NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU META hấp THỤ HOÀN hảo dải tần số RỘNG VÙNG GHz DÙNG KHOANG CỘNG HƯỞNG điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
-----  -----

NGUYỄN THÚY HIỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU META HẤP THỤ
HOÀN HẢO DẢI TẦN SỐ RỘNG VÙNG GHz DÙNG
KHOANG CỘNG HƯỞNG ĐIỆN TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÍ

HÀ NỘI, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
-----  -----

NGUYỄN THÚY HIỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU META HẤP THỤ
HOÀN HẢO DẢI TẦN SỐ RỘNG VÙNG GHz DÙNG
KHOANG CỘNG HƯỞNG ĐIỆN TỪ

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Mã số: 8.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÍ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Trần Mạnh Cường

HÀ NỘI, 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Trần Mạnh Cường. Các số liệu và tài liệu được trích
dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với
bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó.

Hà Nội, tháng 11 năm 2018

Nguyễn Thúy Hiền


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS. Trần Mạnh
Cường người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo điều
kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý cùng các thầy,
cô trong tổ bộ môn Vật lí chất rắn của trường ĐHSP Hà Nội đã giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô bên viện Radar – Viện Khoa
học và Công nghệ quân sự đã tạo điều kiện giúp tôi trong đo đạc, khảo sát kết
quả thực nghiệm của luận văn này.
Tôn xin cảm ơn đề tài Nafosted (Mã số: 103.99 – 2017.26) đã hỗ trợ tôi
trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ,
động viên, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để tôi
hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
HỌC VIÊN
Nguyễn Thúy Hiền


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU META............................................4
1.1 Khái niệm vật liệu Meta..................................................................................4
1.2 Phân loại Vật liệu Meta...................................................................................6
1.3 Ứng dụng vật liệu Meta...................................................................................8
1.4 Tổng quan vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ................................11
1.4.1 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu Meta.......................................11
1.4.2 Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ.........................................12
1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.....................................................................15
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ TỐI ƯU.................17
2.1 Quy trình nghiên cứu vật liệu Meta...............................................................17
2.2 Phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta.........................................................17
2.2.1 Phương pháp mô phỏng vật lí................................................................18
2.2.2 Phương pháp thực nghiệm......................................................................21
2.3 Cấu trúc nghiên cứu và kết quả mô phỏng....................................................22
2.4 Tối ưu hóa cấu trúc khoang cộng hưởng.......................................................32
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM............................................................................46
3.1 Công nghệ chế tạo mẫu.................................................................................46
3.2. Kết quả thực nghiệm....................................................................................49

KẾT LUẬN CHUNG.............................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................53


DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MPA

: Metamaterial Perfect Absorber

CST

: Phần mềm mô phỏng CST Microwave studio


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng tổng hợp đỉnh hấp thụ và độ hấp thụ của cấu trúc tối ưu......38
Bảng 2.2: Bảng tổng hợp các đỉnh hấp thụ, độ hấp thụ, lớp tập trung điện
trường của khoang ở cấu trúc tối ưu................................................................44


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu Meta........................5
Hình 1.2: Sơ đồ mối liên hệ giữa � và �...........................................................7
Hình 1.3: Đường đi của ánh sáng đi qua. (a) Thấu kính thường có chiết suất
dương và (b) Thấu kính có chiết suất âm..........................................................8
Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính [8]....................................8
Hình 1.5: Sự tương tác giữa sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất. (1)
Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền qua và (4) Sóng hấp thụ.............9
Hình 1.6: Đường đi của sóng điện từ trong siêu vật liệu: (A) Biểu hiện hai
chiều, vật bị phủ là quả cầu tròn có bán kính R 1 và lớp phủ có bề dày (R 2-R1)

ánh sáng có thể bị bẻ cong làm vật thể được “tàng hình” và (B) Biểu hiện ba
chiều [23].........................................................................................................10
Hình 1.7: Thứ tự từ trái sang phải. Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy.
Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu [32]..................................10
Hình 1.8: (a) Sơ đồ cấu trúc 3 chiều và kích thước ô cơ sở. Màu nâu đỏ tượng
trưng cho lá đồng kim loại và màu xanh dương nhạt biểu thị điện môi FR-4.
px = 24 mm, py= 24 mm, t1 = 6,3 mm, t2 = 3,6 mm, b1 = 11 mm, b2 = 6,6 mm,
tm = 0,018 mm, td = 0,2 mm và h = 4,36 mm. (b) Phổ hấp thụ mô phỏng, thực
nghiệm và mẫu chế tạo của vật liệu [18].........................................................14
Hình 1.9: Cấu trúc đề suất: (a) khung nhìn trên cùng, (b) ô đơn vị ba chiều (3D), và (c) xem mặt cắt ngang trung tâm của ô cơ sở [20]...............................15
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz
dựa trên sự kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm.......................................17
Hình 2.2: Màn hình giao diện của phần mềm CST.........................................19
Hình 2.3: (a) Vật liệu MPA cấu trúc Landy, (b) Kết quả mô phỏng phổ phản
xạ, truyền qua và hấp thụ của vật liệu MPA cấu trúc Landy năm 2008 [12]...21


Hình 2.4: (a) Ô cơ sở của cấu trúc khoang 4 lớp. (b) Tham số cấu trúc ô cơ sở.
.........................................................................................................................23
Hình 2.5: (a) Ô cơ sở khoang 1 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 1 lớp....................................................................................................24
Hình 2.6: Mật độ điện trường của cấu trúc khoang 1 lớp tại tần số f = 6.15
GHz và f = 8.36 GHz.......................................................................................25
Hình 2.7: Mật độ từ trường của cấu trúc khoang 1 lớp tại tần số f = 6.15 GHz
và f = 8.36 GHz...............................................................................................25
Hình 2.8: (a) Ô cơ sở khoang 2 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 2 lớp....................................................................................................27
Hình 2.9: (a) Ô cơ sở khoang 3 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ
khoang 3 lớp....................................................................................................29
Hình 2.10: (a) Ô cơ sở khoang 4 lớp. (b) Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ

khoang 4 lớp....................................................................................................31
Hình 2.11: Kích thước bản đồng rỗng lớp 4 với b4 =16 mm, c4 = 16 mm; b4 =
18 mm, c4 =16 mm; b4 = 11.5mm, c4 = 16 mm.................................................33
Hình 2.12: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 4 với b 4 =
18 mm, b4 = 23 mm..........................................................................................33
Hình 2.13: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 2 với b2 =
c2 =14 mm........................................................................................................34
Hình 2.14: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 1 với b1 =
c1 = 12 mm......................................................................................................35
Hình 2.15: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 2 với b2 =
20 mm, c2 = 14 mm..........................................................................................36
Hình 2.16: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ khi thay đổi cấu trúc lớp 1 với b1 =
c1 = 11mm........................................................................................................37


Hình 2.16: Kích thước bản đồng rỗng lớp 1, lớp 2, lớp 3, lớp 4 của cấu trúc
tối ưu................................................................................................................38
Hình 2.17: Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc tối ưu.......................39
Hình 2.18: Mật độ điện trường tại tần số f=5.34 GHz....................................40
Hình 2.19: Mật độ điện trường tại tần số f = 5.51 GHz..................................40
Hình 2.20: Mật độ iện trường tại tần số f = 5.93 GHz....................................41
Hình 2.21: Mật độ điện trường tại tần số f = 6.48 GHz..................................41
Hình 2.22: Mật độ điện trường tại tần số f = 7.22 GHz..................................42
Hình 2.23: Mật độ điện trường tại tần số f = 7.64 GHz..................................42
Hình 2.24: Mật độ điện trường tại tần số f = 7.81 GHz..................................43
Hình 2.25: Mật độ điện trường tại tần số f = 8.35 GHz..................................43
Hình 2.26: Mật độ điện trường tại tần số f=8.79 GHz....................................44
Hình 3.1: Quy trình chế tạo vật liệu Meta [2].................................................47
Hình 3.2: Hình ảnh các tấm phim làm mạch in ở các lớp cấu trúc.................48
Hình 3.3: Mẫu chế tạo các lớp khoang nghiên cứu với t m = 1.6 mm, td = 0.03

mm và kích thước bản đồng rỗng các lớp b1 = c1 = 11 mm, b2 = 20 mm, c2 = 7
mm, b3 = c3 = 16 mm, b4 = 23 mm, c4 = 16 mm................................................48
Hình 3.4: Mẫu chế tạo khoang 4 lớp sau khi các lớp được ghép lại...............49
Hình 3.5: Thiết bị phân tích mạng vectơ........................................................49
Hình 3.6: Phổ phản xạ khoang cấu trúc tối ưu thu được từ thực nghiệm........50
Hình 3.7: Phổ hấp thụ cấu trúc tối ưu thu được từ mô phỏng và thực nghiệm.
.........................................................................................................................50


MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc tìm ra được những vật liệu mới có tính chất tốt hơn so
với vật liệu tự nhiên đã thu hút được sự quan tâm và nghiên cứu của đông đảo
các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những vật liệu có ý nghĩa to lớn trong
cuộc cách mạng vật liệu mới là vật liệu Meta. Với những tính chất đặc biệt và
khả năng ứng dụng thực tiễn đầy triển vọng vật liệu Meta đã nhận sự đầu tư rất
lớn về mặt kinh phí, số lượng các công trình công bố liên quan đến vật liệu này
đã tăng đột biến trong những năm qua. Vật liệu Meta có chiết suất âm là định
hướng nghiên cứu đầu tiên thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tính
chất của vật liệu Meta chiết suất âm được tiên đoán về mặt lý thuyết bởi
Veselago từ năm 1968 [27]. Trên cơ sở lí thuyết của Veselago, Smith cùng với
các cộng sự đã chứng minh bằng thực nghiệm vào năm 2000 [26]. Vật liệu
Meta chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ tạo
nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên
cùng một dải tần số. Từ đó dẫn đến những tính chất điện từ và quang học bất
thường trong vật liệu như: sự nghịch đảo trong dịch chuyển Doppler, sự nghịch
đảo của định luật Snell và sự nghịch đảo của phát xạ Cherenkov… Do đó, vật
liệu Meta chiết suất âm nói riêng và vật liệu Meta nói chung được quan tâm
nghiên cứu đặc biệt vì những tiềm năng ứng dụng to lớn của nó. Một trong
những ứng dụng nổi bật của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi

Pendry vào năm 2000 và “áo choàng tàng hình” được đề xuất và chứng minh
tại vùng GHz bởi Schurig và các cộng sự năm 2006…..
Trong những năm gần đây một tính chất mới được phát hiện và nghiên
cứu của vật liệu Meta đó là Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial
perfect absorber – MPA). Năm 2008, vật liệu MPA đã được đề xuất và kiểm

1


chứng bằng thực nghiệm bởi Landy và các cộng sự [12]. Loại vật liệu MPA
được nghiên cứu nhiều hiện nay là MPA có lớp kim loại làm bằng đồng và có
lớp thứ ba là tấm kim loại kín để độ truyền qua bằng không. Các cấu trúc đã
được chế tạo thành công như cấu trúc chữ I, vòng tròn, đĩa tròn…[3, 1]. Với
độ dày không đáng kể so với bước sóng hoạt động (nhỏ hơn λ/10) và có thể
điều chỉnh được trở kháng chúng ta có thể thiết kế và chế tạo vật liệu Meta
hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ chiếu tới (A~100%) hoạt động trên các dải tần
số mong muốn khác nhau từ vùng vi sóng đến vùng hồng ngoại và thậm chí
cả vùng ánh sáng nhìn thấy. Việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu Meta
sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp như chế tạo vi
nhiệt kế, các phòng chắn bức xạ công nghiệp, pin mặt trời hiệu suất cao… và
đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng giúp thay đổi hướng đi của sóng điện từ,
tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm….
Vật liệu Meta hoạt động dựa trên các cộng hưởng điện từ khi tương tác
với các thành phần điện

r
E

và thành phần từ

r
H

của sóng điện từ chiếu đến.

Dựa trên tính chất này chúng tôi xây dựng cấu trúc khoang cộng hưởng sâu
với các lớp kim loại và điện môi xen kẽ để tạo ra vật liệu MPA hấp thụ hoàn
hảo sóng điện từ theo một phương thức mới. Cách tiếp cận mới này giúp cho
cấu trúc có thể được khảo sát toàn diện hơn và các bài toán khác có thể đặt ra
như áp dụng khoang với kích thước khác nhau, sắp xếp khoang trong vật
liệu…sẽ có ảnh hưởng tới tính hấp thụ điện từ và cải thiện đặc tính của cấu
trúc. Hơn nữa, việc thiết kế và chế tạo vật liệu có tính chất thay đổi một cách
linh hoạt hay tối ưu hóa cấu trúc để giảm tổn hao điện từ của vật liệu khi hoạt
động cũng là vấn đề cần quan tâm. Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn
nội dung: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu meta hấp thụ hoàn hảo dải tần số
rộng vùng GHz dùng khoang cộng hưởng điện từ” làm đề tài luận văn.

2


Luận văn được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa mô hình hóa, tối ưu
cấu trúc, mô phỏng, chế tạo, đo đạc kiểm nghiệm:
Với các mục tiêu đó, luận văn chia thành 3 chương:
Chương I : Tổng quan vật liệu Meta
Chương II : Cấu trúc nghiên cứu và kết quả tối ưu
Chương III : Kết quả thực nghiệm

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU META
1.1 Khái niệm vật liệu Meta
Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định
bởi cấu tạo nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu [4]. Ý tưởng về
sự tồn tại của những nguyên tử nhân tạo được sắp xếp trong các mạng tinh thể
giúp con người có thể tạo ra những tính chất đặc biệt không có trong vật liệu
tự nhiên từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Từ năm 2000,
một loại vật liệu nhân tạo gọi là “siêu vật liệu” (Metamaterials - Meta) đã
được thiết kế và đang trở thành một đề tài nghiên cứu “nóng”. Vật liệu Meta
là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí những đơn
vị cấu trúc sao cho chiết suất quang học có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm.
Vật liệu Meta “vượt” qua những vật liệu thiên nhiên nằm ở ý nghĩa là khi đơn
vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử thì trong vật liệu
Meta là những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét (mm) đến
nanomét (nm).

Hình 1.1: Cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu Meta

4


Hình 1.1 là hình ảnh so sánh về cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và
vật liệu Meta: Vật liệu truyền thống được hình thành từ những phân tử,
nguyên tử, giữa là hạt nhân, xung quanh là các điện tử. Tính chất vật liệu
truyền thống chủ yếu được quyết định bởi lớp điện tử ngoài cùng và sự sắp
xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong khi đó vật liệu Meta được xây
dựng từ các ô cơ sở, mỗi ô cơ sở tương tự như một nguyên tử của vật liệu
truyền thống và gọi là “giả nguyên tử”. Tính chất của vật liệu Meta được
quyết định chủ yếu bởi hình dạng cấu trúc của “giả nguyên tử” và trật tự sắp
xếp của “giả nguyên tử”. Các cấu trúc "giả nguyên tử" này có thể là đối xứng

hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng, được làm từ kim loại
hoặc điện môi, có thể là chất phi từ hoặc sắt từ, và quan trọng nhất là có kích
thước nhỏ hơn từ 7-10 lần so với bước sóng hoạt động của vật liệu Meta.
Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng
bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm  và hằng số điện môi  . Sự lan truyền
của sóng điện từ trong vật liệu liên quan chặt chẽ tới hai đại lượng này.
Nguyên lý cơ bản của vật liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ từ
những cấu trúc "giả nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại
lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên. Sự truyền
sóng điện từ trong vật liệu Meta do đó cũng có thể dự đoán, thiết kế trước và
điều chỉnh theo ý muốn.

1.2 Phân loại Vật liệu Meta
Để phân loại vật liệu Meta có thể dựa vào hai đại lượng: độ điện thẩm
 và độ từ thẩm  . Đây là hai đại lượng cơ bản giúp xác định sự lan truyền

sóng điện từ trong vật liệu.

5


ε >0, � >0 (I)
ε <0, � >0 (II)
Tồn tại trong kim loại dưới
tần số plasma

Tồn tại trong hầu hết các
vật liệu

ε <0, � <0 (III)

ε >0, � <0 (IV)

Không tồn tại trong tự nhiên
nhưng tồn tại trong vật liệu
Meta

Tồn tại trong một số vật
liệu từ ở tần số thấp

Hình 1.2: Sơ đồ mối liên hệ giữa � và �
Nhận xét: Hầu hết các vật liệu trong tự nhiên đều có ε >0, � >0 cho
phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong các vật liệu và có tổn hao lớn
(góc phần tư thứ nhất (I)). Khi một trong hai đại lượng � hoặc � âm và đại
lượng còn lại dương (góc phần tư thứ (II) và (IV)) thì sóng điện từ nhanh
chóng bị dập tắt và không thể lan truyền trong vật liệu. Đặc biệt, khi cả hai
đại lượng đều có giá trị âm ε <0, � <0 (góc phần tư thứ (III)), khi đó sóng
điện từ vẫn lan truyền được trong vật liệu. Vật liệu có ε <0, � <0 gọi là vật
liệu có chiết suất âm.
Từ nhận xét trên có thể phân vật liệu Meta thành 3 loại chính:
- Vật liệu có độ điện thẩm âm (electric metamaterial): ε < 0.
- Vật liệu có độ từ thẩm âm (magnetic metamaterial): μ < 0.
- Vật liệu có chiết suất âm (left-handed metamaterial): n < 0.
Qua các nghiên cứu về vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ cho
thấy, cơ chế hấp thụ dựa trên cộng hưởng từ tạo ra độ từ thẩm âm. Do đó, vật
liệu hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ là vật liệu có độ từ thẩm âm.

6

1.3 Ứng dụng vật liệu Meta
Sự thú vị thực sự của vật liệu Meta 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 ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là “siêu thấu
kính”. Veselago đưa ra lí thuyết về đường đi của ánh sáng qua một thấu kính
giả tưởng có chiết suất âm (Hình 1.3).

Hình 1.3: Đường đi của ánh sáng đi qua. (a) Thấu kính thường có chiết suất
dương và (b) Thấu kính có chiết suất âm.
Năm 2000, Pendry đã triển khai lý thuyết Veselago với bài viết
"Negative refraction gives a perfect lens"[22]. Năm 2004, siêu thấu kính đầu
tiên được chế tạo hoạt động ở vùng tần số vi-ba cho độ phân giải lớn hơn ba
lần so với giới hạn nhiễu xạ [9]. Chỉ một năm sau đó, năm 2005 Fang và các
cộng sự đã chế tạo thành công siêu thấu kính quang học sử dụng màng mỏng
bạc, phá vỡ các giới hạn nhiễu xạ cho hình ảnh phân giải cao (Hình 1.4).

7


Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính [8].
Ứng dụng nổi bật khác của vật liệu Meta đó là “Áo choàng tàng
hình”. Khi sóng điện từ (ánh sáng) tác động lên vật chất xảy ra các trường
hợp: (1) Sóng phản xạ (reflection), sóng truyền qua (transmission) và sóng
hấp thụ (absorption) (Hình 1.5).

Hình 1.5: Sự tương tác giữa sóng điện từ (hay ánh sáng) với vật chất. (1)
Sóng tới, (2) Sóng phản xạ, (3) Sóng truyền qua và (4) Sóng hấp thụ.
Vì thế, nếu muốn một vật tàng hình thì ta phải làm sao triệt tiêu được
sự phản xạ của ánh sáng hay điều chỉnh hướng phản xạ của ánh sáng đi ra xa
người quan sát. Dựa trên ý tưởng về hiệu ứng tàng hình Pendry đã sáng tạo ra

một phương pháp mới gọi là "quang học chuyển đổi" (transformation optics).
Phương pháp này giúp tìm ra những trị số chiết suất cần thiết để dẫn dụ uốn

8


cong đường đi của sóng điện từ trong môi trường siêu vật liệu. Kết quả của
Pendry và các cộng sự cho thấy khi siêu vật liệu được phủ (cloak) lên một vật,
sóng điện từ (ánh sáng) thay vì đi theo một đường thẳng đâm vào mục tiêu
gây ra phản xạ, nhiễu xạ như chúng ta thường biết thì bây giờ sẽ bị uốn cong
trong lớp phủ, đi vòng theo ngoại vi của vật phủ. Nhờ đó, vật thể bị giấu bên
trong lớp vỏ của vật liệu Meta hoàn toàn trở nên “tàng hình” ở một bước sóng
nhất định (Hình 1.6).

Hình 1.6: Đường đi của sóng điện từ trong siêu vật liệu: (A) Biểu hiện hai
chiều, vật bị phủ là quả cầu tròn có bán kính R1 và lớp phủ có bề dày (R2-R1)
ánh sáng có thể bị bẻ cong làm vật thể được “tàng hình” và (B) Biểu hiện ba
chiều [23].
Khả năng “tàng hình” được đề xuất và chứng minh tại vùng GHz bởi
Schurig và các cộng sự năm 2006 [25]. Sau đó, Zhang và các cộng sự lần đầu
tiên tạo ra một thảm phủ (cloaking carpet) làm tàng hình một vật thể ở vùng
cận hồng ngoại (bước sóng 1,600 nm) (Hình 1.7). Những nghiên cứu về “áo
choàng tàng hình” của siêu vật liệu đã làm chấn động cộng đồng nghiên cứu
quang học và điện từ học nhất là giới nghiên cứu khoa học quân sự. Ngoài
những ứng dụng kể trên, vật liệu Meta còn có nhiều tiềm năng trong các
lĩnh vực khác như: cảm biến sinh học [13, 24], bộ lọc tần số [6, 11], bộ lọc
cộng hưởng [7, 21]…

9

Hình 1.7: Thứ tự từ trái sang phải. Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy.
Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu [32].
Bên cạnh những ứng dụng nổi bật của vật liệu Meta có chiết suất âm
thì vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (MPA) cũng đem lại những
tính chất thú vị cùng với khả năng ứng dụng cao thu hút sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu khoa học. Một trong những ứng dụng đầu tiên của vật liệu
hấp thụ là bộ phát nhiệt chọn lọc dựa theo nguyên tắc bức nhiệt của định luật
Kirchhoff [30]. Ngoài ra, MPA giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết
bị phân tích phổ và cảm biến trên các thang THz hay vùng vi sóng [31], giúp
xây dựng bộ dò plasmonic ở vùng hồng ngoại gần [16]…. Đặc biệt, cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, khả năng chế tạo vật liệu MPA hấp
thụ ánh sáng mặt trời là một định hướng ứng dụng mới trong việc làm pin mặt
trời hiệu suất cao [29, 17].

1.4 Tổng quan vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
1.4.1 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu Meta
Bằng việc điều khiển tính chất cộng hưởng của vật liệu Meta thông
qua việc điều khiển cấu trúc và tham số cấu trúc, chúng ta thu được vật liệu
hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA). Sóng điện từ khi tới bề mặt phân cách
thì có thể phản xạ, truyền qua, hấp thụ, tán xạ hoặc có thể kích thích
sóng điện từ bề mặt. Do MPA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện
từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng [12]. Tại tần số
cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều bị triệt tiêu.

10


Ta có : A + R + T = 1 hay A= 1 – T – R
Trong đó : A là độ hấp thụ ; T là độ truyền qua; R là độ phản xạ.

Độ phản xạ và hệ số phản xạ trong các trường hợp của sóng phân
cực TE và TM:
RTE 

cos   r1 n 2  sin  2
cos    r1 n 2  sin  2

RTM 

 r cos   n 2  sin  2
 r cos   n 2  sin  2

(1.1)

Với  là góc tới và n  r  r là chiết suất của vật liệu. Trường hợp
chiếu sóng điện từ vuông góc với mẫu thì khi đó   0 ta có phương trình:
z  z0
R
z  z0

2

 n
 r
r  n

2

(1.2)

Với z    là trở kháng của MPA và z0  0  0 là trở kháng của
môi trường không khí. Nếu MPA có lớp thứ 3 là tấm kim loại thì độ truyền
qua T=0, ta có độ hấp thụ:
z  z0
A  1 R  1
z  z0

2

 n
 1 r
r  n

2

(1.3)

Như vậy, để tạo ra vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ là thông
qua trở kháng của vật liệu với không khí để triệt tiêu phản xạ. Đồng thời thiết
kế vật liệu có độ dày và độ tổn hao lớn để hấp thụ sóng điện từ trước khi phản
xạ ngược trở lại môi trường. Đó là cơ chế hấp thụ dựa trên sự phối trở kháng.
Ngoài ra còn có cơ chế hấp thụ dựa trên giao thoa triệt tiêu. Ở đó, hai lớp kim
loại trong vật liệu hấp thụ đóng vai trò như các mặt phản xạ sóng. Cần phải
lựa chọn vật liệu điện môi có bề dày và hằng số điện môi sao cho sóng phản
xạ từ lớp cấu trúc tuần hoàn bằng kim loại và sự chồng chập của nhiều phản
xạ giữa hai lớp kim loại ngược pha nhau từ đó dẫn đến phản xạ triệt tiêu hoàn
toàn. Tấm kim loại mặt sau đóng vai trò chặn sóng điện từ truyền đến do đó

11

độ truyền qua bằng không [5].

1.4.2 Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ
Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả
năng hấp thụ gần như hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần
số hoạt động. Nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng vì MPA
được xây dựng trên cấu trúc cộng hưởng điện từ. Các nhà khoa học đã chứng
minh được rằng tại tần số xảy ra hấp thụ thì các đại lượng truyền qua, phản
xạ, tán xạ là không đáng kể. Hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ có thể được phân
chia thành hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có
băng thông rộng (broadband absorbers). Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự
tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác
định 0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số 0 là

0 

2 c
0 với c là

vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu
có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng
điện từ trên một dải rộng lớn. Một trong những tính chất hết sức thú vị của
MPA là có khả năng điều chỉnh đưuợc vùng tần số hoạt động mong
muốn thông qua thay đổi kích thước và lợi thế độ dày nhỏ như đã được
chứng minh là 0 40 [14], 0 69 [15].
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. 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. 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

12


đó là tìm kiếm những cấu trúc MPA đơn giản. Cấu trúc MPA đầu tiên do I.
Landy (2008) đề xuất có độ hấp thụ tốt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh
vi, với độ chính xác cao làm cho việc chế tạo mẫu trở nên khó khăn. Sau đó do
nhóm Soukoulis tại đại học Iowa đề xuất cải tiến bằng mạch cộng hưởng điện
dạng vòng hở kết hợp với tấm kim loại [28]. Cấu trúc do Soukoulis đề xuất cho
độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng, có khả năng hấp thụ
với nhiều góc tới khác nhau, tuy nhiên vẫn đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp.
Do đó, 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. Cùng với việc tối ưu hóa cấu trúc, việc
mở rộng dải tần hấp thụ của các cấu trúc MPA cũng rất được quan tâm. Cơ chế
chủ yếu để mở rộng dải hấp thụ của các cấu trúc MPA là kết hợp nhiều cấu trúc
hấp thụ đơn lẻ tại các tần số khác nhau trong một đơn vị cơ bản. Một trong
những kết quả tiêu biểu có thể kể đến là vật liệu MPA gồm nhiều cấu trúc vòng
cộng hưởng tại các tần số khác nhau do nhóm của Cummer đề xuất năm 2010.
Mô hình của Cummer thu được độ hấp thụ 99.9% tại 2.4 GHz với độ rộng hấp
thụ lên tới 30% [10]. Một hướng tiếp cận khác từ các cấu trúc dẫn sóng, nhóm
của Luo đã đề xuất sử dụng cấu trúc MPA dạng dải phủ hình vuông cũng cho
độ rộng hấp thụ tương đương năm 2011 [19].
Trong một vài năm trở lại đây, hướng nghiên cứu về vật liệu MPA
đa lớp với cấu trúc lớp cộng hưởng tại các tần số khác nhau được quan tâm
nghiên cứu. Một hướng nghiên cứu cấu trúc MPA hình vuông với các nhiễu
sóng ở góc chéo. Vật liệu Meta được thiết kế với tổng độ dày (h) 4,36 mm

cho thấy mức hấp thụ trên 90% trong toàn dải tần số từ 7–18 GHz, rộng hơn
38% so với các phương pháp thiết kế trước đó tại cùng một h. Nghiên cứu này
cung cấp một lộ trình hiệu quả để mở rộng băng thông hấp thụ của Meta mà
không tăng h (Hình 1.8).

13


Hình 1.8: (a) Sơ đồ cấu trúc 3 chiều và kích thước ô cơ sở. Màu nâu đỏ tượng
trưng cho lá đồng kim loại và màu xanh dương nhạt biểu thị điện môi FR-4.
px = 24 mm, py= 24 mm, t1 = 6,3 mm, t2 = 3,6 mm, b1 = 11 mm, b2 = 6,6 mm,
tm = 0,018 mm, td = 0,2 mm và h = 4,36 mm. (b) Phổ hấp thụ mô phỏng, thực
nghiệm và mẫu chế tạo của vật liệu [18].
Nhóm nghiên cứu Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã đề xuất và chế tạo vật
Meta hấp thụ theo cấu trúc dạng hình nón. Qua đó, băng thông và hiệu suất
hấp thụ của bộ hấp thụ đề xuất có thể được điều khiển bằng các thông số cấu
trúc khác nhau như góc nghiêng và hằng số mạng (Hình 1.9).

Hình 1.9: Cấu trúc đề suất: (a) khung nhìn trên cùng, (b) ô đơn vị ba chiều
(3-D), và (c) xem mặt cắt ngang trung tâm của ô cơ sở [20].
Tuy nhiên 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

14


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. Đồng thời việc
thiết kế chế tạo vật liệu với rất nhiều lớp gây khó khăn trong kỹ thuật chế tạo
mẫu gây ra sai số lớn, đặc biệt là với những điều kiện về các thiết bị chế tạo

mẫu vẫn còn hạn chế tại nước ta. Chính vì vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng
điện từ có các tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng thực tế, luận văn đã lựa
chọn vật liệu này làm đối tượng nghiên cứu chính.

1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là một đối tượng
nghiên cứu có tính chất vật lý thú vị và có tiềm năng ứng dụng thực tế cao.
Thiết kế, chế tạo và khảo sát những cấu trúc cơ bản của vật liệu Meta giúp
chúng ta thấy sự thay đổi tính chất hấp thụ và tần số hấp thụ theo các tham số
hình học đơn giản. Những cấu trúc cơ bản đơn giản nhưng cho khả năng hấp
thụ đặc biệt sẽ trở thành nền tảng để xây dựng và phát triển vật liệu MPA. Với
lý do đó, nghiên cứu những đặc tính cơ bản của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt
đối là một trong những bước quan trọng tiến tới những ứng dụng trong tương
lai gần.
Trong luận văn, chúng tôi tập trung giải quyết 2 vấn đề:
Một là, xây dựng được cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng
điện từ dùng khoang cộng hưởng đa lớp với cấu trúc đơn giản, hợp lý, tối ưu
hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ ở dải tần số rộng
vùng GHz. Quá trình tối ưu hóa cấu trúc được tiến hành một cách hệ thống,
thông qua các cấu trúc trung gian. Sự hình thành và cơ chế hấp thụ ở mỗi
bước tối ưu hóa được giải thích bằng phương pháp mô phỏng.
Hai là, trên cơ sở tối ưu hóa bằng mô phỏng, chế tạo thành công vật
liệu Meta hấp thụ hoàn hảo dải tần số rộng vùng GHz dùng khoang cộng
hưởng điện từ so sánh, kiểm chứng với kết quả mô phỏng.

15