Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng GHz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Đinh Hồng Tiệp

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ
BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Đinh Hồng Tiệp

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ
BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. Vũ Đình Lãm

Hà Nội – 2020


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

NGHIÊN CỨU SINH

ĐINH HỒNG TIỆP


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới GS. TS. Vũ
Đình Lãm, Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo mọi điều
kiện thuận lợi trong suốt quá trình học nghiên cứu sinh và công bố các công trình
khoa học để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến và TS. Bùi Sơn Tùng đã
luôn động viên và trao đổi nhiều ý tưởng khoa học mới cho các công bố của luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của các thành viên nhóm nghiên
cứu vật liệu biến hóa (tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam), đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Hiền và TS. Đặng Hồng Lưu.

Tôi xin được bày tỏ sự yêu mến và lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô,
anh, chị đang công tác tại Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã luôn tạo điều kiện
và động viên trong suốt thời gian tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học và
Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về môi trường khoa học chuyên nghiệp, cơ sở
vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính thuận lợi trong quá trình nghiên
cứu và học tập.
Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình đã luôn tin tưởng và là nguồn
động lực to lớn để tôi hoàn thành luận án này.
NGHIÊN CỨU SINH

ĐINH HỒNG TIỆP


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 6
1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng ............................ 6
1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng .............................................................. 11
1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa ............................................. 13
1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện .................................................................... 13
1.3.2. Cấu trúc cộng hưởng từ ........................................................................ 16
1.4. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với môi trường .................. 19
1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ..................................................... 21
1.6. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải rộng .................... 30
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................ 37
2.1. Phương pháp quang khắc ......................................................................... 37

2.2. Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 40
2.3. Phương pháp đo đạc ................................................................................. 41
2.4. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng ............................ 44
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG
HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH ..................................... 46
3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục ...... 46
3.2. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín ...................... 53
3.3. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép ............... 59
3.4. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X .. 66
3.5. Kết luận .................................................................................................... 70
CHƯƠNG 4. MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH
TÍCH HỢP POLYMER DẪN ...................................................................... 71
4.1. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích hợp vật liệu polymer
dẫn ................................................................................................................... 71
4.2. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay thế hoàn toàn cấu trúc
kim loại bởi vật liệu polymer dẫn ................................................................... 79


4.3. Kết luận .................................................................................................... 82
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 83
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................................... 85
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 87


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ
viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Broadband Metamaterial
Perfect Absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng
điện từ dải rộng

BW

Bandwidth

Băng thông

BSA

Bovine Serum Albumin

Protein albumin Bò

CW

Cut-wire

Dây bị cắt

CWP

Cut-wire pair

Cặp dây bị cắt

CST

Computer simulation
technology

Công nghệ mô phỏng bằng
máy tính

EMT

Effective Medium Theory

Lý thuyết môi trường hiệu
dụng

EIT

Electromagnetically induced
transparency

Trong suốt cảm ứng điện từ

Frequency bandwidth

Băng thông tần số

Finite Integration Technique

Kỹ thuật tích phân hữu hạn

GMR

Guided-mode resonance

Cộng hưởng dẫn sóng

MM

Metamaterial

Vật liệu biến hóa

MPA

Metamaterial perfect
absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt
đối sóng điện từ

PCB

Photolithography Circuit
Board

Phương pháp quang khắc mạch
in

RD

Ring Disk

Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với
vòng cộng hưởng kín

SRR

Split-ring resonator

Vòng cộng hưởng có rãnh

SRD

Split Ring Disk

Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với
vòng cộng hưởng có rãnh

VNA

Vector Network Analyzer

Hệ phân tích mạng vector

WPT

Wireless Power Transfer

Dẫn truyền năng lượng không
dây

BMPA

FBW
FIT


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42].
Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0
và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học
đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ quan sát được đối với một
số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đồng thời µ<0 và ε <0 chỉ đạt
được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa.
Hình 1.2. (A)-(C) Các mô hình cấu trúc ô cơ sở khác nhau cấu tạo từ kim loại
– điện môi của vật liệu biến hóa [47].
Hình 1.3. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần
số dao động riêng của phân tử. (b) Phổ truyền qua chuẩn hóa thực
nghiệm ứng với lớp phân tử BSA siêu mỏng được phủ trên MM
và trên đế sapphire [21].
Hình 1.4. (a) bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs.
(b) So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số. Chi

7

Hình 1.5. (Bên trái) Sự tương tự giữa môi trường đồng nhất của vật liệu tự

nhiên được tạo thành từ các nguyên tử và (Bên phải) vật liệu biến
hóa được cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng.
Hình 1.6. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây
là r và khoảng cách giữa các dây là a. (b) Sự phụ thuộc của độ điện
thẩm vào tần số. Độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần
số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 S/m
[62].
Hình 1.7. (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR); (b) cấu trúc dây kim
loại bị cắt, và định hướng của điện trường ngoài. (c) Mô hình mạch
điện LC tương đương và (d) đường đặc trưng của phần thực (ε′)
và phần ảo (ε′′) của độ từ thẩm hiệu dụng.
Hình 1.8. (Bên trái) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µeff < 0 và (Bên
phải) đường tán sắc của độ từ thẩm [45].
Hình 1.9. (a) Cấu trúc SRR kép và phân cực của sóng điện từ. (b) Sự biến đổi
từ cấu trúc SRR thành cấu trúc CWP [66].
Hình 1.10. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (b) mô hình mạch LC tổng quát cho một ô
cơ sở của cấu trúc CWP. Mô hình mạch điện dao động trong
trường hợp (c) cộng hưởng từ và (d) cộng hưởng điện [67].
Hình 1.11. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hoàn hảo của vật liệu biến hóa
với môi trường hoạt động
Hình 1.12. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA đỉnh kép gồm các vòng cộng hưởng
liên kết với nhau và (b) mạch điện dao động tương đương. Thông
số cấu trúc a=7,2, r=2,89, w=0,2, g=0,14 và l=0,4 mm. (c) Phổ hấp
thụ mô phỏng giải thích cơ chế của hấp thụ đỉnh kép và (d) tính
toán trở kháng hiệu dụng của MPA [71].

12

tiết về các tham số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể
được tham khảo trong tài liệu [51].

8
9

10

14

15

16
17
19
20
23


Hình 1.13. Minh họa sự biến đổi của cấu trúc. (Từ trái sang phải) CWP hình
vuông, CWP hình bát giác và CWP hình kim cương thu được bằng
cách giảm dần tham số hình dạng m [32].
Hình 1.14. Phổ truyền qua, phổ phản xạ, phổ hấp thụ, phần thực của độ điện
thẩm và phần thực của độ từ thẩm ứng với CWP hình vuông [32].
Hình 1.15. Phổ hấp thụ ứng với các trường hợp CWP hình vuông (m = 6 mm),
CWP hình bát giác (m = 4 mm và m = 2 mm) và CWP hình kim
cương (m = 0 mm) [32].
Hình 1.16. Phổ hấp thụ (Absorption), phần ảo của độ điện thẩm và phần ảo
của độ từ thẩm của CWP hình kim cương [32].
Hình 1.17. (a) Ô cơ sở của MPA được đề xuất bởi Landy và (b) sự phân bố
tổn hao Ohmic và tổn hao điện môi tại tần số cộng hưởng trong
vùng tần số GHz [16].

Hình 1.18. (a) Mô hình cấu trúc ô cơ sở MPA đa lớp graphene/MgF2/Au trên
đế Silica. (b) Sự thay đổi nhiệt độ của lớp Au (đường màu xanh
dương) và của lớp điện môi MgF2 (đường màu xanh lá cây). (c)
Sự phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cấu trúc trong khoảng thời gian
4.6ns [77].
Hình 1.19. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo tương ứng của MPA đỉnh
kép sử dụng cấu trúc cộng hưởng tích hợp với tụ điện. Phổ hấp thụ
(b) mô phỏng và (d) mô thực nghiệm [90].
Hình 1.20. (a) Thiết kế ô cơ sở của MPA và (b) ảnh mẫu chế tạo. Phổ hấp thụ
(c) mô phỏng và (d) thực nghiệm của MPA phụ thuộc vào độ dịch
chuyển (từ vị trí trung tâm ô cơ sở) của thành phần hình vuông
[91].

24
25
26
27
29
29

30
31

Hình 1.21. Cấu trúc ô cơ sở của MPA 4 đỉnh (bên trái) và mẫu chế tạo bằng 32
phương pháp quang khắc (bên phải) [78].
Hình 1.22. (a) Kết quả mô phỏng và (b) kết quả thực nghiệm phổ hấp thụ bốn 33
đỉnh của vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối theo sự phân cực sóng
điện từ [78].
Hình 1.23. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ bốn đỉnh theo góc tới trong trường 33
hợp (a) phân cực TE và (b) phân cực TM của sóng tới. (b) Phổ hấp

thụ sóng điện từ thực nghiệm trong trường hợp phân cực TE của
sóng điện từ [78].
Hình 1.24. (bên trái) (a)-(b) Thiết kế cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo của 34
MPA hình kim tự tháp. (bên phải) Phổ hấp thụ (a) mô phỏng và
(b) thực nghiệm [80].
Hình 1.25. Cấu trúc ô cơ sở của MPA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau 35
khi tích hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực
nghiệm [82].
Hình 1.26. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng 35
điện từ [22,93-95].

Hình 1.27. Mô hình ứng dụng của MPA có tính năng đàn hồi và hoạt động 36
trong dải tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân


sự. Nếu toàn bộ tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được
bọc bởi MPA thì sự tồn tại của chúng sẽ không thể bị phát hiện
bởi các máy dò sóng tần số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [96].
Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Hình 2.2. Hệ thiết bị quang khắc dung trong chế tạo vật liệu biến hóa trong
vùng tần số GHz tại Viện khoa học vật liệu.
Hình 2.3. Quy trình chế tạo vật liệu MMs hoạt động ở vùng GHz.
Hình 2.4. Một số mẫu vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc kim loại – điện
môi – kim loại được chế tạo theo phương pháp quang khắc.
Hình 2.5. Sự phân bố điện – từ trường và dòng điện cảm ứng trên bề mặt của
vật liệu biến hóa tại tần số cộng hưởng được quan sát bởi CST.
Hình 2.6. (Từ trái sang phải) Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Trung
tâm Radar – Hàn Quốc và Viện Khoa học Vật liệu.
Hình 2.7. Minh họa sơ đồ bố trí hệ đo phổ phản xạ và truyền qua trong vùng
tần số từ 2-18 GHz.

Hình 2.8. Minh họa phổ thực nghiệm (đường màu đỏ) so sánh với mô phỏng
(đường màu đen) của một mẫu MPA hoạt động tại vùng tần số từ
2-4 GHz, dưới góc tới khác nhau (5o, 15o, 45o và 50o) của sóng
điện từ.
Hình 3.1. Ô cơ sở của vật liệu biến hóa sử dụng cấu trúc (a) đĩa tròn, (b) đĩa
tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín (RD) và (c) đĩa tròn kết hợp
với vòng cộng hưởng có rãnh (SRD).
Hình 3.2. (a) Mẫu chế tao và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm
của cấu trúc RD. Sự phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt cấu
trúc RD tại tần số (a) 8,6 GHz và (b) 15,6 GHz.
Hình 3.3. (a) Mạch điện cộng hưởng LC tổng quát và (b) mạch điện thu gọn
của cấu trúc SR.
Hình 3.4. (a) Mẫu chế tạo và (b) kết quả mô phỏng cùng kết quả thực nghiệm
của cấu trúc SRD. Phân bố của (c) điện trường cảm ứng và (d) từ
trường cảm ứng trên bề mặt tại đỉnh cộng hưởng thứ nhất.
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm vào
độ rộng của khe g trong cấu trúc SRD.
Hình 3.6. (a) Mẫu chế tạo ứng với (b) siêu ô cơ sở sử dụng 04 SRD cùng (c)
phổ hấp thụ mô phỏng. (d) Phân số từ trường cảm ứng tại 08 tần
số cộng hưởng. (e) So sánh phổ hấp thụ dải rộng mô phỏng và thực
nghiệm khi tối ưu thành công các đỉnh cộng hưởng trong mô hình
(a) xảy ra cạnh nhau.
Hình 3.7. (a) Mẫu chế tạo của vật liệu biến hóa sử dụng (b) mô hình vòng
cộng hưởng kín. (c) So sánh phổ hấp thụ mô phỏng và thực
nghiệm.
Hình 3.8. Mô phỏng sự phân bố (a)-(b) mật độ dòng điện cảm ứng và (c)-(d)
điện trường cảm ứng trên bề mặt hai lớp kim loại tại tần số cộng
hưởng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín.
Hình 3.9. (a) Mô hình mạch điện LC trong trường hợp cấu trúc vòng cộng
hưởng kín (đối xứng) và (b) so sánh kết quả tính toán với kết quả

mô phỏng (trường hợp R2 thay đổi).

37
38
39
39
41
42
43
44

47
47
49
51
52
52

53
54
56


Hình 3.10. (a) Mẫu chế tạo tương ứng với (b) cấu trúc bất đối xứng hình mắt
cá. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và (d) thực nghiệm trong trường hợp
thay đổi khoảng cách d.
Hình 3.11. Sự phân bố của điện tích cảm ứng trên bề mặt kim loại tại (a)-(b)
13,05 GHz và (c)-(d) 13,5 GHz. (e) Sự phân bố năng lượng tổn
hao trên bề mặt tại tần số thứ hai.
Hình 3.12. Phân bố năng lượng điện trường cảm ứng tại mặt trên và mặt dưới

của cấu trúc mắt cá tại (a)-(b) 13,06 GHz và (c)-(d) 13,5 GHz.
Hình 3.13. Các thiết kế ô cơ sở, phổ hấp thụ mô phỏng và phân bố năng lượng
điện trường cảm ứng của các cấu trúc vật liệu biến hóa sử dụng
(a)-(b)-(c) hai (d)-(e)-(f) ba và (h)-(i)-(j) bốn lỗ trống.
Hình 3.14. Cấu trúc (a) mặt trên và (b) mặt bên cạnh của ô cơ sở của MPA
đẳng hướng.

56
57
58
59
60

Hình 3.15. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ mô phỏng theo các giá trị thay 61
đổi của d. (b) Phân bố điện trường tại tần số 16,9 GHz trong trường
hợp d = 9 mm. Phân bố điện trường tại (c) 16,2 GHz và (d) 16,9
GHz trong trường hợp d = 10 mm.
Hình 3.16. (a) Phổ hấp thụ khi nối tắt các cấu trúc cặp đĩa trong cấu trúc MPA 62
đẳng hướng. (b) Phân bố điện trường cảm ứng tại 16.2 GHz trên
mặt phẳng (X, Z).
Hình 3.17. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào các giá trị của R2. (b) So 63
sánh giá trị tần số cộng hưởng phụ thuộc vào R2 giữa mô phỏng và
tính toán. Hình nhỏ bên trái là mô hình mạch điện LC tương
đương. (c) Mẫu chế tạo của cấu trúc MPA đã đề xuất với R1 = 2,4,
R2 = 2,7 và d = 10 mm. (d) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm
của cấu trúc MPA đẳng hướng đơn đỉnh.
Hình 3.18. (a) Cấu tạo mặt trên của ô cơ sở cấu trúc MPA đẳng hướng hấp 64
thụ đỉnh kép và (b) phổ hấp thụ mô phỏng tương ứng. Phân bố điện
trường cảm ứng tại (c)13,6, (d)14,6, (e)16,4 và (f) 18,0 GHz.
Hình 3.19. (a) Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dày lớp điện môi td. (b) 65

Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ đỉnh kép vào R2 (R1 = 2,4, R3 = 3,0
và td = 1,2 mm). (c) Mẫu chế tạo của cấu trúc MPA đẳng hướng
hai đỉnh với R1 = 2,4, R2 = 2,6, R3 = 3,0 và td = 1,2 mm. (d) So
sánh giữa phổ hấp thụ mô phỏng (màu đen) và thực nghiệm (màu
đỏ).
Hình 3.20. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA có cấu trúc chữ X định hướng theo 66
không gian ba chiều. (b) Cấu tạo mặt trước của cấu trúc đối xứng
và (c) trường hợp bất đối xứng, với d là độ dịch theo đường chéo
của ô cơ sở của một thanh kim loại.
Hình 3.21. So sánh phổ hấp thụ mô phỏng (đường nét đứt màu xanh) và thực 67
nghiệm (đường nét liền màu đỏ) của cấu trúc MPA ba đỉnh trong
trường hợp (a) d = 0, (b) d = 0,5 và (c) d = 1,0 mm.
Hình 3.22. Sự phân bố của dòng điện cảm ứng trên hai bề mặt kim loại của 69
cấu trúc chữ X bất đối xứng (d = 1,0 mm) tương ứng tại các tần số


cộng hưởng (a) 9.7, (b) 11,6 và (c) 17,1 GHz. (d) Sự phân bố của
dòng điện cảm ứng trên hai bề mặt kim loại của cấu trúc chữ X đối
xứng (d = 0) tại tần số hấp thụ 11,4 GHz.
Hình 3.23. Phân bố từ trường cảm ứng trong trường hợp cấu trúc bất đối xứng
(d = 1.0 mm) tương ứng với các tần số (a) 9,7, (b) 11,6 và (c) 17,1
GHz. (d) Phân bố từ trường cảm ứng trong trường hợp cấu trúc bất
đối xứng (d = 0) tại tần số hấp thụ 11,4 GHz.
Hình 4.1. (a) Sắp xếp ba chiều của ô đơn vị cho MPA dải tần rộng với sự
phân cực của sóng EM. (b) Mẫu chế tạo và độ phóng đại của nó
cho mặt trước và lớp sau của các ô đơn vị 2 × 2. (b) Sắp xếp minh
họa cho cấu hình thử nghiệm.
Hình 4.2. (a) Phần thực và phần ảo của trở kháng hiệu dụng được tính toán
của BMPA được đề xuất. (b) Nguyên lý kết hợp các cấu trúc đĩa
tròn phía trong và vòng cộng hưởng kín phía ngoài dẫn đến sự hấp

thụ dải tần rộng. Vùng màu cam hiển thị dải tần với độ hấp thụ
trên 90%. Phân bố của dòng điện cảm ứng trên các bề mặt kim loại
mặt trước và mặt sau ở tần số cộng hưởng cho cùng một ô cơ sở,
chỉ chứa (c) vòng cộng hưởng kín phía ngoài và (d) cấu trúc đĩa
tròn phía trong.
Hình 4.3. Tần số hấp thụ mô phỏng theo (a) bán kính của đĩa có độ dẫn thấp
(ro) và (b) độ dày của FR-4 (t).
Hình 4.4. Hoạt động ổn định của BMPA phạm vi góc tới của sóng điện từ
rộng. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) thực nghiệm theo góc tới
của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TE. (c) Mô phỏng sự
phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới của sóng điện từ trong trường
hợp phân cực TM.

70

71

74

76
88

Hình 4.5. Phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm của cấu trúc BMPA 76
trong trường hợp thay đổi góc phân cực của sóng điện từ.
Hình 4.6. Mô phỏng sự phụ thuộc của phổ hấp thụ khi thay đổi góc phân cực
của sóng điện từ tại góc tới 20o, 40o và 50o trong trường hợp TE
và TM.
Hình 4.7. (a) Cấu trúc nguyên tử Meta 3 chiều với sự phân cực của sóng điện
từ và (b) phổ hấp thụ tương ứng của BMPA được đề xuất. Dải màu
xanh biểu thị vùng tần số bị hấp thụ trên 90%.

Hình 4.8. Phân bố 3 chiều của dòng điện cảm ứng bề mặt trong kích thước
2x2 của các ô cơ sở tại tần số (a) 15,3 và (b) 20,1 GHz.
Hình 4.9. Phân bố 3 chiều mật độ năng lượng tổn hao trong kích thước 2x2 ô
cơ sở tại tần số (a) 15,3 và (b) 20,1 GHz.

77
79
79
80

Hình 4.10. Phổ hấp thụ mô phỏng của BMPA theo (a) chiều cao của cấu trúc 80
polymer và (b) góc tới của sóng EM.


1

MỞ ĐẦU
Có thể nói rằng, vật liệu tiên tiến đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc
phát triển các công nghệ hiện đại nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người.
Ngày nay, sự cải tiến công nghệ luôn đi kèm với sự tích hợp các vật liệu quý tồn tại
trong tự nhiên, hay các vật liệu tiên tiến mới có cấu trúc nhân tạo chứa đựng các tính
chất độc đáo và thú vị. Động lực này đã dẫn đến sự ra đời một loại siêu vật liệu điện
từ hay còn gọi là vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) – chứa đựng nhiều tính
chất độc đáo chưa từng quan sát thấy trong tự nhiên. Trải qua hơn hai thập kỷ từ mô
hình dự đoán lý thuyết của Veselago năm 1968, vật liệu biến hóa đã tạo nên một cuộc
cách mạng về vật liệu tiên tiến cũng như đặt ra nhiều thách thức đối với nền khoa học
cơ bản khi chúng có thể thay đổi các quy luật truyền thống trong tương tác giữa vật
chất và sóng điện từ như: bẻ cong đường đi của ánh sáng, sự nghịch hướng của sự
truyền sóng điện từ với dòng năng lượng hay sự phát xạ Cherenkow ngược [1-4].
Những đặc tính kì dị và thú vị đó đã mở ra một viễn cảnh đầy triển vọng cho ngành

khoa học vật liệu để dần hiện thực hóa các kỳ vọng vốn chỉ tồn tại trong thế giới khoa
học viễn tưởng của con người.
Về bản chất điện từ, tính chất thú vị của vật liệu biến hóa đạt được thông qua
sự sắp xếp và điều khiển cấu trúc hình học mà không phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên
của vật chất tạo thành. Chính vì lợi thế này, vùng tần số hoạt động của chúng có thể
được thiết kế thay đổi linh hoạt cho các ứng dụng thực tế hoạt động từ vùng tần số
sóng Radio đến vùng quang học [5-15]. Về cấu tạo vật lý, vật liệu biến hóa được cấu
thành từ các “giả nguyên tử” nhân tạo có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng
hoạt động. Các “giả nguyên tử” này thực chất là các cấu trúc cộng hưởng tạo thành
từ vật liệu điện môi – kim loại, được sắp xếp tuần hoàn (hoặc không tuần hoàn) tùy
theo mục đích tạo ra các hiệu ứng điện từ mong muốn. Bên cạnh sự hoạt động linh
hoạt trên mọi vùng tần số, vật liệu biến hóa còn sở hữu kích thước ô cơ sở nhỏ hơn
rất nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Với tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng
to lớn đó, các sản phẩm dựa trên vật liệu biến hóa cũng đang dần xuất hiện ngày càng
nhiều trên thị trường thương mại quốc tế theo 5 lĩnh vực ứng dụng chính: Cảm biến,
liên lạc qua vệ tinh (Satcom) và viễn thông, hàng không và quốc phòng, quang học
(vùng THz và hồng ngoại) và các thiết bị y tế. Lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu biến
hóa được dự đoán sẽ có tốc độ tăng trưởng 63,1% từ năm 2017 đến 2025 [Theo báo


2
cáo mã số SE2430 của công ty tư vấn và nghiên cứu thị trường MarketsandMarkets
năm 2017].
Đặc biệt, hiện tượng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong vật liệu biến hóa lần
đầu tiên được phát hiện bởi Landy và các cộng sự vào năm 2008 đã làm cho “thị
trường” nghiên cứu về vật liệu tàng hình sôi động trở lại do thế hệ vật liệu hấp thụ
mới này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần các vật liệu hấp thụ truyền thống [16]. Do
đó, lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
(Metamaterial Perfect Absorbers – MPAs) đã nhanh chóng được phát triển cả về lý
thuyết cũng như thực nghiệm. MPAs tỏ rõ lợi thế khi độ dày vật lý của chúng nhỏ

hơn rất nhiều bước sóng hoạt động (có thể nhỏ hơn hàng nghìn lần), trong khi các vật
liệu hấp thụ truyền thống có độ dày giới hạn trong khoảng λ/4 [17]. Với kích thước
mỏng λ/30, thực nghiệm từ nhóm nghiên cứu của Landy đã ghi nhận độ hấp thụ đạt
được 88% tại tần số 11,5 GHz, trong khi đó giá trị này lên tới 96% tại 11,48 GHz
trong mô phỏng. Với tính chất đặc biệt và tiềm năng ứng dụng to lớn đó, MPAs cũng
nhanh chóng được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế từ vùng tần số MHz
đến vùng quang học [18-27].
Nắm bắt được xu thế này, kể từ năm 2009, hướng nghiên cứu các đặc tính điện
từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng phương pháp lý thuyết, mô phỏng,
chế tạo và đo đạc đã được triển khai tại nhóm nghiên cứu của GS.TS. Vũ Đình Lãm
(Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Tiêu
biểu, năm 2015, TS. Đỗ Thành Việt đã hoàn thiện luận án Tiến sĩ tập trung chủ yếu
giải quyết bài toán công nghệ chế tạo MPAs phù hợp trong vùng vi sóng tại Việt Nam
[28]. Kế thừa thành quả này, TS. Phạm Thị Trang (với luận án Tiến sĩ bảo vệ thành
công năm 2017) đã tiếp cận các mô hình lý thuyết kết hợp với mô phỏng và nghiên
cứu thực nghiệm vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối [29]. Gần đây, vào năm 2018,
TS. Đặng Hồng Lưu đã phát triển các mô hình lý thuyết đó để mô phỏng các MPAs
hoạt động trên vùng tần số THz tạo bước đệm quan trọng cho việc hiện thực hóa THz
MPAs trong tương lai gần [30]. Sau hơn một thập niên, lĩnh vực này đã được các
nhóm nghiên cứu khác trong nước tiếp cận như: Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Trần
Mạnh Cường tại Khoa Vật lý thuộc Đại học Sư phạm Hà Nội; Nhóm nghiên cứu của
TS. Nguyễn Trường Khang tại Đại học Tôn Đức Thắng TPHCM; Nhóm nghiên cứu
của PGS.TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Đại học Vinh.


3
Trong những năm gần đây, tại Viện Khoa học vật liệu - Viện HLKHCNVN,
hướng nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã cho những kết quả bước đầu rất khả quan.
Nhiều thành quả có giá trị đã được công bố trên các tạp chí thuộc hệ thống ISI, các
tạp chí chuyên ngành trong nước và các hội thảo khoa học có uy tín [31-43]. Tuy

nhiên, do bản chất hoạt động của vật liệu biến hóa phụ thuộc mạnh vào cấu trúc cộng
hưởng nên dải tần số hoạt động thường rất hẹp. Đây là nguyên nhân chính dẫn tới
việc xuất hiện rất ít các vật liệu biến hóa vừa có cấu trúc đơn giản, giá thành chế tạo
rẻ mà có thể hoạt động đa dải tần hoặc hoạt động trong dải tần số rộng phù hợp cho
các công nghệ trong thực tế tại vùng vi sóng. Bên cạnh đó, để duy trì đồng thời nhiều
đỉnh hấp thụ hoặc hấp thụ trên dải rộng trên cùng một thang tần số luôn đòi hỏi sự
tăng kích thước ô cơ sở hoặc tăng chiều dày vật lý của các cấu trúc đối xứng truyền
thống. Đặc biệt, các vật liệu sử dụng trong chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện
từ (kim loại – điện môi) thường không đàn hồi nên khó bao phủ được các bề mặt cong
của các đối tượng cần che chắn trong thực tế. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu và trang
bị nhiều tính năng ưu việt hơn cho các mô hình vật liệu biến hóa siêu nhỏ, hoạt động
đa dải tần và dải tần rộng sử dụng công nghệ chế tạo hiện có vẫn đang là thách thức
cần phải vượt qua. Vì vậy, nhóm nghiên cứu của GS.TS. Vũ Đình Lãm cũng đã mở
rộng sự cộng tác khoa học với Đại học Hanyang (Hàn Quốc) và Đại học Leuven
(Vương quốc Bỉ) nhằm cải tiến và tích hợp các vật liệu tiên tiến mới cho các mô hình
cấu trúc truyền thống để sớm hiện thực hóa các ứng dụng của vật liệu biến hóa trong
thực tế.
Mục tiêu của luận án:
- Xây dựng nền tảng cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng
điện từ hoạt động đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số từ 2-18 GHz.
- Thiết kế và tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng
điện từ đa đỉnh và dải rộng dựa trên các mô hình mới. Tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp
thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng có cấu trúc đơn giản và không phụ thuộc vào sự
phân cực của sóng điện từ.
- Lý giải và ứng dụng tính chất bất đối xứng trong cấu trúc hình học của vật
liệu biến hóa tạo ra hấp thụ đa đỉnh.
- Chế tạo và khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện
từ đa đỉnh và dải rộng trên vùng tần số từ 2-18 GHz.

4
Đối tượng nghiên cứu của luận án: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt
động trong vùng tần số từ 2-18 GHz.
Phương pháp nghiên cứu của luận án: Phương pháp nghiên cứu của luận án
được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình tính toán lý thuyết và mô
phỏng. Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành để kiểm chứng một số kết quả mô
phỏng cũng như tính toán tiêu biểu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Trong luận án này, bên cạnh cơ
sở lý thuyết cơ bản của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ được phân tích, các
công trình khoa học quan trọng của chính tác giả được trình bày và so sánh với các
kết quả nghiên cứu tiêu biểu của các tác giả khác trên thế giới. Từ đó, người đọc có
thể tiếp nhận nhanh nhất về nguyên lý chung để xây dựng, điều khiển và ứng dụng
vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng. Luận án cũng là một tài
liệu tham khảo có giá trị cho các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học
nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu biến hóa và tinh thể quang tử Photonic. Bên cạnh đó,
luận án cũng trình bày một số kết quả khoa học quan trọng đã được Nghiên cứu sinh
và tập thể nhóm nghiên cứu thu được trong vùng tần số GHz. Luận án này còn mở ra
nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ tại Việt
Nam trong tương lai đặc biệt trong thực tiễn của lĩnh vực quân sự (tàng hình), thông
tin liên lạc và chăm sóc sức khỏe (cảm biến sinh học, ăng ten siêu nhỏ, bộ lọc tần số,
lưu trữ và truyền dẫn năng lượng không dây…).
Những đóng góp mới của luận án: Luận án này tập trung giải quyết và hoàn
thiện các vấn đề vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số
GHz như sau:
i) Đã kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình mới dựa trên sự phá vỡ tính
đối xứng trong cấu trúc cộng hưởng truyền thống trong một ô cơ sở đơn lẻ. Đây là
một phương pháp tiếp cận hiệu quả để tạo ra MPA dải kép và đa đỉnh;
ii) Đã thiết kế và kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình MPA được tích
hợp vật liệu Polymer độ dẫn thấp (tích hợp một phần và hoàn toàn vào cấu trúc cộng
hưởng kim loại);

5
iii) Đã khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm sự hoạt động ổn
định của các mô hình MPA đa đỉnh và dải rộng dưới sự thay đổi của góc phát xạ và
góc phân cực của sóng điện từ.

Bên cạnh Phần mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, Luận án được
chia thành 4 chương như sau:
Trước tiên, Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành cũng như
những cơ sở lý thuyết cơ bản của vật liệu hóa dẫn tới sự ra đời của ngành vật liệu
biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ. Tiếp theo, Chương 2 trình bày cô đọng các
phương pháp nghiên cứu được lựa chọn và sử dụng trong quá trình nghiên cứu, chế
tạo cũng như khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
trong vùng tần số từ 2-18 GHz. Kết quả quan trọng và thảo luận liên quan đến các
mô hình vật liệu biến hóa bất đối xứng hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh sẽ được trình bày
cụ thể trong Chương 3. Cuối cùng, Chương 4 trình bày các kết quả quan trọng và thảo
luận trong việc giải quyết vấn đề mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến
hóa bằng cách tích hợp Polymer độ dẫn thấp.


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng
Về mặt cấu trúc điện từ, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) được cấu
thành từ các “nguyên tử nhân tạo”, thực chất là các cấu trúc cộng hưởng điện từ có
kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Khởi nguồn vào năm 1968, lĩnh
vực nghiên cứu MMs đã hình thành từ một ý tưởng về môi trường có chiết suất âm
[có đồng thời độ từ thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần

số] được dự đoán về mặt lý thuyết và đề xuất bởi Veselago [1]. Điều này đã hoàn
thiện bức tranh tổng quát về các giá trị của chiết suất trong mọi môi trường vật chất
[Hình 1.1]. Tuy nhiên, tính khả thi của mô hình này ban đầu cũng gặp phải nhiều nghi
ngờ và tranh cãi của cộng đồng khoa học do những tính chất điện từ của MMs chưa
được quan sát trong vật liệu tự nhiên. Do đó, chúng ta phải chờ đợi hơn 30 năm khi
Pendry thành công trong việc hạ thấp tần số plasma của vật liệu sử dụng mô hình lưới
dây kim loại về vùng tần số GHz (vào năm 1996) [44], và chứng minh mô hình vật
liệu nhân tạo có thể đạt được độ từ thẩm âm dựa trên sự hoạt động của cấu trúc vòng
cộng hưởng có rãnh (SRR) vào năm 1999 [45]. Hai mô hình này là cơ sở quan trọng
để Smith và cộng sự lần đầu tiên xác nhận bằng thực nghiệm giá trị chiết suất âm (n
< 0) trong vật liệu MMs vào năm 2000 và mở ra một ngành khoa học mới về MMs
với ngày càng nhiều các tính chất kỳ diệu được khám phá cho đến ngày nay [46].
Để hiểu rõ hơn nguồn gốc của sự truyền sóng điện từ trong môi trường vật
liệu biến hóa, chúng ta sẽ xuất phát từ hệ phương trình Maxwell (trong hệ CGS):
E  
 H 

1 B
,
c t

1 D 4
j,

c t
c
.D  4 ,

.B  0.

(Định luật Faraday)

(1.1)

(Định luật Ampere)

(1.2)

(Định luật Gauss)

(1.3)
(1.4)

Với:
B  µ H,

(1.5)

D   E.

(1.6)

Trong đó, D và B là độ cảm ứng điện và cảm ứng từ. Xét với trường hợp
trường điện từ tự do (mật độ dòng điện j = 0) và (mật độ điện tích ρ = 0), hệ phương


7
trình Maxwell được rút gọn thành:
1 B
,

c t

(1.7)

1 D
,
c t

(1.8)

E  

H 

.D  0,

(1.9)

.B  0.

(1.10)

Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42]. Góc
phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε <
0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0
chỉ quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đặc biệt tại góc
phần tư thứ ba, đồng thời hai giá trị µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc
vật liệu biến hóa.
Biểu diễn điện trường và từ trường dưới dạng sóng phẳng:
E(r , t )  E0ei[ kr t ] , H(r, t )  H0ei[ kr t ] .

(1.11)

Thay phương trình (1.5), (1.6) vào các phương trình (1.7-1.10) và sử dụng biểu diễn
(1.11), ta nhận được kết quả sau:
kH  
k E 




c

 E,

(1.12)

 H,

(1.13)

c


8
k.E  0,

(1.14)

k.H  0.

(1.15)

Để xác định hướng của dòng năng lượng truyền đi trong một môi trường, chúng ta có
thể căn cứ vào vector Poynting S (không phụ thuộc vào dấu của ε và μ):
S

c
E  H.
4

(1.16)

Từ phương trình (1.12) và (1.13), nếu cả ε và μ cùng mang dấu dương, ba vector E,
H, k sẽ tạo thành một tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Vector sóng k
hướng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai vector S và k song song với nhau như quan sát
trong góc phần tư thứ nhất của Hình 1.1). Trong trường hợp ε và μ đồng thời âm, ba
vector E, H, k sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái). Khi
đó vector sóng k hướng vào nguồn phát xạ (hai vector k và S đối song như quan sát
trong góc phần tư thứ ba của Hình 1.1). Đây chính là ý tưởng khởi nguồn để tạo ra
thế hệ vật liệu nhân tạo có chiết suất âm đầu tiên.

Hình 1.2. (A)-(C) Các mô hình cấu trúc ô cơ sở khác nhau cấu tạo từ kim
loại – điện môi của vật liệu biến hóa [47].
Bằng cách sắp xếp linh hoạt các “giả nguyên tử”, sự truyền sóng điện từ bên
trong môi trường tạo bởi MMs có thể được điều khiển theo ý muốn. Hình 1.2 trình
bày một số cấu trúc ô cơ sở hai chiều và ba chiều điển hình của vật liệu MMs chiết


9

suất âm. Dựa trên việc tái cấu trúc các ô cơ sở (sắp xếp tuần hoàn hoặc không tuần
hoàn của các cấu trúc cộng hưởng đơn vị được cấu thành từ vật liệu kim loại - điện
môi), hiệu ứng chiết suất âm, độ từ thẩm âm hoặc điện thẩm âm trong các vùng tần
số khác nhau sẽ dễ dàng đạt được. Để chứng minh khả năng kỳ diệu của MMs, năm
2000, Pendry đã sử dụng tính chất chiết suất âm trong MMs để tạo ra một siêu thấu
kính có độ phân giải cao hơn nhiều lần so với các hệ thấu kính quang học hiện hành
[48]. Ý tưởng tạo ra siêu thấu kính MMs này cũng đã nhanh chóng được Zhang và
các cộng sự hiện thực hóa vào năm 2005 [49]. Bên cạnh đó, tính chất kỳ diệu của
MMs còn được Pendry sử dụng vào trong vật liệu tàng hình dưới sự phát xạ sóng điện
từ tại vùng GHz vào năm 2006 [50]. Đặc biệt vào năm 2008, hiện tượng hấp thụ tuyệt
đối sóng điện từ của MMs được khám phá bởi Landy và các cộng sự đã mở ra một
tiềm năng phát triển vô cùng to lớn trong sự phát triển khoa học và công nghệ [16].

Hình 1.3. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần số
dao động riêng của phân tử. (b) Phổ truyền qua chuẩn hóa thực nghiệm ứng với
lớp phân tử BSA siêu mỏng được phủ trên MM và trên đế sapphire [21].
Hiện nay, các nghiên cứu về MMs không còn giới hạn ở vật liệu có độ điện
thẩm âm, độ từ thẩm âm và chiết suất âm, mà còn mở rộng ra rất nhiều lĩnh vực và
định hướng cho các ứng dụng hiện đại khác như cảm biến sinh học và dẫn truyền
năng lượng không dây (wireless power transfer - WPT) [51-56]. Khác với công nghệ


10
cảm biến sinh học dựa trên phương pháp huỳnh quang, cảm biến dựa trên MMs sẽ
không cần phải đánh dấu khiến cho chúng trở nên linh động hơn và tiết kiệm hơn về
chi phí cũng như thời gian phân tích mẫu. Cấu trúc MMs có thể ứng dụng làm cảm
biến tần số dao động riêng của phân tử được minh hoạ trên Hình 1.3 [21]. Mô phỏng
và thực nghiệm đã chứng tỏ, cấu trúc MM kiểu ba lớp: Ag-Silicon-Ag có thể tăng
cường đáng kể tín hiệu dao động của phân tử protein albumin Bò (bovine serum
albumin – BSA) và cho phép quan sát rõ tín hiệu này trên phổ truyền qua chuẩn hóa.

Đặc biệt, biên độ của tín hiệu có giá trị khoảng 25%, tức là gần như ngang bằng với
biên độ của tín hiệu ứng với mẫu BSA dày, như quan sát trên Hình 1.3(b).

Hình 1.4. (a) bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs. (b)
So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số. Chi tiết về các tham

số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể được tham khảo trong tài liệu
[51].
Bên cạnh đó, sự phát triển của các thiết bị thông minh trong thông tin liên lạc
đang đặt ra yêu cầu cấp thiết là thay thế được công nghệ truyền dẫn kết nối bằng dây
đồng thời với việc tăng cường hơn nữa hiệu suất truyền dẫn cho công nghệ WPT.
Bằng cách sử dụng MMs, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một giải pháp phù hợp cho
vấn đề này. Hình 1.4(a) là sơ đồ cấu tạo và kết quả thực nghiệm của hệ WPT sử dụng
cấu trúc MMs tạo ra trường định xứ [51]. Kết quả thực nghiệm trong Hình 1.4(b) cho
thấy, trong trường hợp không có cấu trúc MM ở giữa, hiệu suất truyền dẫn cực đại
chỉ là 8,7%. Khi một tấm MM được tích hợp vào, hiệu suất cực đại đạt được là 29,5%.
Với hai tấm MMs, hiệu suất bị giảm đi còn 2,4%. Tuy nhiên, khi tạo ra một lỗ trống,
hai tấm MMs lại tăng cường giá trị cực đại của hiệu suất lên tới 54,9%, lớn hơn 1,8


11
và 6.4 lần so với trường hợp sử dụng một tấm và không có MM tương ứng.
1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng
Do cấu trúc ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động, để thiết kế, dự đoán
và nghiên cứu các đặc tính điện từ của MMs, chúng ta phải dựa trên một mô hình lý
thuyết có tên là lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory - EMT).
Vì ở kích thước rất nhỏ này, sóng điện từ không thể phân biệt được chi tiết cấu trúc
của từng nguyên tử độc lập. Do đó, ta phải tính trung bình tất cả các nguyên tử và coi
vật liệu như là một môi trường đồng nhất được đặc trưng bởi các tham số điện từ hiệu
dụng εeff và µ eff. Đây chính là nguyên lý cơ bản của lý thuyết EMT, áp dụng cho bất

kỳ môi trường vật chất không đồng nhất nào có kích thước và khoảng cách giữa các
nguyên tử nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng hoạt động, như biểu diễn trên Hình
1.5. Hai lý thuyết môi trường hiệu dụng phổ biến nhất hiện nay phù hợp để nghiên
cứu MMs được biết đến là mô hình tính toán các tham số điện từ hiệu dụng do
Bruggeman và Maxwell-Garnett đề xuất [57,58]. Khi chúng ta biết được giá trị εeff và
μeff, sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu có thể được biểu diễn thông qua mối
quan hệ tán sắc
|

𝜔2
𝜀𝑖𝑗 𝜇𝑖𝑗 − 𝑘 2 𝛿𝑖𝑗 + 𝑘𝑖 𝑘𝑗 | = 0,
2
𝑐

(𝑖, 𝑗 = 𝑥, 𝑦 hoặc 𝑧)

(1.17)

trong đó, 𝜔 và 𝑘𝑖 tương ứng là tần số và thành phần véc tơ sóng thứ i của sóng điện

từ đơn sắc, 𝑘 = √𝑘𝑥2 + 𝑘𝑦2 + 𝑘𝑧2 . Nếu môi trường là đồng nhất, phương trình (1.17)
được đơn giản hóa thành

𝜔2 2
𝑘 = 2𝑛 ,
𝑐
2

và

𝑐
,
𝑛
𝑐
𝑣𝑔 =
,
𝑛𝑔
𝑣=

𝑛𝑔 = 𝑐 (

d𝑛
d(𝑛𝜔)
d𝑘
)=
= 𝑛+𝜔( ) .
d𝜔
d𝜔
d𝜔

(1.18)
(1.19)

(1.20)

(1.21)

𝑛2 = 𝜀𝜇, và 𝑣, 𝑣𝑔 , 𝑛𝑔 tương ứng là vận tốc pha, vận tốc nhóm và chiết suất nhóm

(group index) của sóng lan truyền. Rõ ràng, nếu ε và μ được điều khiển nhân tạo sẽ

kéo theo các hiệu ứng điện từ mong muốn. Trong lĩnh vực MMs, đặc tính điện từ của


12
môi trường tạo bởi lưới dây kim loại cùng cấu trúc SRR tuần hoàn được nghiên cứu
sử dụng mô hình EMT lần đầu tiên được tiến hành bởi Koschny và cộng sự [59].
Trong trường hợp này, εeff và µ eff của môi trường vật liệu biến hóa được biểu diễn
theo các phương trình tổng quát sau:
Da   eff  0Ea ,

(1.22)

Ba  eff 0 Ha .

(1.23)

Trong đó, Da, Ea, Ba, Ha lần lượt là vectơ cảm ứng điện, vectơ cường độ điện trường,
vectơ cảm ứng từ và vectơ cường độ từ trường trung bình. Trong lý thuyết này, các
cấu trúc cộng hưởng cơ sở được gọi là “giả nguyên tử” là không đồng nhất nhưng do
có kích thước nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng hoạt động, nên có thể coi toàn bộ môi
trường của MMs là đồng nhất và đặc trưng bởi các tham số hiệu dụng (εeff và µ eff).
Điều này mang đến sự khác biệt về nguyên lý hoạt động của MMs so với tinh thể
quang tử (photonic). Tuy tương đồng trong thành phần cấu tạo nhưng tinh thể quang
tử thường có cấu trúc ô cơ sở có kích thước cỡ bước sóng và hoạt động dựa trên
nguyên lý nhiễu xạ.

Hình 1.5. (Bên trái) Sự tương tự giữa môi trường đồng nhất của vật liệu tự nhiên
được tạo thành từ các nguyên tử và (Bên phải) vật liệu biến hóa được cấu thành
từ các cấu trúc cộng hưởng.
Khi sóng điện từ tương tác với vật liệu MMs, dựa trên kết quả thực nghiệm

của các hệ số truyền qua (T) và phản xạ (R), Smith và cộng sự đã đưa ra phương trình
biểu diễn mối liên hệ giữa chúng như sau [60]:


13
1

i
1


T  cos(dnk z )  ( Z  )sin(dnk z )  eikz d ,
2
Z



(1.24)

i
1
R   ( Z  )sin(nk z d )Teikz d ,
Z
2

(1.25)

Chiết suất n và trở kháng Z được biểu diễn theo phương trình:
1 r2  t2
n   cos 1 (

)
2t
,

(1.26)

1/ 2

 (1  r ) 2  t 2 
Z  
2
2 
 (1  r )  t 

(1.27)

,

ik d
với, d là chiều dày tấm vật liệu, r  R và t  Te . Từ đây, ta dễ dàng tính toán được
z

độ điện thẩm hiệu dụng  eff  n / Z và độ từ thẩm hiệu dụng eff  nZ .
1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa
1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện
Trước hết, để xây dựng và tìm hiểu bản chất của tương tác điện xảy ra bên trong
từng loại cấu trúc cộng hưởng, chúng ta có thể bắt đầu từ nguyên lý điều khiển hàm
điện môi hiệu dụng của vật liệu biến hóa. Đối với vật liệu tự nhiên (ví dụ như trong
các kim loại quý như Au, Ag), độ điện thẩm đạt giá trị âm trong vùng tần số bên dưới
tần số plasma (tần số quang học). Hàm số điện môi của vật liệu phụ thuộc vào tần số

được biểu diễn bởi phương trình sau [61]:

 p2
 ( )  1 
,
 (  i )
trong đó, γ và  p2 

(1.28)

Ne2
lần lượt đặc trưng cho tần số dập tắt và tần số plasma. Thông
 0 me

thường, tần số plasma của các kim loại thường ở vùng khả kiến hoặc tử ngoại. Từ
công thức (1.28), dễ thấy, từ vùng hồng ngoại gần và thấp hơn, hàm số điện môi hoàn
toàn là ảo do sự tổn hao là rất lớn. Do đó, Pendry đã đề xuất mô hình lưới dây kim
loại mỏng [Hình 1.6(a)] để hạ thấp tần số plasma về vùng tần số thấp (GHz) [44]. Do
các dây kim loại mỏng có chiều dài vô hạn và đặt tuần hoàn, mật độ điện tử hiệu dụng
(N) bị giới hạn trong một ô cơ sở được giảm xuống đáng kể (so với vật liệu khối)
trong khi khối lượng hiệu dụng (me) của điện tử tăng lên một cách đáng kể (theo định
luật Lenz).