DSpace at VNU: Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của giả vật liệu Metamaterial

Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của
giả vật liệu Metamaterial
Lê Thị Quỳnh
Trường Đại học Công nghệ
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Lãm
Năm bảo vệ: 2011
Abstract: Tổng quan về vật liệu Metamaterials: Lịch sử hình thành và phát triển vật
liệu chiết suất âm; Các loại vật liệu Metamaterials; Tình hình nghiên cứu trong và
ngoài nước; Ứng dụng; Mô hình giải thích tương tác sóng sóng điện từ với vật liệu
MMs. Trình bày phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Lựa chọn cấu trúc và vật
liệu; Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu; Công nghệ chế tạo vật liệu; Phương pháp đo;
Phương pháp mô phỏng; Phương pháp tính độ từ thẩm, độ điện thẩm và chiết suất.
Nghiên cứu vật liệu Metamaterials hoạt động ở vùng tần số GHz: Cộng hưởng từ và
cộng hưởng điện trong vật liệu MMs có cáu trúc CWP; Ảnh hưởng của phân cực sóng
điện từ lên tính chất vật liệu; Vật liệu MMs có cấu trúc CWP; Vật liệu MMs có chiết
suất âm; Độ dày lớp điện môi. Thiết kế và mô phỏng vật liệu Metamaterials có cấu
trúc nano haotj động ở vùng tần số THz: Cộng hưởng từ và cộng hưởng điện; Ảnh
hưởng của chiều dài và chiều rộng CW; Ảnh hưởng của lớp điện mô; Ảnh hưởng của
lớp kim loại.
Keywords: Công nghệ Nano; Vật liệu từ; Tần số; Giả vật liệu
Content
MỞ ĐẦU
Năm 2000, Smith và cộng sự lần đầu tiên chế tạo thành công vật liệu metamaterial có
chiết suất âm, vật liệu mà đã được Veselago đề xuất vào năm 1968. Đây là vật liệu có cấu
trúc nhân tạo, đồng thời có độ từ thẩm và độ điện thẩm âm (µ < 0, ε < 0), hay nói cách khác
là vật liệu có chiết suất âm. Vật liệu này hiện nay đang được các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu một cách đặc biệt vì những tính chất vật lý kỳ diệu mà các vật liệu tồn tại trong tự
nhiên không có được như tia tới và tia khúc xạ nằm cùng ở một phía, độ dịch chuyển Doopler
bị đổi ngược, bức xạ Cherenkov chỉ về hướng khác, vận tốc pha và vận tốc nhóm của sóng
truyền luôn ngược nhau. Bên cạnh đó, bằng việc sử dụng các cấu trúc cộng hưởng điện từ có

kích thước hay cấu trúc khác nhau, chúng ta có thể điều khiển được vật liệu này hoạt động ở
các vùng tần số mong muốn khác nhau, từ tần số sóng điện từ đến vùng hồng ngoại thậm chí
hoạt động ở vùng ánh sáng nhìn thấy. Ngoài những tính chất đặc biệt này, rất nhiều ứng dụng
khác nhau của vật liệu metamaterials đã được đề xuất và được kiểm chứng bằng thực
nghiệm. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề
xuất bởi Pendry vào năm 2000, sau đó đã được Zhang và các cộng sự chế tạo thành công
năm 2005. Gần đây, một ứng dụng độc đáo khác nữa là sử dụng vật liệu metamaterials như là
“áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloacking), được đề xuất và kiểm


chứng bởi Schuri và cộng sự năm 2006. Bằng việc điểu chỉnh các tham số hiệu dụng µ và ε
một cách hợp lý, đường đi của các tia sáng bị uốn cong khi truyền trong vật liệu đồng thời
không bị phản xạ cũng như tán xạ. Do vậy, vật liệu này hứa hẹn sẽ được dùng để chế tạo vật
liệu tàng hình. Bên cạnh đó, một loạt các ứng dụng quan trọng khác cũng đã đựơc các nhà
khoa học đề xuất và tập trung đi sâu nghiên cứu như bộ lọc tần số, bộ cộng hưởng, sensor...
Vì những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu có chiết suất âm ngày
càng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu một cách mạnh mẽ. Cho đến nay, một số
phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo thành công vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở
những dải tần số khác nhau từ GHz tới THz hoặc cao hơn.
Mục đích hiện tại của các nhà khoa học là đưa vật liệu có chiết suất âm vào ứng dụng
đối với các thiết bị hoạt động ở vùng tần số sóng điện từ như bộ biến điện, bộ lọc thông dải,
bộ ghép vi sóng, dây ăng ten vv, đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu này hoạt động ở tần
số cao hơn phục vụ cho các ứng dụng mới trong quang học. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại nhiều
vấn đề cần thiết được giải quyết một cách chi tiết và triệt để trước khi triển khai các ý tưởng
này. Thứ nhất là vì vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc nhân tạo, để chế tạo vât liệu này hoạt
động ở vùng tần số cao, đòi hỏi sử dụng thiết bị công nghệ nanô hiện đại như hệ khắc dùng
chùm tia điện tử hoặc chùm tia iôn (Electron Beam Lithography, Ion Beam Lithography)...
Do vậy, việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu để dễ dàng cho việc chế tạo vật liệu đang là một trong
những vấn đề then chốt. Thứ hai là làm sao có thể điều khiển được tính chất của vật liệu này?
Tiếp theo đó là vấn đề về sự tổn hao của vật liệu trong quá trình truyền tải sóng v v. Sự ảnh

hưởng của hằng số mạng, vị trí tương đối và sự tương tác của hai thành phần điện và từ là
một trong những chìa khoá để giải quyết các vấn đề trên. Đây cũng là vấn đề chính mà đề tài
mong muốn được tập trung đi sâu nghiên cứu. Với lý do đó, chúng tôi lựa chọn luận văn với
tiêu đề là: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo và tính chất của giả vật liệu Metamaterial”.
Luận văn được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo
thực nghiệm.
Bố cục của luận văn bao gồm 4 chương ngoài phần mở đầu và kết luận:
Phần 1: MỞ ĐẦU
Phần 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1- Tổng quan về vật liệu Metamaterial
Chương 2 - Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng
Chương 3 - Vật liệu Metamaterials hoạt động ở tần số GHz
Chương 4 - Thiết kế và mô phỏng vật liệu metamaterial có cấu trúc nanô hoạt
động ở vùng tần số THz
Phần 3: KẾT LUẬN
I. Tổng quan về metamaterial
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển vật liệu có chiết suất âm
1.2. Các loại metamaterials (MMs)
1.3. Tình hình nghiên cứu về MMs trong và ngoài nước
1.4. Các ứng dụng của MMs
1.5. Mô hình giải thích tuơng tác sóng điện từ với MMs
II. Numerical simulation method and experiments
2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu
2.2. Xây dựng hệ thiết bị thí nghiệm
2.3. Công nghệ chế tạo vật liệu
2.4. Phương pháp đo đạc
2.5. Phuơng pháp mô phỏng

2

2.6. Phương pháp tính độ từ thẩm, độ điện thẩm, và chiết suất.
III. Metamaterials operating at GHz range
3.1. Cộng huởng điện và từ trong MMs có cấu trúc cặp dây bị cắt
3.2. Ảnh huởng của phân cực sóng điện từ lên tính chất của MMs
3.3. MMs có cấu trúc cặp dây bị cắt
3.4. MMs có chiết suất âm
3.4.1. Vật liệu chiết suất âm có cấu trúc dạng ф
3.4.2. Vật liệu chiết suất âm có cấu trúc dạng kết hợp
3.5. MMs hấp thụ tuyệt đối

IV. Thiết kế và mô phỏng MMs tại vùng THz
4.1. Đặt vấn đề
4.2. Cộng huởng điện và cộng huởng từ
4.3. Ả huởng của chiều rộng và chiều dài lên tính chất của MMs
4.4. Ảnh huởng của lớp điện môi lên tính chất của MMs
4.5. Ảnh huởng của lớp kim loại lên tính chất của MMs
V. Kết luận
References
[1] Bonache, J., I. Gil, J. Garcia-Garcia, and F. Martin, "Novel microstrip bandpass
filters based on complementary split-ring resonators," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
54, 265 (2006).
[2] Jiabi Chen, YanWang, Baohua Jia, TaoGeng, Xiangping Li, Bingming Liang,
Xuanxiong Zhang, Min Gu, and Songlin Zhuang “Observation of the inverse Doppler effect
in negative-index materials at optical frequencies” Nature Photonics (2011).
[3] Chen, T. M. Grzegorczyk, B. I. Wu, J. Pacheco, and J. A. Kong, “Robust method to
retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,“ Phys. Rev. E 70, 016608
(2004).
[4] G. Dolling, M. Wegener, C. M. Soukoulis, S. Linden, “Negative-index metamaterial
at 780 nm wavelength,” Opt. Lett. 32, 53 (2006).

[5] C. Enkrich, M. Wegener, S. Linden, S. Burger, L. Zschiedrich, F. Schmidt, J. F.
Zhou, Th. Koschny, and C.   M. Soukoulis, Magnetic Metamaterials at Telecommunication
and Visible Frequencies, Phys. Rev. Lett. 95, 203901 (2005)
[6] N. Engheta, “An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials
with negative permittivity and permeability,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 1, 10
(2002).
[7] M. Kafesaki, I. Tsiapa, N. Katsaraki, Th. Koschny, C. M. Soukoulis, and E. N.
Economon, “Left-handed metamaterials: The fishnet structure and its variations,” Phys. Rev.
B 75, 235114 (2007).
[8] V. D. Lam, J. B. Kim, S. J. Lee, and Y. P. Lee, “Left-handed behavior of combined
and fishnet structures,” J. Appl. Phys. 103, 033107 (2008).
[9] V. D. Lam, J. B. Kim, Y. P. Lee, and J. Y. Rhee, “Dependence of the magneticresonance frequency on the cut-wire width of cut-wire pair medium,” Opt. Express 15, 16651
(2007).
[10] V.D.Lam, N.T.Tung, P. Lievens, and Y.P.Lee “Characterization and
electromagnetic response of a -shaped metamaterial”, Accepted to be published in the Eur.

3


Phys. J. B [11] H. J. Lee and J.-G. Yook, “Biosensing using split-ring resonators at
microwave regime,” Appl. Phys. Lett. 92, 254103 (2008).
[12] A. M. Nicolson and G. F. Ross, IEEE Trans. Instrum. Meas.19, 377 (1970).
[13] Xianzhong Chen, Yu Luo, Jingjing Zhang, Kyle Jiang, John B. Pendry, and Shuang
Zhang, “Macroscopic invisibility cloaking of visible light” Nature Communication 2 DoI:
10.1038/ncomms1176 (2011).
[14] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart,“Magnetism from
conductors and enhanced nonlinear phenomena,”IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.
47, p. 2075, 1999.
[15] J. B. Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens,” Phys. Rev. Lett. 85, 3966
(2000).

[16] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, “Low frequency
plasmons in thin-wire structures,” Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 10, p. 4785,
1998.
[17] D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, and
D. R. Smith, “Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies,” Science 314,
977 (2006).
[18] D. Smith, W. Padilla, D. Vier, S. Nemat-Nesser, and S. Chultz, “Composite
medium with simultaneously negative permeability and permittivity,” Phys. Rev. Lett. 84,
4184 (2000).
[19] D. R. Smith, D. C. Vier, Th. Koschny, and C. M. Soukoulis “Electromagnetic
parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials” Phys. Rev. E 71, 036617 (2005).
[20] C. M. Soukoulis and M. Wegener, “Optical metamaterials: More bulky and less
lossy,” Science 330, 1633 (2010).
[21] V T T Thuy, N T Tung, J W Park, V D Lam, Y P Lee, and J Y Rhee,”Highly
dispersive transparency in coupled metamaterials”, J. Opt. 12, 115102 (2010).
[22] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Pham Van Tuong, and Vu Dinh Lam
“Perspective of invisibility using metamaterials”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ
Quân sự, số 10, 65-68 (2010).
[23] N. T. Tung, V. D. Lam, J. W. Park, V. T. Thuy, and Y. P. Lee, “Perfect impedancematched left-handed behavior in combined metamaterial” Eur. Phys. J. B 74, 47 (2010).
[24] V. G. Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ,” Sov.
Phys. Usp. 10, 509 (1968).
[25] R.W. Ziolkowski and A.D. Kipple, "Reciprocity between the effects of resonant
scattering and enhanced radiated power by electrically small antennas in the presence of
nested metamaterial shells," Phys. Rev. E 72, 036602 (2005).
[26] S. Zhang, W. Fan, N. C. Panoiu, K. J. Malloy, R. M. Osgood, and S. R. J. Bruech,
“Experimental Demonstration of Near-Infrared Negative-Index Metamaterials,” Phys. Rev.
Lett. 95, 137404 (2005).
[27] J. Zhou, E. N. Economon, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, “Unifying approach
to left-handed material design,” Opt. Lett. 31, 3620 (2006).
[28] J. Zhou, L. Zhang, G. Tuttle, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, “Negative index

materials using simple short wire pairs,” Phys. Rev. B 73, 041101(R) (2006).
[29] S. Zhang et al, "Extreme light-bending power", Nature Communication 470, 343,
2011.
[30] Baile Zhang, YuanLuo, XiaogangLiu, and George Barbast “Macroscopic
Invisibility Cloak for Visible Light” Phys. Rev. Lett. 106 033901(2011).
[31] www.cst.com

4