
hình lưới dây kim loại (thành phần điện) và vòng cộng hưởng có rãnh (thành phần
từ) được đề xuất bởi Pendry [19, 16]. Hình 1.3 là mẫu chế tạo và phổ truyền qua
thực nghiệm của mẫu ở vùng tần số GHz. Kết quả cho thấy khi lưới dây kim loại
(tạo ɛ < 0) được thêm vào, vùng không truyền qua của SRR (tạo µ < 0) chuyển
thành vùng truyền qua.

(a)

(b)

Hình 1.3. (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 SRR [10].
Để đưa vật liệu biến hóa có chiết suất âm vào những ứng dụng trong thực tế,
còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách thỏa đáng. Cũng
như vật liệu biến hóa khác, vật liệu biến hóa có chiết suất âm đều được tạo ra khi
vật liệu tương tác với các thành phần điện ⃗ và từ ⃗ của sóng điện từ trường chiếu
đến. Kết quả là vùng có chiết suất âm thường rất hẹp và phụ thuộc vào sự phân cực
của sóng điện từ [1].
1.3.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả năng
hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới. Do MPA được tạo bởi các
cấu trúc cộng hưởng điện khi có tương tác với điện, từ trường ngoài nên nguyên lí

8


hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần số cộng hưởng, các đại lượng
truyền qua, phản xạ đều bị triệt tiêu [35]. Hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa

có thể được phân chia thành hai cấp độ: hấp thụ cộng hưởng và hấp thụ trên một
vùng tần số rộng. Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng
điện từ có 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
có dải tần rộng có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số cụ thể và do đó có
thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn.
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 với lợi thế độ dày nhỏ như đã
được chứng minh là

/40 [13] ,

/69 [27].

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 Landy đề xuất [36] có độ hấp thụ tốt (A

99% tại

tần số 11.65 GHz) (xem hình 1.1), nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi, với độ
chính xác về kích thước có sai số 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 một năm sau đó [35]. 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 có dạng
vòng hở kết hợp với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis ở đại học Iowa đề xuất
[4]. Cấu trúc do Soukoulis đề xuất cho độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi

9


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. Vì thế 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 [48, 5,
3, 26, 7, 34].
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 [40, 12]. 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 ô cơ sở. 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 [41]. Mô hình của Cummer cho độ hấp thụ 99.9%
tại tần số 2.4 GHz với độ rộng dải tần hấp thụ lên tới 30%. Một hướng tiếp cận khác
là 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 [14]. Ngoài ra, kỹ thuật
sử dụng phần tử 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 [49].
Một trong những nhược điểm của vật liệu MPA khi đưa vào ứng dụng đó là
tần số hấp thụ không thể thay đổi sau khi chế tạo. Các thiết bị sử dụng vật liệu MPA
sẽ trở nên linh hoạt hơn khi tần số hấp thụ có thể điều khiển bằng các yếu tố ngoại
vi như từ trường, điện trường, ánh sáng, nhiệt độ ..v..v… Do đó, trong thời gian gần
đây, việc tích hợp các vật liệu biến đổi vào cấu trúc hấp thụ và nghiên cứu các tính

chất phi tuyến của vật liệu MPA tích hợp này cũng được các nhà khoa học đặc biệt
quan tâm [14, 28].
Việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa sẽ là tiền đề cho hàng
loạt ứng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiệt kế, các phòng chắn bức
xạ công nghiệp, pin mặt trời hiệu suất cao…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc
phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban
đêm…). Về lĩnh vực nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu do PGS. TS. Vũ Đình Lãm,
Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thu

10


được nhiều kết quả thú vị ở vùng sóng GHz, trong đó đã có 02 NCS. Đỗ Thành Việt
và NCS. Nguyễn Thị Hiền bảo vệ thành công luận án Tiến sĩ.
1.4. Mô hình giải thích tƣơng tác sóng điện từ với vật liệu biến hóa
Các nghiên cứu tương tác của sóng điện từ với vật liệu biến hóa nói chung
thường được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán thông qua mô hình mạch
điện LC, mô hình hóa bằng mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm. Sau
đây luận văn sẽ trình bày một số phương pháp chính mà các nhà nghiên cứu vật liệu
biến hóa đã và đang thực hiện.
Các tính chất của vật liệu biến hóa xuất hiện là do sự tương tác của vật liệu với
sóng điện từ. Sự tương tác này sẽ xuất hiện các cộng hưởng điện từ. Do vậy các tính
chất của vật liệu biến hóa có thể được giải thích dựa trên mô hình mạch điện tương
đương LC. Mỗi một cấu trúc hình học sẽ có mạch điện LC tương ứng.
Cấu trúc đầu tiên được đề cập đến là cấu trúc CWP. Sự tương tác của cấu trúc
này với sóng điện từ được giải thích dựa trên mô hình mạch điện LC đề xuất bởi
Zhou và cộng sự [23]. Dựa vào mô hình này, tần số mà tại đó xảy ra cộng hưởng
điện, cộng hưởng từ hay chiết suất âm có thể dễ dàng được tính toán.
Hình 1.4 (a) trình bày cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc CWP
(giữa là lớp điện môi, hai bên là hai thanh kim loại CW). Sơ đồ mạch điện tương

đương được trình bày trên hình 1.4 (b). Ở đây, tụ điện C xuất hiện ở hai đầu của
CWP, cuộn cảm Lm tương ứng với mỗi thanh CW.

(a)

(b)

Hình 1.4. (a) Ô cơ sở của vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt, gồm 3 lớp:
hai lớp kim loại hai bên và lớp điện môi ở giữa, (b) mạch tương đương LC.

11


* Trong trường hợp cộng hưởng từ:
Độ tự cảm tổng cộng của CWP được xác định từ năng lượng từ trường có
công thức:
L = 2Lm ≈ µ(ts/w)l

(1.8)

Trong đó l là chiều dài của CW, ts là chiều dày lớp điện môi, w là độ rộng của
thanh CW. Chú ý rằng, khi hoạt động ở vùng tần số cao (THz) kích thước của ô cơ
sở cỡ 10 µm đến 100 nm thì động năng của các điện tử cuốn điện tử chuyển động
dưới tác dụng của điện trường ngoài trở nên đáng kể so với năng lượng từ. Vì vậy,
khi đó vế phải của phương trình (1.8) phải được cộng thêm thành phần độ tự cảm
động Lk.
Điện dung của mỗi tụ Cm (hình thành ở hai đầu của CW) được bởi công thức:
Cm = ɛwl’/ts

(1.9)

Do các điện tích phân bố không đều trên toàn bộ thanh CW mà chủ yếu tập
trung ở hai đầu thanh nên l’= c1l, hệ số c1 phụ thuộc vào chiều dài CW có điện tích
phân bố ở đó.
Ce là điện dung được sinh ra do hai cặp dây liên tiếp theo phương ⃗ và được
xác định bằng công thức:
Ce = πɛw/ln(b/tm)

(1.10)

Trong đó tm là chiều dày của thanh kim loại CW, b là khoảng cách giữa hai
thanh CW liên tiếp theo chiều điện trường ⃗ .
Trở kháng tương đương của mạch điện:
Z = iLmω/(1-LmCeω2)

(1.11)

Khi có cộng hưởng từ Z cực tiểu nên:
m  1/ Lm (Cm  Ce )  1/ LmCm

(1.12)

Thay các giá trị Cm, Lm vào phương trình (1.12) ta được:

fm 

m
1
1
c



2 2 l  c1 / 2 2 c1 r / 2 l

(1.13)

Từ công thức (1.13) ta thấy tần số cộng hưởng từ tỉ lệ nghịch với chiều dài của
thanh CW.

12


Tuy nhiên, một nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng chiều rộng w của CWP
cũng ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng từ [38, 32]. Một cách định tính, tần số cộng
hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc như trong biểu thức dưới đây:

fm 

1
2 LC



c0

 wl 

(1.14)

Từ biểu thức (1.14) chúng ta thấy rằng tần số cộng hưởng từ phụ thuộc mạnh

vào các tham số cấu trúc như là: chiều dài thanh kim loại (l), chiều rộng thanh (w),
độ điện thẩm (ε).
* Trường hợp cộng hưởng điện:
Một cách tương tự tần số cộng hưởng điện được xác định:
fe 

c ln(b / ts )
1

2 Ce Le 2 wg (w / l )

(1.15)

Trong đó Le là độ tự cảm được sinh ra bởi thanh có chiều dài tương ứng với độ
rộng của thanh và được xác định bằng công thức:
Le = (µ/π)g(w/l)

(1.16)

Từ công thức (1.16) ta thấy tần số cộng hưởng điện phụ thuộc mạnh vào
khoảng cách giữa hai CWP theo phương ⃗ (nói cách khác là hằng số mạng ay). Sự
ảnh hưởng này cũng liên quan đến tần số cộng hưởng từ vì khi ay tăng làm cho
khoảng cách giữa cộng hưởng điện và cộng hưởng từ thay đổi. Khi tần số cộng
hưởng điện tiến gần cộng hưởng từ, nó sẽ lấn át cộng hưởng từ và cộng hưởng từ có
thể bị lu mờ thậm trí bị triệt tiêu [30].
Như vậy, từ các công thức tính toán tần số cộng hưởng điện, cộng hưởng từ
phụ thuộc vào các tham số cấu trúc ở trên chúng ta có thể tính toán sơ bộ và thiết kế
để chế tạo vật liệu hoạt động ở vùng tần số mong muốn khác nhau.
1.5. ơ chế hấp thụ sóng điện từ
Sóng điện từ tới bề mặt phân cách thì có thể bị phản xạ, truyền qua, hấp thụ,

tán xạ hoặc có thể kích thích sóng điện từ bề mặt (surface plasmonic). Các nhà khoa
học đã chứng minh rằng đối với vật liệu MPA, tại tần số xảy ra hấp thụ thì tán xạ và
hiện tượng sóng bề mặt không đáng kể. Vì vậy, chúng ta có thể tính độ hấp thụ như
sau:
13


A=1–R–T

(1.17)

Ở đây T là độ truyền qua, R là độ phản xạ, A là độ hấp thụ.
Độ phản xạ và hệ số phản xạ trong trường hợp phân cực TE và TM:
RTE  rTE 
2

RTM  rTM

2

Ở đây  là góc tới và n =



cos   r1 n2  sin  2

2

(1.18)

cos   r1 n 2  sin  2

 r cos   n2  sin  2

2

(1.19)

 r cos   n2  sin  2

 r  r là chiết suất của vật liệu. Nếu chiếu sóng

điện từ vuông góc với mẫu thì  = 00 phương trình được rút gọn là:
2

z  z0
 n
R
 r
z  z0
r  n

Với Z =

2

 /  là trở kháng của MPA và Z0 =

(1.20)
 0 /  0 là trở kháng của môi

trường không khí. Trường hợp MPA có lớp thứ ba là tấm kim loại kín thì độ truyền
qua T = 0, khi đó độ hấp thụ được tính bằng:
Z  Z0
A=1–R=1–
Z  Z0

2

 n
 1 r
r  n

2

(1.21)

Vậy ý tưởng để tạo ra MPA là thông qua sự phù hợp trở kháng của vật liệu với
môi trường không khí để triệt tiêu phản xạ, đồng thời vật liệu đủ dày và độ tổn hao
lớn để hấp thụ sóng điện từ trước khi phản xạ ngược trở lại vào môi trường.
Chuỗi tuần hoàn các cấu trúc phẳng bằng kim loại mặt trước và tấm kim loại
mặt sau ngăn cách bởi điện môi tạo ra cộng hưởng từ. Khi đó toàn bộ năng lượng
sóng điện từ chiếu đến chuyển thành năng lượng từ. Năng lượng này được tiêu tán
trên lớp kim loại và lớp điện môi của vật liệu, đó là nguyên nhân dẫn đến tính chất
hấp thụ tuyệt đối của vật liệu.
Trong vùng vi sóng (1 GHz – 30 GHz), tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong
vật liệu MPA chủ yếu tập trung ở lớp điện môi. Tiêu tán trong lớp điện môi lớn hơn
tiêu tán trong kim loại một bậc (khoảng gấp 10 lần). Điều này đã được chứng minh
trong cấu trúc của Landy [36]. Năng lượng này được tiêu tán trên lớp kim loại và

14


lớp điện môi của vật liệu, đó là nguyên nhân dẫn đến tính chất hấp thụ tuyệt đối của
vật liệu.
1.6. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta
quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ mà không xuất hiện trong những vật liệu
tồn tại sẵn trong tự nhiên. Chính vì vậy việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn
sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của
vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm ứng,
các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa 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 tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến hóa là "tàng hình" [17]
và "siêu thấu kính" [18]. Trong việc thiết kế vật liệu biến hóa ô cơ sở tạo thành phải
nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng của sóng. Như thế, sóng không thể "nhìn" được
từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất. Ví dụ, vi ba có bước
sóng vài centimet, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimet. Đối
với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomet), việc thiết kế đòi hỏi kỹ
năng tinh vi của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomet.
Sử dụng vật liệu biến hóa có thể bẻ cong sóng điện từ theo ý muốn khi đi qua
môi trường vật liệu biến hóa. Bẻ cong đường đi ánh sáng là sự kiện bình thường
trong thiên nhiên khi ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất khác nhau như sự
khúc xạ giữa nước và không khí, trong lăng kính, hay giữa không khí nóng và lạnh
gây ảo ảnh trên mặt đường. Việc làm "tàng hình" một vật chẳng qua là việc bẻ cong
đường đi của sóng điện từ xung quanh vật đó khiến cho sự phản xạ đến người quan
sát không xảy ra, do đó vật tàng hình.
Năm 2006, nhóm nghiên cứu liên trường của giáo sư John Pendry (Imperial
College, London, Anh quốc) và David Smith (Duke University, Mỹ) [11] lần đầu

tiên đã chế tạo một vật liệu biến hóa làm tàng hình một vật trong vi ba (bước sóng
centimet). Kết quả nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong khoa học quốc
phòng vì vi ba được sử dụng cho radar.
15


Trong nỗ lực nhằm làm tàng hình trong vùng ánh sáng thấy được, nhóm của
giáo sư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley, Mỹ) làm tàng hình một vật
trong tia hồng ngoại (bước sóng 1.600 nanomet) ( xem hình 1.5 và hình 1.6 ) [21].
Nhưng trong các thí nghiệm dùng vật liệu biến hóa, vật bị tàng hình có kích thước
rất nhỏ ở cấp micromet (0,001 mm).

Hình 1.5. Vật liệu biến hóa hoạt động ở tần số THz [21].

Hình 1.6. Hình minh họa sử dụng vật liệu biến hóa làm vật liệu tàng hình [21].
Vật liệu biến hóa có chiết suất âm ứng dụng chế tạo ra "siêu thấu kính"
(superlens). Các thấu kính quang học bình thường không cho hình ảnh rõ rệt của vật
quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng do sự nhoè
nhiễu xạ. Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomet) thì ảnh của vật
nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè. Tuy
nhiên, siêu thấu kính có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhòe ảnh. Điều
này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho một dụng cụ quang học để quan sát một vật có
độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng.
Với những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu biến
hóa ngày càng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu một cách mạnh mẽ.
16


Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa trên thế giới cực kì
sôi động và đã thu được nhiều kết quả thú vị. Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu do

PGS. TS. Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam là một trong những nhóm nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này và
đã có nhiều công trình đăng trên các tạp chí có uy tín [45, 46, 29, 31]. Ngoài ra,
nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Hu nh 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 cũng đã và đang
nghiên cứu về lĩnh vực này.

17


HƢƠ G II: PHƢƠ G PHÁP GHIÊ

ỨU

Luận văn được tiến hành dựa trên sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng và thực
nghiệm. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn được trình bày dưới hình 2.1.
Xuất phát từ các ý tưởng vật lý, cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết kế, mô phỏng
để thu được các đặc tính của sóng điện từ khi đi qua vật liệu như: phổ truyền qua, phản
xạ, pha…Thông qua các phổ này, vị trí các tần số cộng hưởng điện từ (nơi mà các tính
chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện) hoàn toàn có thể xác định được. Song
song với quá trình mô phỏng, quá trình tính toán lý thuyết thông qua mô hình mạch
điện LC được thực hiện cũng nhằm mục đích là tìm ra được các vị trí tần số cộng
hưởng điện từ nhưng độc lập với quá trình mô phỏng. Thông thường, để tiết kiệm chi
phí chế tạo, trước tiên kết quả của hai phương pháp này được so sánh với nhau, từ đó
tìm ra các cấu trúc tối ưu để đưa vào chế tạo và đo đạc. Cuối cùng, các kết quả của cả
ba phương pháp này sẽ được so sánh với nhau từ đó đánh giá và đi đến kết luận.

Hình 2.1. Sơ đồ tiến trình nghiên cứu
2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu

Năm 2000, vật liệu nhân tạo gọi là "vật liệu biến hóa " được khám phá và đang
trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng" trong các Trường Đại học, Viện nghiên cứu
và Quốc phòng. Khác với vật liệu chế biến từ thiên nhiên như chất vô cơ (chất bán
dẫn), hữu cơ (carbon, polymer), kim loại và oxit kim loại, vật liệu biến hóa là vật
18


liệu có cấu trúc nhân tạo gồm những cấu trúc cộng hưởng nhỏ hơn bước sóng được
sắp xếp tuần hoàn theo một quy luật nhất định, nhằm điều khiển tùy ý các tính chất
điện từ vĩ mô. Một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí những
đơn vị cấu trúc sao cho các đặc tính điện từ quan trọng như độ từ thẩm và độ điện
thẩm có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm.
Trong luận văn này, chúng tôi trình bày quá trình tối ưu hóa cấu trúc vật liệu
biến hóa hoạt động ở vùng tần số GHz. Cho đến nay vật liệu biến hóa có tính hấp
thụ đã trải qua nhiều giai đoạn hình thành và phát triển. Được phát triển từ cấu trúc
ban đầu đề xuất bởi Landy, lần lượt các cấu trúc đơn giản hơn như cấu trúc hình
chữ I và cấu trúc CW cho thấy sự tối giản về mặt hình học nhưng vẫn đảm bảo khả
năng tạo cộng hưởng từ tương đối mạnh [2]. Tuy nhiên, do bị hạn chế bởi tính bất
đối xứng hình học, các cấu trúc này chỉ làm việc với sóng phân cực TE. Để cải thiện
nhược điểm này, chúng tôi tiếp tục đề xuất cấu trúc đĩa tròn và tiếp theo là cấu trúc
nhẫn tròn cho phép làm việc với mọi phân cực sóng.

Hình 2.2. Sơ đồ tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc vòng cộng hưởng
Ưu điểm của cấu trúc đĩa tròn là đơn giản, dễ dàng trong chế tạo và đo đạc,
tính đối xứng cao và độ hấp thụ không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ. Do
vậy, cấu trúc đĩa tròn được quan tâm nhiều nhất và đây cũng là cấu trúc được luận
văn lựa chọn để nghiên cứu và khảo sát, cấu trúc này bao gồm ba lớp: hai lớp kim
loại ở hai bên và một lớp điện môi ở giữa.

19