Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp vật liệu điện môi La1,5 Sr0,5 Ni04 với các hạt nano từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……………..…………….

CHU THỊ ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP
THỤ SÓNG VI BA TRÊN CƠ SỞ TỔ HỢP VẬT LIỆU
ĐIỆN MÔI La1,5Sr0,5NiO4 VỚI CÁC HẠT NANO TỪ

Chuyên Ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - NĂM 2018


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU ............................................................................................................
CHƯƠNG 1. CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI
BA

1

5

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu hấp thụ sóng vi ba ................

5

1.2. Cơ sở lý thuyết và các ứng dụng của sóng điện từ ......................................

8

1.3. Sự tán xạ và phản xạ sóng điện từ bởi môi trường vật chất ........................

10

1.3.1. Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng ...................................................

11

1.3.2. Kỹ thuật khử phản xạ chủ động .............................................................

12

1.3.3. Kỹ thuật khử phản xạ bị động ................................................................

12

1.3.4. Kỹ thuật khử phản xạ bằng vật liệu hấp thụ ..........................................

13

1.4. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số vi ba ............................

13

1.4.1. Cơ chế tổn hao trong các chất dẫn điện .................................................

14

1.4.2. Cơ chế tổn hao điện môi ........................................................................

15

1.4.3. Cơ chế tổn hao từ ... ……………………………………………………

16

1.5. Một số cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng vi ba ............................................

19

1.5.1. Đa lớp điện môi hấp thụ sóng vi ba .......................................................

20

1.5.1.1. Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury .................

20

1.5.1.2. Lớp hấp thụ Dallenbach ...................................................................

21

1.5.1.3. Lớp hấp thụ Jaumann .......................................................................

22

1.5.2. Vật liệu hấp thụ từ tính ..........................................................................

24

1.5.3. Các vật liệu hấp thụ bất đồng nhất.........................................................

26

1.5.4. Vật liệu hấp thụ sóng vi ba hỗn hợp ......................................................

27


1.5.5. Vật liệu meta hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba ............................................

28

1.6. Một số hệ vật liệu liên quan đến đối tượng nghiên cứu của đề tài ..............

29

1.6.1. Hệ vật liệu La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO) ........................................................

29

1.6.2. Hệ vật liệu ferrite spinel MFe2O4 (M = Co, Ni) ....................................

31

1.6.3. Hệ vật liệu sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) ............................................

33

1.6.4. Hệ hạt nano kim loại sắt ........................................................................

35

1.7. Kết luận chương ...........................................................................................

36

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ................................................

38

2.1. Qui trình chế tạo các hạt nano .....................................................................

38

2.2. Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu ..............................

40

2.2.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ................

40

2.2.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).............................................................

41

2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng (EDX) ..............................................................

42

2.2.4. Các phương pháp đo tính chất từ của vật liệu .......................................

43

2.3. Một số phương pháp đo các thông số điện từ của vật liệu hấp thụ sóng vi
ba
2.3.1. Qui trình trải các lớp vật liệu hấp thụ ...................................................
2.3.2. Sơ lược về phương pháp đo thông số điện từ của vật liệu hấp thụ sóng
vi ba ........................................................................................................

43
44

44

2.3.2.1. Kỹ thuật hốc cộng hưởng .................................................................

45

2.3.2.2. Kỹ thuật bản cực song song .............................................................

46

2.3.2.3. Kỹ thuật đầu dò đồng trục................................................................

46

2.3.2.4. Kỹ thuật đường truyền .....................................................................

47

2.3.2.5. Kỹ thuật không gian tự do ...............................................................

48

2.3.3. Phép đo phản xạ/truyền qua sóng vi ba trong không gian tự do............

50

2.3.4. Lý thuyết đường truyền và thuật toán Nicolson–Ross–Weir (NRW) ...

52


2. 4. Kết luận chương ..........................................................................................
CHƯƠNG 3. TÍNH CHẤT HẤP THỤ SÓNG VI BA CỦA HỆ HẠT
NANO ĐIỆN MÔI La1,5Sr0,5NiO4....................................................................

54

56

3.1. Các đặc trưng cơ bản của hệ hạt nano điện môi La1,5Sr0,5NiO4...................

56

3.1.1. Đặc trưng cấu trúc và kích thước hạt .....................................................

57

3.1.2. Tính chất từ của vật liệu ........................................................................

59

3.2. Khả năng hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano La1,5Sr0,5NiO4 theo độ dày lớp
hấp thụ ..........................................................................................................
3.3. Kết luận chương ...........................................................................................
CHƯƠNG 4. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ
SÓNG VI BA CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Fe .................................

60
66

68

4.1. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên cấu trúc, kích thước hạt tính chất từ
của vật liệu nano kim loại Fe .......................................................................

4.2. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano kim loại sắt ..........................
4.2.1. Ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ lên tính chất hấp thụ sóng vi ba của
các lớp hấp thụ Fe/paraffin .....................................................................
4.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng bột nano Fe/paraffin lên tính chất hấp
thụ sóng vi ba của các lớp hấp thụ Fe/paraffin .......................................
4.3. Kết luận chương ...........................................................................................

69
74

74

79
82

CHƯƠNG 5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ
SÓNG VI BA CỦA MỘT SỐ HỆ HẠT NANO TỔ HỢP ĐIỆN MÔI/SẮT
TỪ, FERRITE ...................................................................................................
84
5.1. Công nghệ chế tạo và các đặc trưng cơ bản của các vật liệu CoFe2O4,
NiFe2O4 và La0,7Sr0,3MnO3 ..........................................................................

84

5.1.1. Hệ hạt nano ferrite CoFe2O4 ..................................................................

85

5.1.2. Hệ hạt nano ferrite NiFe2O4 ...................................................................

88


5.1.3. Hệ hạt nano sắt từ La0,7Sr0,3MnO3
5.2. Khả năng hấp thụ sóng vi ba của một số hệ hạt nano tổ hợp.......................
5.2.1. Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xCoFe2O4 ( x =
0;
2;
4; 6; 8; 10) ...............................................................................................

91
95

95

5.2.2. Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xNiFe2O4 (x = 0; 8; 15; 20;
30; 35) .....................................................................................................
5.2.3. Hệ hạt nano tổ hợp (100-x)La1,5Sr0,5NiO4/xLa0,7Sr0,3MnO3 (x = 0; 4; 8;
10) ...........................................................................................................

102

108

5.3. Kết luận chương ...........................................................................................

114

KẾT LUẬN ........................................................................................................

116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .......................

118

PHỤ LỤC ...........................................................................................................

120

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................

125


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu
LSNO

Ý nghĩa
La1,5Sr0,5NiO4

LSMO

La0,7Sr0,3MnO3

CFO

CoFe2O4

NFO
RL
Z

NiFe2O4
Độ tổn hao phản xạ (Reflection Loss)
Trở kháng (Impedance)

MAM

Vật liệu hấp thụ sóng vi ba (Microwave Absorbing Material)

RAM

Vật liệu hấp thụ sóng radar (Radar Absorbing Material)

NRW
NRL

Thuật toán Nicolson–Ross–Weir
Naval Research Laboratory

M
MS
HC

Từ độ
Từ độ bão hòa
Lực kháng từ

MB
MK
M900
D
EDX
VSM
SEM
XRD
EM
εr
μr
fr

Mẫu bột
Mẫu khối
Mẫu ủ tại nhiệt độ 900oC/5h
Kích thước hạt tinh thể
Phổ tán sắc năng lượng tia X
Từ kế mẫu rung
Hiển vi điện tử quét
Nhiễu xạ tia X
Sóng điện từ (Electromagnetic)
Hằng số điện môi tương đối
Độ từ thẩm tương đối
Tần số cộng hưởng

fz
fp
fFMR
d

S11

Tần số phù hợp trở kháng
Tần số phù hợp pha
Tần số cộng hưởng sắt từ
Độ dày lớp hấp thụ
Cường độ tín hiệu phản xạ


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Thành phần điện và từ của trường điện từ tại sát mặt phân cách
giữa hai môi trường ........................................................................................

9

Hình 1.2. Trường điện bằng không tại bề mặt và đạt cực đại tại một phần tư
bước sóng trên một lớp vật dẫn, trong khi trường từ đạt cực đại tại bề mặt ..

9

Hình 1.3. Cấu trúc đa lớp và cấu trúc dạng kim tự tháp ................................

12

Hình 1.4. Sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi. ...................................

16

Hình 1.5. Phổ hồi phục Debye cho một chất điện môi lý tưởng ...................

16

Hình 1.6. Sự phụ thuộc tần số của các thành phần độ từ thẩm phức của vật
liệu sắt từ .........................................................................................................

17

Hình 1.7. Cấu tạo của màn chắn Salisbury cổ điển và mạch tương đương
theo lý thuyết đường truyền ............................................................................

20

Hình 1.8. Lớp hấp thụ Dallenbach và mạch tương đương..............................

21

Hình 1.9. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của lớp hấp thụ Dallenbach .

22

Hình 1.10. Cấu tạo của màn chắn Jaumann ....................................................

22

Hình 1.11. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các lớp Jaumann .........

23

Hình 1.12. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của cấu trúc Jaumann sáu
lớp ...................................................................................................................

23

Hình 1.13. Cấu trúc hấp thụ đa lớp điện môi dạng kim tự tháp .....................

24

Hình 1.14. Mô hình thiết kế của cấu trúc Jaumann bốn lớp điện môi ............

24

Hình 1.15. Giản đồ minh họa sự phụ thuộc tần số của µr và εr cho một chất
ferrite điển hình ...............................................................................................
Hình 1.16. Đường đặc trưng độ tổn hao phản xạ của MAM gồm bốn lớp vật
liệu ferrite có cấu trúc tinh thể lục giác ..........................................................
Hình 1.17. Sự phụ thuộc của độ tổn hao phản xạ vào tần số của một tấm vật
liệu hấp thụ bất đồng nhất có độ dày 4,08 cm ................................................

25

25

27


Hình 1.18. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào tần số của một số cấu trúc hấp thụ

28

Hình 1.19. Cấu trúc MPA ba lớp lần đầu tiên được đề xuât bởi I. Landy ......

28

Hình 1.20. (a) Nhiệt độ chuyển pha trật tự điện tích và trật tự spin (TCO và
TSO) xác định từ phép đo điện trở suất theo nhiệt độ của LSNO; (b) Hằng số
điện môi phụ thuộc tần số ở các nhiệt độ khác nhau của vật liệu LSNO .......
30
Hình 1.21. Đường cong từ trễ của các mẫu (a) NiFe2O4 và (b) CoFe2O4 ......
Hình 1.22. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các lớp hấp thụ (a)
NiFe2O4/paraffin và (b) NiFe2O4/polypyrrole với độ dày khác nhau .............

31

32

Hình 1.23. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các MAM dựa trên (a)
hệ hạt nano CoFe2O4 và (b) vật liệu CoFe2O4 hình bầu dục với độ dày khác
nhau .................................................................................................................
33
Hình 1.24. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc vào tần số của các lớp vật liệu hấp
thụ (a) LSMO/epoxy; (b) LSMO/CNTs; (c) LSMO/polyaniline và (d) hệ hạt
nano LSMO .....................................................................................................
34
Hình 1.25. Đường cong RL(f) trong vùng tần số từ 2-18 GHz của (a) hệ hạt
nano kim loại Fe và (b)vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-Fe/Graphene .................

36

Hình 2.1. Sơ đồ máy nghiền hành tinh ...........................................................

38

Hình 2.2. Nguyên lý nghiền bột bằng phương pháp nghiền bi .......................

38

Hình 2.3. Quy trình chế tạo và xử lý mẫu.......................................................

39

Hình 2.4. Sơ đồ nhiệt trong giai đoạn ủ nhiệt cho các mẫu ............................

40

Hình 2.5. Mô hình minh họa dẫn đến định luật nhiễu xạ Bragg.....................

40

Hình 2.6. Sơ đồ thể hiện các tín hiệu nhận được từ mẫu ................................

42

Hình 2.7. Hình ảnh một tấm vật liệu hấp thụ thực tế......................................

44

Hình 2.8. Mô hình đo sử dụng kỹ thuật bản cực song song ...........................

45

Hình 2.9. Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo hốc cộng hưởng ...............................

45

Hình 2.10. Mô hình phép đo đầu dò đồng trục ...............................................

47


Hình 2.11. Mô hình đo của kỹ thuật vòm NRL để đánh giá các MAM/RAM

48

Hình 2.12. Sơ đồ khối của phương pháp truyền qua trong không gian tự do.

48

Hình 2.13. Mô hình sóng tới và sóng phản xạ từ các bề mặt của MAM ........

50

Hình 2.14. Sơ đồ lắp đặt của phép đo phản xạ (a) và truyền qua (b) trong
không gian tự do .............................................................................................
Hình 2.15. Mô hình lắp đặt mẫu và đường đi của tín hiệu bên trong ống dẫn
sóng đồng trục .................................................................................................
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của vật liệu
La1,5Sr0,5NiO4 ..................................................................................................
Hình 3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu La1,5Sr0,5NiO4 .................
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của vật liệu La1,5Sr0,5NiO4 dạng bột đo tại nhiệt
độ phòng ..........................................................................................................

Hình 3.4. Độ từ thẩm tương đối, |μR|(f), và hằng số điện môi tương đối, |εR|(f)
của các lớp hấp thụ La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với độ dày khác nhau ..................

51

53

57
58

59

60

Hình 3.5. Đường cong RL(f) và Z(f) của các lớp hấp thụ
La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với độ dày khác nhau: (a) d = 1,5 mm; (b) d = 2,0 mm;
d = 3,0 mm và d = 3,5 mm (fz1 và fz2 tương ứng là các tần số tại đó |Z| = Z0
= 377 Ω) ..........................................................................................................
61
Hình 3.6. Sự biến thiên của độ tổn hao phản xạ RL và tần số cộng hưởng
hấp thụ fr theo độ dày d của tất cả các mẫu ....................................................
Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ghi tại nhiệt độ phòng của các mẫu
bột sau khi được nghiền từ 1 giờ đến 20 giờ ..................................................
Hình 4.2. Ảnh SEM của các mẫu (a) Fe-10h và (b) Fe-20h ...........................

63

69
70

Hình 4.3. Đường cong từ hóa ban đầu đo tại nhiệt độ phòng (a); sự phụ thuộc
của từ độ bão hòa MS theo thời gian nghiền (b) của các mẫu và đường cong
từ hóa của mẫu Fe-10h (hình nhỏ) ..................................................................
71


Hình 4.4. (a) Đường cong từ hóa ban đầu; (b) sự biến thiên của MS và phổ
EDX (hình nhỏ) theo thời gian bảo quản trong môi trường không khí ..........

73

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các mẫu Fe/paraffin với độ
dày d khác nhau trong hai vùng tần số (a) từ 4-12 GHz và (b) từ 14-18
GHz……………. ............................................................................................
74
Hình 4.6. Đường cong RL(f) và |Z|(f) của các mẫu với các độ dày khác nhau:
(a) d = 1,5 mm; (b) d = 2 mm; (c) d = 3 mm và (d) d = 3,5 mm ....................

75

Hình 4.7. Sự phụ thuộc của |S11| và RL vào tần số của các tấm vật liệu
Fe/paraffin với độ dày khác nhau với các mẫu được gắn đế Al phản xạ toàn
phần phía sau...................................................................................................
77
Hình 4.8. Đường cong RL(f) của tất cả các mẫu khi không có đế kim loại Al
gắn phía sau trong vùng tần số từ 4-18 GH ....................................................

79

Hình 4.9. Độ tổn hao phản xạ RL và trở kháng Z phụ thuộc tần số của tất cả

các lớp Fe/paraffin khi không có đế kim loại Al gắn phía sau với tỉ lệ khối
lượng r khác nhau: r = 3/1 (a); r = 4/1; r = 4,5/1 và r = 5/1 ............................
80
Hình 4.10. Giá trị tuyệt đối của hệ số phản xạ |S11| (a) và RL(f) (b) của tất cả
các lớp hấp thụ Fe/paraffin khi được gắn đế Al phẳng...................................
Hình 5.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của các mẫu CoFe2O4
tại các công đoạn khác nhau của quá trình chế tạo .........................................

81

85

Hình 5.2. Ảnh SEM của các mẫu CFO ở từng công đoạn chế tạo khác nhau:
(a) CFO-MK, (b) CFO-MB và (c) CFO-M900 ..............................................
Hình 5.3. Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu CoFe2O4 ở
các công đoạn chế tạo khác nhau ....................................................................
Hình 5.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của tất cả các mẫu
NiFe2O4 ...........................................................................................................

86

87

88


Hình 5.5. Ảnh SEM của các mẫu NFO ở từng công đoạn chế tạo khác nhau:
(a) NFO-MK, (b) NFO-MB và (c) NFO-M900 ..............................................
Hình 5.6. Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu NiFe2O4 ở
các công đoạn chế tạo khác nhau ....................................................................

89

90

Hình 5.7. Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu
La0,7Sr0,3MnO3 ở các công đoạn chế tạo khác nhau .......................................
Hình 5.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của tất cả các mẫu
La0,7Sr0,3MnO3 ...............................................................................................

91

93

Hình 5.9. Ảnh SEM của các mẫu LSMO ở từng công đoạn chế tạo khác
nhau: (a) LSMO-MK, (b) LSMO-MB và (c) LSMO-M900...........................
Hình 5.10. Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) của các tấm hấp thụ
(100-x)LSNO/xCFO trong khoảng tần số từ 4-18 GHz .................................

94

96

Hình 5.11. Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) và Z(f) của các mẫu
trong vùng tần số cộng hưởng gần 14 GHz. (a) x = 0; (b) x = 2; (c) x = 4; (d)
x = 6; (e) x = 8 và (f) x =10 ............................................................................
99
Hình 5.12. Các mẫu có đế kim loại Al: (a) Giá trị tuyệt đối của hệ số phản
xạ |S11| và (b) RL của các mẫu (100-x)LSNO/xCFO trong dải tần số từ 4-18
GHz ................................................................................................................

101
Hình 5.13. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các tấm vật liệu hấp thụ
LSNO/paraffin và NFO/paraffin có độ dày 3 mm ..........................................
Hình 5.14. Các đường cong RL(f) và Z(f) của các lớp hấp thụ (100x)LSNO/xNFO trong paraffin ........................................................................

103

104

Hình 5.15. Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng (fr) tại đỉnh hấp thụ vào nồng
độ của các hạt nano từ tính NFO (x) trong hệ hạt nano tổ hợp (100x)LSNO/xNFO ................................................................................................
106


Hình 5.16. |S11|(f) (a) và RL(f) (b) của các mẫu có đế kim loại Al (Hiệu ứng
phù hợp pha được tăng cường đáng kể bởi đế kim loại) ................................
Hình 5.17. Các đường cong RL(f) và |Z/Z0|(f) cho các mẫu trong dải tần số
từ 4-18 GHz: (a) x = 0; (b) x = 4; x = 8; x = 10 ..............................................

107

109

Hình 5.18. Sự biến thiên của tần số hấp thụ cộng hưởng fr1 theo nồng độ x
của các hệ hạt nano tổ hợp (100-x)LSNO/xNFO (đường màu xanh) và (100x)LSNO/xLSMO (đường màu đỏ)..................................................................
112
Hình 5.19. Các mẫu có đế kim loại Al: (a) giá trị tuyệt đối của hệ số phản
xạ, |S11|,và (b) tương ứng là độ tổn hao phản xạ RL .......................................

113

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng vi ba và ứng dụng tương ứng .........................
Bảng 1.2. Mối liên hệ giữa số tấm trở kháng, độ rộng dải tần và tổng độ dày
của các lớp Jaumann .......................................................................................
Bảng 1.3. Các tham số đặc trưng của MAM bốn lớp vật liệu ferrrite ............
Bảng 3.1. Các tham số đặc trưng của các lớp hấp thụ La1,5Sr0,5NiO4/paraffin
với độ dày khác nhau ......................................................................................

10

23
26

62

Bảng 4.1. Kích thước hạt tinh thể trung bình D và từ độ bão hòa MS tại từ
trường 10 kOe của các mẫu Fe sau khi được nghiền cơ năng lượng cao từ 1
giờ đến 20 giờ .................................................................................................
69
Bảng 4.2. Giá trị độ từ hóa bão hòa (tại 10 kOe) và % nguyên tố của bột
nano Fe được bảo quản trong không khí trong những khoảng thời gian khác
nhau .................................................................................................................
73
Bảng 4.3. Các tham số đặc trưng của các tấm vật liệu Fe/paraffin với d khác
nhau .................................................................................................................
Bảng 4.4. Giá tri fp tính toán theo mô hình lý thuyết và quan thực nghiệm
của tất cả các mẫu có tỷ lệ khối lượng khác nhau ..........................................
Bảng 5.1. Kích thước hạt tinh thể <D>, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường

10 kOe và giá trị lực kháng từ HC của CFO ở mỗi công đoạn chế tạo ...........
Bảng 5.2. Kích thước hạt tinh thể D, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường 10
kOe và giá trị lực kháng từ HC của NFO ở mỗi công đoạn chế tạo ................
Bảng 5.3. Kích thước hạt tinh thể D, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường 10
kOe và giá trị lực kháng từ HC của LSMO ở mỗi công đoạn chế tạo .............
Bảng 5.4. Các tham số đặc trưng cho tính chất hấp thụ sóng vi ba của các
mẫu (100-x)LSNO/xCFO.(x là phần trăm thể tích, fr là tần số cộng hưởng
tại đỉnh hấp thụ của RL, fz là tần số phù hợp trở kháng, fp là tần số phù hợp
pha) .................................................................................................................

75

80

87

88

93


97
Bảng 5.5. Các tham số đặc trưng của tất cả các mẫu hấp thụ (100x)LSNO/xNFO ................................................................................................
Bảng 5.6. Các tham số đặc trưng hấp thụ sóng vi ba của các lớp hấp thụ
(100-x)LSNO/xLSMO trong paraffin .............................................................

105
110

1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sóng điện từ trong dải tần số GHz đã
và đang trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển ngày càng cao của các thiết bị truyền
thông không dây, phát sóng vệ tinh, điều trị y tế và các ứng dụng trong quân sự, … [48,
55, 90]. Cùng với đó, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của sóng điện từ cũng đang trở nên
cấp thiết hơn bao giờ hết. Vì vậy, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ trong dải tần
số GHz ngày càng thu hút được sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên cả hai lĩnh
vực khoa học cơ bản và công nghệ. Để loại bỏ nhiễu điện từ (Electromagnetic
Interference-EMI), giảm thiết diện phản xạ sóng điện từ và đảm bảo tính bảo mật cho
các hệ thống hoạt động dựa trên sóng điện từ, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ
đã được phát triển, trong đó, vật liệu hấp thụ sóng vi ba (Microwave Absorption
Materials - MAM) được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu với các ứng dụng đa
dạng và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực quân sự, vật liệu hấp
thụ sóng radar (Radar Absorption Materials - RAM) trong dải tần số từ 8-12 GHz là
yếu tố quan trọng của công nghệ tàng hình cho các phương tiện chiến đấu như: máy bay
chiến đấu, tàu chiến, tên lửa tầm xa, …
Các nghiên cứu về vật liệu sóng điện từ chủ yếu được thực hiện theo ba hướng
chính: (1) hoàn thiện khả năng chống phản xạ; (2) tăng cường khả năng hấp thụ và (3)
mở rộng vùng tần số hoạt động. Trong đó, sự hấp thụ đồng thời cả hai thành phần năng
lượng điện trường và năng lượng từ trường được hi vọng sẽ làm gia tăng độ tổn hao và
do đó tăng hiệu suất hấp thụ điện từ của vật liệu. Hơn nữa, công nghệ nano ra đời mở ra
một hướng phát triển mới cho các nghiên cứu về vật liệu hấp thụ ứng dụng trong che
chắn và chống nhiễu điện từ. Các MAM có cấu trúc nano ngày càng nhận được sự quan
tâm của các nhóm nghiên cứu do các đặc tính hấp dẫn cũng như khả năng hấp thụ mạnh
hơn sóng vi ba so với các vật liệu cùng loại ở dạng khối hoặc có cấu trúc micro. Tính
chất thú vị của vật liệu nano được bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng. Khi kích
thước hạt giảm xuống đến giới hạn nano, các hiệu ứng bề mặt đóng góp chủ yếu vào
vào sự thay đổi tính chất đặc trưng của vật liệu. Mặt khác, vật liệu nano còn có hoạt tính
cao, dễ phân tán và do đó thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng

[25, 149].
Khả năng hấp thụ sóng vi ba của vật liệu có thể được xác định dựa vào các thông
số đặc trưng như độ từ thẩm tương đối (r), độ điện thẩm tương đối (r) và sự phù hợp
trở kháng của vật liệu với môi trường truyền sóng. Độ tổn hao phản xạ RL (Reflection
Loss) là đại lượng thường được dùng để đánh giá chất lượng của các vật liệu hấp thụ
sóng vi ba được tính toán theo công thức RL = 20log|(Z - Z0)/(Z + Z0)|, trong đó, Z =
Z0(r/r)1/2 là trở kháng đầu vào của chất hấp thụ, Z0 là trở kháng của không khí. Khả


2
năng hấp thụ sóng vi ba tối ưu tương ứng với một giá trị âm rất lớn của RL có thể đạt
được khi (i) trở kháng đầu vào của các chất hấp thụ gần bằng với trở kháng của môi
trường truyền sóng tới, |Z| = Z0, (cơ chế phù hợp trở kháng - Z Matching), hoặc (ii) độ
dày lớp hấp thụ thỏa mãn điều kiện phù hợp pha (Phase Matching), hay hiệu ứng một
phần tư bước sóng (quarter-wavelength) với d = (2n+1)c/[4f(|r||r|)1/2], n = 0, 1, 2, …
Hai hiệu ứng trên thường được quan sát thấy nhiều nhất tại các tần số hấp thụ cộng
hưởng của nhiều chất hấp thụ và đều cho giá trị âm rất lớn của RL. Do điều kiện |Z| = Z0
có thể đạt được khi r = r, một phương pháp hữu hiệu để tăng khả năng hấp thụ của vật
liệu đó là thiết lập sự cân bằng giữa hằng số điện môi và độ từ thẩm, điều này hoàn toàn
có thể thực hiện được bằng cách pha trộn các vật liệu điện môi và vật liệu sắt từ hoặc
ferrite theo một tỷ lệ thích hợp. Vì vậy, trong những năm gần đây đã có rất nhiều các
công bố khoa học về khả năng hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số GHz của các vật
liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp các hạt nano từ và điện môi. Theo đó, độ tổn
hao phản xạ, RL tại đỉnh hấp thụ có thể đạt giá trị âm rất thấp dưới -50 dB [45, 66, 175].
Các nghiên cứu trên thế giới đã có những bước tiến dài trong việc phát triển các
vật liệu có khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba. Ngoài carbon đen (carbon black- C) và
carbonyl sắt (carbonyl- Fe) là những vật liệu hấp thụ truyền thống được ứng dụng phổ
biến nhất hiện nay và có độ tổn hao phản xạ không cao (thường chỉ đạt trung bình cỡ 10 dB đến -15 dB) [57, 100, 173], các nghiên cứu về khả năng hấp thụ sóng vi ba của
các hệ hạt nano hoặc các vật liệu nano tổ hợp cho thấy giá trị của RL cộng hưởng có thể
đạt từ -50 dB đến -60 dB. Ví dụ như các hệ hạt nano tổ hợp Fe3O4/GCs cho RL ~ -52 dB

tại đỉnh hấp thụ 8,76 GHz [66], vật liệu nano tổ hợp BaFe9Mn0.75Co0.75Ti1.5O19/
MWCNTs cho RL ~ -56 dB tại gần 17 GHz [45], vật liệu tổ hợp C/CoFe-CoFe2O4 trong
paraffin với độ tổn hao phản xạ RL đạt xuống đến ~ -71,73 dB tại 4,78 GHz [50], vật
liệu nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Fe/HCNTs (RL ~ -50 dB tại 7,41 GHz) [122], vật liệu
nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Co-C trong paraffin (RL ~ -62,12 dB tại 11,85 dB) [159],
… Tại Việt Nam, vật liệu hấp thụ sóng điện từ đã được quan tâm nghiên cứu trong
những năm gần đây. Năm 2011, nhóm các cán bộ của viện kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc
Phòng) đã bắt đầu các nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar băng tần X của vật
liệu nano multiferroic BiFeO3-CoFe2O4 (RL ~ -35,5 dB tại 10,2 GHz) hay các hạt nano
Mn0.5Zn0.5Fe2O4 trong nhựa thông và vật liệu tổ hợp chứa các hạt nano ferrite Ba-Co [2,
4, 58]. PGS. TS. Vũ Đình Lãm và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiện tượng
hấp thụ và khả năng tàng hình sóng vi ba của các siêu vật liệu (metamaterials) trong
những năm gần đây và đã có nhiều công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thế giới
[79, 154, 155].


3
Dựa trên khả năng và xu thế ứng dụng của vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong
tương lai, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, chúng tôi đề xuất đề tài
“Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp vật liệu điện
môi La1,5Sr0,5NiO4 với các hạt nano từ”. Đề tài này được lựa chọn để thay thế cho đề tài
đã đăng ký trong thuyết minh hồ sơ nghiên cứu sinh “Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu
hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp các hạt nano từ và điện môi”, nhằm phù hợp hơn
với điều kiện thực hiện luận án và các kết quả đã thu nhận được của nghiên cứu sinh.
Chúng tôi tin tưởng rằng đề tài sẽ có những đóng góp đáng kể không chỉ cho sự
hiểu biết về các cơ chế tương tác của sóng điện từ với vật liệu, tìm kiếm và phát triển
một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở các hạt nano ferrite, sắt từ, điện môi và các
hệ hạt nano tổ hợp của chúng, mà còn mở ra khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu này
trong che chắn và chống nhiễu điện từ.

Các nội dung chính trong luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương 1. Các hiện tượng và vật liệu hấp thụ sóng vi ba.
Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm.
Chương 3. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano điện môi La1,5Sr0,5NiO4.
Chương 4. Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của các hạt nano
kim loại Fe.
Chương 5. Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của một số hệ hạt
nano tổ hợp điện môi/sắt từ, ferrite.
Mục tiêu của luận án:
- Chế tạo các hệ hạt nano (điện môi, ferrites, sắt từ, kim loại) và các hệ hạt nano
tổ hợp của chúng. Tìm quy trình công nghệ tối ưu, phù hợp cho việc chế tạo các mẫu
hấp thụ. Khảo sát các tính chất cơ bản của các vật liệu nano chế tạo.
- Đo đạc và nghiên cứu các hiệu ứng hấp thụ sóng vi ba trong các hệ hạt nano từđiện môi, các cơ chế hấp thụ và sự phụ thuộc của tính chất hấp thụ vào các thông số của
vật liệu, từ đó tìm giải pháp nâng cao khả năng hấp thụ cũng như điều chỉnh các tham
số hấp thụ.
- Tìm kiếm và phát triển những vật liệu mới (hấp thụ đồng thời nhiều cơ chế) với
khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba, bắt kịp các thành tựu của thế giới (RL tại đỉnh hấp
thụ đạt -40 dB đến -60 dB, tương ứng với khả năng hấp thụ trên 99,99% công suất sóng
điện từ tại tần số cộng hưởng trong vùng vi ba).
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
- Các hạt nano sắt từ và ferrites có µ và Ms cao như gốm sắt từ La0.3Sr0.7MnO3,
các ferrite CoFe2O4, NiFe2O4, hệ hạt nano kim loại Fe.
- Các hạt nano của vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ La1,5Sr0,5NiO4.
- Các hạt nano tổ hợp của sắt từ/ferrite từ và điện môi.


4
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:
- Cách tiếp cận: Dựa trên những kết quả nghiên cứu sẵn có của nhóm nghiên cứu
kết hợp với một số bài báo, công bố của các tác giả trong và ngoài nước về vật liệu hấp

thụ sóng điện từ nói chung và vật liệu hấp thụ sóng vi ba, sóng radar nói riêng để làm
nền tảng và cơ sở nghiên cứu. Từ đó, xây dựng phương pháp nghiên cứu thích hợp trong
điều kiện thí nghiệm trong nước, từ việc chế tạo vật liệu, xây dựng các phép đo, áp dụng
các mô hình lý thuyết phù hợp để phân tích và xử lý số liệu, cho đến việc đánh giá các
kết quả thực nghiệm thu được và định hướng các nghiên cứu tiếp theo.
- Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sẽ được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp
thực nghiệm. Mẫu bột có kích thước hạt nanomet được chế tạo chủ yếu bằng phương
pháp nghiền cơ năng lượng cao kết hợp với các công đoạn xử lý nhiệt thích hợp. Cấu
trúc vật liệu, hình thái pha, hình dạng và kích thước hạt được khảo sát, phân tích và đánh
giá trên cơ sở phân tích nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM. Các phép
đo đánh giá tính chất từ của vật liệu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung (PPMS,
VSM). Cuối cùng, các phép đo phản xạ và truyền qua sóng vi ba trong vùng tần số từ 418 GHz được thực hiện trong không gian tự do (môi trường không khí) và ở nhiệt độ
phòng. Từ các số liệu thực nghiệm thu được, tính toán hệ số tổn hao phản xạ (RL) sử
dụng lý thuyết đường truyền [162] và thuật toán NRW [115, 164]. Kết quả thực nghiệm
sẽ được biện luận và phân tích nhằm giải thích các hiện tượng vật lý và tìm kiếm cơ chế
hấp thụ. Trên cơ sở đó, đưa ra các giải pháp phát triển các tính năng hấp thụ sóng điện
từ của vật liệu, điều chỉnh các tham số công nghệ và đánh giá khả năng ứng dụng.
Các kết quả mới đã đạt được của luận án:
- Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu dạng tấm bằng phương pháp bột nhồi
nano với chất mang paraffin.
- Lần đầu tiên phát hiện ra khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba trong vùng tần số
từ 4-18 GHz trên các tấm vật liệu La1,5Sr0,5NiO4/paraffin. Giá trị độ tổn hao phản xạ
thấp nhất vào khoảng -36,7 dB, đạt hiệu suất hấp thụ 99,98%, được quan sát trên tấm
hấp thụ có độ dày d = 3,0 mm.
- Quan sát thấy sự gia tăng hiệu ứng cộng hưởng phù hợp pha trong các tấm hấp
thụ bằng cách sử dụng đế kim loại Al trong kỹ thuật đo phản xạ.
- Đã quan sát thấy hai hiệu ứng dịch chuyển đỉnh hấp thụ trái ngược nhau trong
các tấm vật liệu tổ hợp La1,5Sr0,5NiO4/NiFe2O4 và La1,5Sr0,5NiO4/La0,7Sr0,3MnO3, đưa ra
khả năng mở rộng dải tần số hấp thụ sóng vi ba.
Trong quá trình thực hiện và viết luận án, mặc dù tác giả đã rất cố gắng nhưng

vẫn không thể tránh được những sai sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp, phản biện của các nhà khoa học, các nhóm nghiên cứu lĩnh vực liên quan cũng như
những người quan tâm đến đề tài.


5
CHƯƠNG 1. CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu hấp thụ sóng vi ba
Vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM) và vật liệu hấp thụ sóng rada (RAM) đã được
nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong các lĩnh vực thương mại, kỹ thuật phòng tối và
kỹ thuật làm giảm tín hiệu phản xạ từ vật thể quanh các trạm radar quan sát. Gần đây,
những ứng dụng ngày càng phổ biến của các công nghệ sử dụng sóng vi ba đang thúc
đẩy sự phát triển của các loại vật liệu hấp thụ. Trong phần này, chúng tôi đưa ra tổng
quan ngắn gọn về lịch sử phát triển của MAM/RAM làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tìm
hiểu các loại vật liệu và cấu trúc hấp thụ được giới thiệu trong các phần tiếp theo.
Vào những năm 1930, vật liệu hấp thụ sóng vi ba, đặc biệt là vật liệu hấp thụ
trong dải tần số sóng radar (8-12 GHz) đã bắt đầu được nghiên cứu, phát triển và công
bố trong một số các công trình khoa học [98, 135]. Các tấm hấp thụ được thiết kế dựa
trên sự kết hợp chặt chẽ giữa vật liệu với các cơ chế tổn hao khác nhau nhằm tối ưu hóa
sự hấp thụ trên một dải tần rộng. Do đó, chúng có thể có hình dạng và cấu trúc khác
nhau trải rộng từ các cấu trúc kim tự tháp dày đến các lớp phủ mỏng dạng đơn lớp và đa
lớp. Công trình nghiên cứu đầu tiên về các lớp hấp thụ gồm hai thành phần than carbon
(carbon black - C), và TiO2, đã được đăng ký sáng chế ở Pháp năm 1936 [109]. Hiện
tượng hấp thụ được quan sát trong loại vật liệu này là loại cộng hưởng một phần tư bước
sóng, sử dụng than Carbon để tăng độ dẫn (thành phần tổn hao điện trở) và TiO2 để tăng
hằng số điện môi (thành phần tổn hao điện môi) nhằm giảm độ dày lớp hấp thụ.
Trong Chiến tranh thế giới lần thứ 2, tại Đức, vật liệu “Wesh” dạng composite
của bột hỗn hợp carbonyl Fe và cao su tổng hợp đã được chế tạo thành công, cho khả
năng hấp thụ mạnh tại tần số cộng hưởng 3 GHz trên lớp hấp thụ có độ dày 7,6 mm.
Cấu trúc hấp thụ đa lớp Jaumann cũng được thiết kế thành công, độ tổn hao phản xạ thu

được khoảng - 20dB trong dải tần số rất rộng từ 2-15 GHz [133]. Tuy nhiên, các loại vật
liệu này có thời gian sống khá ngắn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và do
đó gây cản trở lớn trong việc triển khai ứng dụng trong thực tế. Cũng trong thời gian
này, Halpern (phòng thí nghiệm bức xạ MIT, Mỹ) đã nghiên cứu và phát triển vật liệu
”HARP” dùng cho sơn Halpern (HARP- Halpern Anti Radiation Paint) dựa trên vật liệu
than carbon và hệ hạt kim loại Fe có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong dải tần
số sóng rada (X - band) với RL đạt khoảng -15 dB đến -20 dB [53, 54]. Ngoài ra, cấu
trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury cũng được phát triển [132]. Cấu trúc
ban đầu được làm bằng vải phủ than chì, dán trên khung gỗ được hỗ trợ sản xuất bởi
công ty cao su Hoa Kỳ (US Rubber), kéo theo sự ra đời của cấu trúc hấp thụ dạng kim
tự tháp dài, là cấu trúc có đỉnh định hướng theo phương truyền sóng tới và bên trong
được phủ bởi các lớp Salisbury [114]. Sau này, cấu trúc hấp thụ Salisbury được cải tiến


6
gồm một lớp hấp thụ điện môi hay một lớp polymer dẫn đặt trước bề mặt kim loại ở
khoảng cách phần tư bước sóng. Cho đến khi tầm quan trọng của vật liệu ferrites được
biết đến, ngoại trừ các lớp hấp thụ Jaumann và cấu trúc kim tự tháp đảo, hầu hết các vật
liệu và cấu trúc hấp thụ đều thuộc loại vật liệu hấp thụ sóng điện từ dải hẹp.
Sau chiến tranh (1945-1950), các công trình nghiên cứu về MAM/RAM được
thực hiện chủ yếu theo hướng tìm kiếm các vật liệu hoặc cấu trúc hấp thụ dải rộng nhằm
mục đích ứng dụng trong kỹ thuật buồng tối. Trong giai đoạn này, các vật liệu hấp thụ
(chủ yếu là carbon, than chì, oxit sắt, bột sắt, bột nhôm, đồng) trộn với các chất kết dính
(thường là một số loại nhựa hoặc gốm, chất tạo độ xốp như xà phòng, chất xơ, vỏ bào)
và việc suy giảm sóng điện từ băng thông rộng được tạo ra bằng cách sắp xếp các tấm
vật liệu theo các cấu trúc hấp thụ dạng kim tự tháp hay dạng nón thiết kế sẵn [54].
Những năm 1950 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của MAM/RAM bằng việc
sản xuất thương mại MAMs dựa trên vật liệu carbon, có tên gọi là “Spondex”, bởi công
ty Sponge Products Company, Emerson and Cuming và tập đoàn công nghiệp
McMillan. Hệ số tổn hao phản xạ đạt xuống đến -20 dB trong dải tần số 2,4-10 GHz cho

lớp hấp thụ có độ dày 5,1 cm. Cũng trong thập kỷ này, Severin và Meyer đã bắt đầu
nghiên cứu về các thiết bị mạch tương tự (analog circuit devices) sử dụng các lý thuyết
mạch mô tả các thành phần hay các quá trình xảy ra trong các chất hấp thụ [101], từ đó
dẫn đến việc chế tạo ra các MAM dựa trên các vòng nạp trở kháng, lá kim loại có rãnh,
các lưỡng cực nạp trở kháng, các dải vật liệu điện trở hay vật liệu từ tính với các định
hướng khác nhau, cấu trúc dạng mặt và từ tính của các vật liệu cộng hưởng. Điều này
mở ra sự bắt đầu cho một lĩnh vực mới trong nghiên cứu các bề mặt lọc lựa tần số
(Frequency Selective Surfaces -FSS), trên cơ sở các vật liệu meta (Metamaterial) [107].
Trong hai thập kỷ tiếp theo (1960-1970), các loại vật liệu hấp thụ ứng dụng trong
các thiết bị mạch tương tự tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Đặc biệt, độ dày của
các lớp hấp thụ giảm đi đáng kể khi sử dụng các lớp đệm ferrite [120, 140]. Trong giai
đoạn này, các lớp hấp thụ Jaumann cũng được chế tạo thành công sử dụng công nghệ in
lưới từ sơn hấp thụ chứa carbon dạng hạt hay dạng sợi, hoặc chứa các hạt nano kim loại
hay hợp kim Ni-Cr. Cần lưu ý thêm rằng, dù chưa có thực nghiệm nhưng đã có một
phát minh lý thuyết mô tả hiện tượng hấp thụ sóng điện từ bằng plasma [44].
Vào những năm 1980, kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng trong các quá trình chế
tạo cũng như thiết kế các vật liệu và cấu trúc hấp thụ. Việc cải thiện khả năng hấp thụ
dải rộng của các lớp hấp thụ Jaumann được dự đoán có thể đạt được nếu sử dụng các
tấm trở kháng có độ nghiêng khác nhau và được sắp xếp phân tầng [44]. Lý thuyết đường
truyền được sử dụng để tính toán hệ số phản xạ từ các tính chất của vật liệu, và áp dụng
cả cho các mặt lọc lựa tần số được xem như các mạch tương đương [81]. Những vật
liệu được sử dụng cho các MAM/RAM trong giai đoạn này cũng khá đa dạng bao gồm


7
cả các vật liệu quen thuộc như than carbon, graphite, carbonyl – Fe, ferrite và các loại
vật liệu mới như các chất điện môi nhân tạo, vật liệu chiral hay các vật liệu polymer dẫn,
được đánh giá là vật liệu hấp thụ sóng vi ba tiềm năng sau này.
Từ những năm 1990 cho đến nay, MAM/RAM ngày càng thu hút được nhiều sự
quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Đã có nhiều các công nghệ tối ưu hóa cấu

trúc Jaumann, trong đó có tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền (genetic algorithm). Mạch
analog và bề mặt lọc lựa tần số tiếp tục là lĩnh vực được quan tâm lớn nhất. Polymer dẫn
và vật liệu composite được sử dụng rộng rãi với sợi và vải sợi phủ polymer dẫn hấp thụ
sóng điện từ. Một loại vật liệu mới trong lĩnh vực polymer dẫn là RAM linh động cũng
được quan tâm nghiên cứu, trong đó tần số cộng hưởng của vật liệu hấp thụ điều chỉnh
được thông qua các giá trị điện trở và điện dung của vật liệu hấp thụ [103].
Nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang đầu tư nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp
thụ sóng điện từ, tuy nhiên các công trình công bố còn rất hạn chế. Trong những năm
gần đây, xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với những diễn biến về an ninh
quốc phòng của nước ta cho thấy việc nghiên cứu, phát triển các MAM/RAM là cần
thiết và cần đẩy nhanh quá trình đưa các vật liệu này vào ứng dụng thực tế. Vật liệu hấp
thụ sóng điện từ được bắt đầu nghiên cứu từ cuối những năm 1990 trên các polyme dẫn
điện do các cán bộ Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực
hiện. Nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Đức Nghĩa cũng đã chế tạo thành công vật liệu
hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu polyanilin, polypyrol, gia cường cacbon black,
CNT, oxit sắt từ; chế tạo cấu trúc hấp thụ khác nhau như dạng chóp nón, dạng đa lớp,
vật liệu gradien... thử nghiệm tại hiện trường thực tế tại Học viện Hải quân (Nha Trang),
đạt kết quả rất tốt [5]. TS. Hoàng Anh Sơn và cộng sự đã chế tạo và nghiên cứu tính chất
chắn sóng điện từ của vật liệu tổ hợp polymer và MWCNT (Multiwalled carbon
nanotube) định hướng trong chế tạo lớp phủ chắn sóng điện từ. Nhóm nghiên cứu của
GS.TS. Nguyễn Việt Bắc, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự cũng đã thành công
trong một số nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng vi ba chống nhiễu điện từ của một số hệ
vật liệu như các lớp phủ vật liệu composite feritte từ tính nền cao su (2003), các lớp phủ
polyferocen và spinel ferrite trên nền kim loại (2011). TS. Dương Ngọc Hiền và cộng
sự, Viện Vật lý kỹ thuật – Đại học Bách khoa Hà Nội cũng có các nghiên cứu về tính
chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polymer dẫn PPy, PANi và bột Al2O3 và khảo sát
độ suy giảm cường độ sóng điện từ ở dải tần 7,5 -12 GHz. Một nhóm các cán bộ thuộc
Viện Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc Phòng) đã nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar
băng tần X của một số vật liệu nano tổ hợp [1, 59]. Cùng với các đề tài nghiên cứu cơ
bản, một số luận án tiến sĩ cũng đã được thực hiện và bảo vệ thành công trong lĩnh vực

chế tạo, nghiên cứu các hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong dải tần số vi ba [3, 6, 7].


8
1.2. Cơ sở lý thuyết và các ứng dụng của sóng điện từ
Các phương trình Maxwell được sử dụng như là xuất phát điểm cho các tính toán
cho sự lan truyền của sóng điện từ, bao gồm cả quá trình truyền sóng điện từ trong không
gian tự do và sự tương tác tại mặt phân cách giữa các môi trường. Quá trình truyền sóng
điện từ qua một môi trường vật chất nào đó có thể thay đổi phụ thuộc vào các tham số
vật lý nội tại như độ điện thẩm, độ từ thẩm và độ dẫn. Trường điện từ được biểu diễn
một cách định lượng thông qua hệ phương trình Maxwell [72], bao gồm các biểu thức
toán học của các định luật Gauss, định luật Faraday và định luật Ampere. Các phương
trình từ 1.1 đến 1.4 biểu diễn dạng vi phân của hệ phương trình Maxwell.
⃗

𝜕𝐵
𝛻 × 𝐸⃗ == −

⃗ == −
𝛻×𝐻

𝜕𝑡
⃗
𝜕𝐷
𝜕𝑡

(1.1)
+𝐽

(1.2)

⃗ =𝜌
𝛻𝐷

(1.3)

⃗ =0
𝛻𝐵

(1.4)

⃗ ,𝐷
⃗ ,𝐵
⃗ là các véc-tơ trường điện từ; 𝐽, 𝜌 là véc-tơ mật độ dòng điện và
Với 𝐸⃗ , 𝐻
mật độ điện tích khối.
Giả sử, hai môi trường bất kỳ được phân cách bởi một diện tích S, trên đó mật độ
điện tích và dòng điện mặt lần lượt là σS và JS, các véc-tơ điện trường và từ trường lần
⃗ 1, 𝐻
⃗ 1, 𝐵
⃗ 1 , 𝐸⃗2 , 𝐷
⃗ 2, 𝐻
⃗ 2, 𝐵
⃗ 2 , ta có điều kiện biên đối với các thành phần tiếp
lượt là 𝐸⃗1 , 𝐷
tuyến và pháp tuyến của véc-tơ điện trường và véc-tơ từ trường như sau:
Với véc-tơ từ trường:
H1t – H2t = JS, B1n = B2n
(1.5)
Khi hai môi trường đều là chất điện môi thì JS = 0, do đó:

H1t = H2t
(1.6)
Khi môi trường 1 là chất điện môi, môi trường 2 là vật dẫn lý tưởng thì :
H1t = JS, H2t = 0
(1.7)
Với véc-tơ điện trường:
Trong trường hợp tổng quát, hai môi trường có các tham số tùy ý:
E1t = E2t, D2n – D1n = σS
(1.8)
Khi môi trường hai là vật dẫn lý tưởng:
E2t = 0, E1t = E2t = 0
(1.9)
Khi môi trường 1 là vật dẫn lý tưởng:
D1n = 0, D2n = σS
(1.10)
Trên thực tế, các điều kiện biên nói trên liên quan đến các ứng dụng trong kỹ
thuật tàng hình và có vai trò quan trọng trong việc xác định thiết diện phản xạ hiệu dụng
sóng điện từ của mục tiêu.


9

Hình 1.1. Thành phần điện và từ của trường điện từ
tại sát mặt phân cách giữa hai môi trường.

Hình 1.2. Trường điện bằng không tại bề mặt và đạt cực đại tại một phần tư
bước sóng trên một lớp vật dẫn, trong khi trường từ đạt cực đại tại bề mặt.
Các ứng dụng của sóng điện từ đang ngày càng được mở rộng từ dải bước sóng
từ vài centimet đến vài mét. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng trong
dải tần số cao và bước sóng ngắn càng trở nên thuận lợi và do đó, mở ra nhiều tiềm năng

cho các ứng dụng sóng điện từ trong dải bước sóng milimet hay dải tần số GHz. Một
đặc điểm quan trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuất
hiện hiện tượng chồng chất sóng điện từ. Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đến
sự tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau. Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trong
các kỹ thuật phát thanh truyền hình và thông tin liên lạc không dây [46]. Mặt khác, nhiễu
điện từ không mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũng
đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong các ứng dụng thực tế. Tương tác của các
sóng điện từ truyền từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũng
như sự sai lệch thông tin trong truyền tải dữ liệu. Để khắc phục tình trạng này, việc sử
dụng các cấu trúc che chắn hoặc các vật liệu hấp thụ sóng điện từ là một giải pháp.
Trong phổ điện từ, vùng sóng vi ba được định nghĩa là sóng điện từ có tần số nằm
trong khoảng từ 300 MHz-300 GHz, tương ứng với bước sóng từ 1mm-1m. Các thiết bị
điện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất và
độ chính xác cao hơn so với các thiết bị sử dụng kỹ thuật tần số thấp thông thường [121].
Hơn nữa, tần số cộng hưởng của rất nhiều các nguyên tử, phân tử và hạt nhân nằm trong
vùng tần số sóng vi ba. Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng vi ba trong
các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật khác nhau như cảm biến từ xa, chuẩn đoán trong y học,


10
nấu ăn hoặc chế biến thực phẩm. Mặt khác, sóng vi ba không bị uốn cong bởi tầng điện
ly, do đó trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc giữa các vệ tinh được
truyền tải bằng sóng điện từ. Tuy nhiên, trên thực tế để chế tạo, phân tích và thiết kế các
hệ thống sử dụng sóng vi ba kể trên là một thách thức không nhỏ do các ứng dụng sóng
ngắn đòi hỏi các thiết bị điện tử phải có kích thước nhỏ hơn.
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng vi ba và ứng dụng tương ứng [75].
Tên dải

Tần số

Ứng dụng điển hình

300-1000 MHz

- Hệ thống giám sát tầm rất xa

L

1-2 GHz

- Hệ thống giám sát tầm xa

S

2-4 GHz

- Kiểm soát lưu lượng thiết bị đầu cuối
- Hệ thống giám sát tầm trung

C

4-8 GHz

UHF

- Hệ thống theo dõi tầm xa
- Radar dự báo thời tiết
- Hệ thống theo dõi tầm ngắn
- Điều khiển tên lửa

X

8-12 GHz

Ku

12-18 GHz

- Đo độ cao vệ tinh

K

18-27 GHz

- Ít được sử dụng (Hấp thụ hơi nước)

Ka

27-40 GHz

- Lập bản đồ với độ phân giải rất cao
- Hệ thống giám sát sân bay

40-100+ GHz

- Thực nghiệm

Milimet

- Lập bản đồ, hệ thống radar hàng hải

- Rào chắn trên không

Ngoài ra, sóng vi ba được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hàng ngày như hệ
thống radar kiểm soát không lưu, radar theo dõi tên lửa, radar điểu khiển hỏa lực, radar
dự báo thời tiết, các mạng lưới truyền thông đường dài và thông tin liên lạc trong quân
sự. Tùy theo các ứng dụng đưa ra bởi tiêu chuẩn IEEE 521-2002, vùng tần số vi ba được
phân tách thành các dải tần số khác nhau và được biểu diễn trong bảng 1.
1.3. Sự tán xạ và phản xạ sóng điện từ bởi môi trường vật chất
Khi sóng điện từ chiếu tới vật thể, một phần sóng điện từ có thể bị hấp thụ tùy
thuộc vào tính chất của bề mặt vật thể. Phần còn lại có thể được phản xạ, nhiễu xạ và
thậm chí khúc xạ (gọi chung là hiện tượng tán xạ). Theo Knott [75], quá trình tán xạ
được định nghĩa là sự phân tán của sóng điện từ chiếu tới vật thể do sự tương tác với các
điện tử và ion trong vật liệu. Tùy thuộc vào mối liên hệ giữa tính chấ của vật thể và bước
sóng của bức xạ chiếu tới, có ba cơ chế tán xạ cơ bản là cơ chế tán xạ Rayleigh, cơ chế
tán xạ cộng hưởng và cơ chế tán xạ quang học. Trường tán xạ được xác định bởi các


11
thông số đặc trưng như hệ số điện thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật
liệu và tần số của sóng tới.
Ở tần số vô tuyến (3 kHz-300 GHz), kim loại được coi như một vật dẫn gần như
lý tưởng, chứa nhiều điện tử tự do dễ dao động để cộng hưởng với tần số của sóng tới
và tạo ra một trường điện từ mới (trường tán xạ) có cùng tần số và biên độ với trường
điện từ chiếu tới. Kim loại không những phản xạ gần như hoàn toàn các sóng trong vùng
tần số quang học mà còn phản xạ rất tốt những bức xạ vi ba. Nghĩa là, kim loại gần như
không làm tiêu hao năng lượng của sóng tới và do đó là loại vật liệu có khả năng tạo ra
trường tán xạ có cường độ lớn nhất. Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng
không chứa các điện tử tự do nên không có sự phản xạ hoàn hảo tại tần số sóng vô tuyến.
Tuy nhiên, sự phản xạ với hiệu suất cao vẫn có thể xảy ra và hiện tượng cộng hưởng có
thể xuất hiện khi sóng điện từ tương tác với mômen spin hoặc mômen lưỡng cực điện

của các ion, nguyên tử tùy thuộc vào các tính chất của vật liệu (độ từ tẩm và độ điện
thẩm) tại các vùng tần số xác định. Đây chính là cơ sở cho các hiện tượng tổn hao từ và
tổn hao điện môi chủ yếu được khai thác trong các vật liệu hấp thụ sóng vi ba hiện nay.
Khả năng phản xạ các tín hiệu điện từ từ bề mặt của vật thể theo hướng của nguồn
thu được xác định bằng đại lượng thiết diện phản xạ hiệu dụng, σ, được định nghĩa là tỉ
số giữa mật độ công suất sóng phản xạ, Sr (W/m2), trở lại từ bề mặt vật thể trong khoảng
cách r theo hướng sóng tới và mật độ công suất sóng ban đầu, St (W/m2), bị chặn lại bởi
vật thể:

 (m 2 ) 

4 r 2 Sr
St

(1.11)

Thực tế, Sr = Pr/(4πr2) với Pr là công suất sóng phản xạ, vì vậy phương trình
(1.11) có dạng:

 (m 2 ) 

Pr
St

(1.12)

Với các tấm kim loại phẳng, dày và có diện tích bề mặt lớn, thiết diện phản xạ
theo hướng sóng tới thường khá lớn do tính chất phản xạ toàn phần của kim loại. Tuy
nhiên, nếu tấm kim loại này được phủ một lớp vật liệu hấp thụ gần như hoàn hảo, nó sẽ
tán xạ rất ít bức xạ điện từ và do đó thiết diện phản xạ có giá trị rất nhỏ mặc dù vật thể

có cùng diện tích bề mặt. Vì vậy, để giảm thiểu tối đa các ảnh hưởng của sóng điện từ,
các kỹ thuật khử phản xạ được nghiên cứu và đưa ra theo hướng tiếp cận dần đến các
ứng dụng trong thực tế [178].
1.3.1. Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng
Kỹ thuật khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng dựa theo nguyên tắc sóng điện từ
bị phản xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau (Z0  Z). Việc