Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên nền vật liệu gốm từ và điện môi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

ĐOÀN MẠNH QUANG

NGHI£N CøU CHÕ T¹O VËT LIÖU HÊP THô SãNG VI
BA TR£N NÒN VËT LIÖU GèM Tõ Vµ §IÖN M¤I
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGUYÊN HOÀI NAM

HÀ NỘI - 2014


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đào
Nguyên Hoài Nam là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo
điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn tới NCS. Chu Thị Anh Xuân người đã luôn tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo cho em những kiến thức lý thuyết và thực nghiệm quý giá, luôn
giúp đỡ, động viên để em hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý – Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các Thầy cô trong
Bộ môn Vật lý chất rắn đã dạy dỗ và trang bị cho em những tri thức khoa học và tạo
điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.
Ngoài ra, Em xin được gửi lời cảm ơn đối với TS. Đỗ Hùng Mạnh là người
đứng đầu phòng thí nghiệm Từ và Siêu dẫn, TS. Trần Đăng Thành người đầu tiên

hướng dẫn em phần thực nghiệm để thực hiện đề tài này.
Hơn nữa, Em xin được gửi lời cảm ơn đối với PGS. Lê Văn Hồng, PGS.TS. Vũ
Đình Lãm, TS. Ngô Thị Hồng Lê, Ths. Phạm Hoài Linh, Ths. Đỗ Khánh Tùng đã hỗ
trợ và khuyến khích em trong quá trình nghiên cứu.
Và đặc biệt, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến những người bạn của tôi Phạm
Trường Thọ và Tạ Ngọc Bách, Hoàng Thanh Vân, Phạm Thị Thanh, Nguyễn Hải Yến
là những người bạn luôn sẵn sàng giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, để tôi có
thể hoàn thành được luận văn thạc sỹ, xin cảm ơn tất cả mọi người.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình,
bạn bè và đồng nghiệp của tôi nguồn động viên hết sức quan trọng nhất là về mặt
tinh thần cũng như vật chất để tôi có đủ điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Học viên
Đoàn Mạnh Quang


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Đào Nguyên Hoài Nam. Các số liệu và kết quả trong luận
văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đoàn Mạnh Quang


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn

Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Bảng kí hiệu các chữ viết tắt
MỞ ĐẦU......................................................................................................................................... 1
Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG VI BA VỚI VẬT LIỆU....................................... 8
1.1. Tán xạ và phản xạ sóng điện từ gây bởi vật liệu............................................................ 8
1.2. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba.......................................................................................... 11
1.2.1. Cơ chế tổn hao điện môi........................................................................................ 11
1.2.1.1. Phân cực điện tử............................................................................................... 13
1.2.1.2. Phân cực tự phát............................................................................................... 13
1.2.1.3. Phân cực nguyên tử.......................................................................................... 13
1.2.1.4. Ion dẫn................................................................................................................ 14
1.2.2. Cơ chế tổn hao từ..................................................................................................... 14
1.2.2.1. Tổn hao từ trễ.................................................................................................... 15
1.2.2.2. Tổn hao cộng hưởng sắt từ............................................................................. 15
1.2.2.3. Tổn hao hồi phục từ......................................................................................... 15
1.2.3. Tổn hao xoáy............................................................................................................. 16
1.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt....................................................................... 16
Chương 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH.........18
2.1. Quy trình chế tạo các hạt nano La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) và La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO) .. 18

2.2. Phương pháp phân tích....................................................................................................... 20
2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X.............................................................. 20
2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)........................................................................... 22


2.2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)........................................................................................... 23
2.2.4. Phép đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi ba........................................ 24

2.2.4.1. Quy trình trải các lớp vật liệu hấp thụ......................................................... 24
2.2.4.2. Phương pháp đo truyền qua/phản xạ sóng vi ba trong không gian
tự do.................................................................................................................................... 26
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................................. 29
3.1. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEM.......................29
3.2. Kết quả khảo sát tính chất từ của các hệ hạt nano chế tạo......................................... 31
3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của hình thái, kích thước hạt và tính chất từ
vào các điều kiện công nghệ chế tạo các hạt nano La0,7Sr0,3MnO3................................ 32
3.3.1. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO).................35
3.3.2. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO)..............39
3.3.3. Tính chất hấp thụ sóng vi ba

của hệ hạt nano tổng hợp

La1,5Sr0,5NiO4/La0,7Sr0,3MnO3........................................................................................ 42
KẾT LUẬN................................................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................... 49


Bảng 1.

Tổng

2, 3, 8
Bảng 3.1.

Các t
kính

xác đ

Bảng 3.2.

Các t

các đ
Bảng 3.3.

Các t

= 0; 2


DANH MỤC C
Hình 1.

So sánh tín hiệ

hộp kim loại k

mm. Nguồn: Cô
Hình 2.

Một công nhân

băng tần X cho

Reagan. Nguồn:
Hình 3. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của các mẫu

hỗn hợp với tỷ

[2].....................
Hình 4.

Sự phụ thuộc c

MAM có các đ

phần Fe0,25(CoN

Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11]. ................................
Hình 2.1. Sơ đồ máy nghiền hành tinh. .........................................................
Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu. ...........................................................
Hình 2.3. Mô hình minh họa dẫn đến định luật nhiễu xạ Bragg..............................
Hình 2.4. Máy đo nhiễu xạ tia X. ...........................................................................
Hình 2.5. Hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800. ..................
Hình 2.6. Sơ đồ minh họa cho một hệ đo VSM. .....................................................
Hình 2.7. Hình ảnh minh họa một tấm vật liệu hấp thụ kích thước 10cm x 10cm

x 0,3cm. ............
Hình 2.8. Mô hình sóng tới trên một vật liệu hấp thụ điển hình..............................
Hình 2.9. Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo truyền qua (a) và phản xạ (b). ...................
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột nano La1,5Sr0,5NiO4 (a)

La0,7Sr0,3MnO3 (
Hình 3.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của bột nano La1,5Sr0,5NiO4

(a) và La0,7Sr0,3M
Hình 3.3.

Đường cong từ

La0,7Sr0,3MnO3 (


Hình 3.4. Phổ XRD (a) và đường cong từ hóa M(H) (b) tại nhiệt độ phòng
của các mẫu LSMO khối, mẫu bột sau nghiền nano và mẫu bột
0

sau ủ nhiệt tại 900 C/2h.

34

Hình 3.5. Sự phụ thuộc của RL và |Z| vào tần số của các tấm vật liệu
La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với các độ dày khác nhau: (a) d = 1,5
mm; (b) d = 2,0 mm; (c) d = 3,0 mm và (d) d = 3,5 mm.

36

Hình 3.6. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu
La1,5Sr0,5NiO4/paraffin với các độ dày khác nhau. 37
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Z0| vào tần số của các tấm vật liệu
La0,7Sr0,3MnO3/paraffin với các độ dày khác nhau: (a) d = 1,5
mm; (b) d = 2,0 mm; (c) d = 2,5 mm và (d) d = 3,0 mm.

40

Hình 3.8. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu
La0,7Sr0,3MnO3/paraffin với các độ dày khác nhau. 41
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu

LSMO/paraffin với các độ dày khác nhau khi có đế Al phẳng gắn
chặt phía sau. 41
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Z0| vào tần số của các tấm vật liệu...................43
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các tấm vật liệu (100x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau

44

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của RL vào tần số f của các tấm vật liệu (100x)LSNO/xLSMO với các tỷ lệ phần trăm thể tích x khác nhau
khi có đế Al phẳng gắn chặt phía sau 45
Hình 3. 13. Sự phụ thuộc tần số của tín hiệu phản xạ S11 cho các mẫu tổ hợp
(100-x)LSNO/xLSMO có gắn đế Al 45


BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EM

Sóng điện từ (Electromagnetic)

EMI

Chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic Interference )

LSMO

La0,7Sr0,3MnO3

LSNO

La1,5Sr0,5NiO4

MAM

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

RAM

Vật liệu hấp thụ sóng radar (Radar Absorbing Material)

RL

Độ tổn hao phản xạ (Reflection Loss)

SEM

Ảnh hiển vi điện tử quét

VSM

Phương pháp từ kế mẫu rung

XRD

Phương pháp nhiễu xạ tia X


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Những công trình nghiên cứu đầu tiên về vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM
– Microware Absorbing Material) đã được thực hiện vào khoảng những năm 1930
[30]. Vật liệu hấp thụ sóng vi ba [43] (trong vùng 3 ÷ 30 GHz) có những ứng dụng

hết sức quan trọng trong kỹ thuật chống nhiễu điện từ (ElectroMagnetic Interference EMI) [7, 27] cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là các tổ hợp thiết bị điện tử di động
(như hệ thống thông tin liên lạc cho vệ tinh, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, hệ thống
định vị, phát hiện và theo dõi mục tiêu bằng sóng radio). Các vật liệu này cũng được
sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng che chắn sóng điện từ, trong an toàn bức xạ và

S21 (dB)

y tế, kỹ thuật phòng tối…(hình 1, 2).

Không vật liệu

f (GHz)

Hình 1. So sánh tín hiệu của một bộ khuếch đại dải rộng được đặt
trong một hộp kim loại kín trước và sau khi được dán một lớp MAM
dày 1 mm. Nguồn: Công ty Laird Technologies.

1


Hình 2. Một công nhân đang dán các lớp RAM (màu đen) chống nhiễu
radar băng tần X cho một cột ăng-ten trên tàu sân bay USS Ronald
Reagan. Nguồn: Bộ Chỉ huy Hải quân Hoa kỳ.
Trong quân sự, vật liệu hấp thụ sóng radar (8 ÷ 12 GHz) là yếu tố cốt lõi trong
công nghệ tàng hình cho tên lửa tầm xa, tàu chiến và máy bay chiến đấu. Do yêu cầu
của các phương tiện thông tin liên lạc hiện đại và sự phát triển của vũ khí tàng hình,
các vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM – Microwave Absorbing Material) và sóng
radar (RAM – Radar Absorbing Material) gần đây được đặc biệt quan tâm và đầu tư
nghiên cứu. Xu hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa của nước ta hiện nay, cùng với
những diễn biến về an ninh quốc phòng gần đây cho thấy việc nghiên cứu các vật liệu

MAM/RAM là cần thiết và cần phải đẩy nhanh quá trình đưa các vật liệu này vào các
ứng dụng thực tế. Các cán bộ của Viện Khoa học và Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc
Phòng) đã bắt đầu quan tâm nghiên cứu về RAM trong thời gian gần đây và có một
số báo cáo trong Hội nghị Vật lý Chất rắn Toàn quốc 2011 tại Vũng tàu [1, 2, 8]. Các
báo cáo của nhóm nghiên cứu này cho thấy giá trị RL trung bình đạt khoảng -15 dB,
giá trị tại đỉnh cộng hưởng của một vài vật liệu đạt giá trị cao nhất cỡ -40 dB (hình 3)
[2]. Các kết quả này là khá mới mẻ và rất đáng khích lệ với tình hình nghiên cứu
trong nước, nhưng còn khiêm tốn so với các công trình công bố trên thế giới; giá trị
của RL tại các đỉnh cộng hưởng lớn nhất hiện nay đạt - 40 dB đến -60 dB (hình 4)
[34]. Tại Viện Khoa học Vật liệu, từ 1/2012, nhóm

2


nghiên cứu của TS. Đào Nguyên Hoài Nam cũng đã bắt đầu các nghiên cứu về mối
liên hệ giữa hiện tượng hấp thụ cộng hưởng sóng vi ba và cơ chế hồi phục Neel trong
các hệ hạt nano sắt từ. Mặt khác, PGS. TS. Vũ Đình Lãm và nhóm nghiên cứu 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 [19, 20, 21, 22, 23]. Nhóm của GS. TSKH
Nguyễn Xuân Phúc tại Viện Khoa học Vật liệu nghiên cứu định hướng cho các ứng
dụng y sinh (chữa ung thư bằng liệu pháp nhiệt) và môi trường [24]. Một số kết quả

RL (dB)

nghiên cứu trên thế giới đã được công bố và được tác giả tổng hợp trong (bảng 1).

f (GHz)
Hình 3. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của các mẫu hỗn
hợp với tỷ lệ khối lượng ferit bari-coban chiếm 58, 75 và 80% [2]

3


R L (dB)

f (GHz)
Hình 4. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ RL vào tần số f của
các lớp MAM có các độ dày khác nhau gồm các hạt nano hợp kim ba
thành phần Fe0,25(CoNi)0,75 trong paraffin [34].
Bảng 1. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới đã được công bố
[1, 2, 3, 8, 17, 34, 36, 37, 43, 47, 49, 50, 51, 52].
Vật liệu (Thành phần)
Hỗn hợp carbon nanofibers (CNFs)/
hạt NiFe
Hạt nano tinh thể La0,8Ba0,2MnO3
Các hạt nano đa tính sắt BiFeO3
Hợp kim Fe-B-Si-Mn-C/rubber
Hỗn hợp nano cấu trúc lõi/vỏ
(Ni,P)/BaNi0,4 Ti0,4Fe11,2O19
Hỗn hợp các hạt nano
La0,6Sr0,4MnO3/paraffin


4


Hạt nano Fe(C)/paraffin
Hỗn hợp các hạt nano ferrit
Co1-xMnxFe2O4/paraffin

Hỗn hợp hạt nano Sr2FeMoO6
Hỗn hợp các hạt -Fe/SmO(epoxy)
Hạt nano tinh thể BaFe12O19
Các hạt nano Co trong môi trường
poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)
Hỗn hợp
BaFe9Mn0.75Co0.75Ti1.5O1/ống nano
carbon đa vách trong nhựa PVC
Các hạt Fe bọc ZnO/paraffin
Các hạt nano hợp kim
Fe0,25(Co,Ni)0,75/paraffin
Hạt nano ferrite Mn0,5Zn0,5Fe2O4
Vật liệu multiferroic BiFeO3 –
CoFe2O4 có kích thước submicron
Hỗn hợp các hạt nano ferit baricoban

Tìm hiểu về các vật liệu hấp thụ sóng vi ba ta thấy chúng thường theo hai cơ
chế cơ bản là hấp thụ điện môi và hấp thụ từ tính đây cũng là lý do để tác giả chọn đề
tài là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên nền vật liệu gốm từ và
điện môi” cho luận văn tốt nghiệp của mình. Luận văn đã phát hiện ra lần đầu tiên
7

rằng vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ ( 10 ) [32, 40] La1,5Sr0,5NiO4 có


5


khả năng hấp thụ sóng điện từ khá tốt (RL = -36,7 dB) và có thể sử dụng như một
chất nền điện môi cho các vật liệu hấp thụ sóng vi ba. Đây cũng là phát hiện đầu tiên

về khả năng hấp thụ mạnh được ghi nhận với vật liệu thuần điện môi. Tác giả cùng
nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh được rằng cơ chế phối hợp trở kháng (Z matching) và phối hợp pha (phase matching) đóng vai trò chính trong việc hình thành
các đỉnh hấp thụ sóng vi ba trong La 1,5Sr0,5NiO4 dù cho có sự mất cân đối lớn giữa
độ điện thẩm và độ từ thẩm trong vật liệu này [31, 14]. Để tăng khả năng hấp thụ của
vật liệu thông qua việc thiết lập sự cân bằng giữa các hệ số điện thẩm và từ thẩm, tác
giả đã pha trộn La1,5Sr0,5NiO4 với vật liệu sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 [6] để tạo thành các
hỗn hợp hạt nano (100-x)La1,5Sr0,5NiO4 + xLa0,7Sr0,3MnO3 và đã xác định được tỉ lệ
pha trộn nằm trong khoảng từ 0 - 10% thể tích và cho hệ số tổn hao phản xạ RL đã
giảm xuống -36,7 dB, điều này cho thấy hỗn hợp đã hấp thụ sóng vi ba tốt hơn đáng
kể so với vật liệu gốc La1,5Sr0,5NiO4.
Tác giả đã thực hiện việc phủ mẫu lên đế kim loại như là một phương pháp
nhằm phân biệt cơ chế phối hợp trở kháng và phối hợp pha ở các tần số cộng hưởng.
Kết quả cho thấy cả hai hiệu ứng trên đều có thể quan sát thấy trong trường hợp mẫu
được phủ lên đế tấm kim loại, trong khi đó cơ chế phối hợp pha không được phát
hiện trong trường hợp mẫu không có đế tấm kim loại.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn này là tập trung phát triển các hợp chất gốm điện môi
La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO) và gốm sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) có kích thước
nanomet nhằm chế tạo các chất hấp thụ hiệu quả sóng vi ba, tìm hiểu cơ chế hấp thụ
trong các vật liệu này cũng như tìm cách nâng cao khả năng hấp thụ của chúng. Đây
là một vấn đề nghiên cứu khá mới ở Việt Nam và là hướng nghiên cứu mới của nhóm
nghiên cứu, vì thế ngoài việc chế tạo vật liệu, luận văn còn nghiên cứu và thiết lập
một quy trình đo phản xạ và hấp thụ sóng vi ba bằng phương pháp không gian tự do,
qua đó xây dựng phương pháp tính thông qua thuật toán NRW [26, 46] để xác định
khả năng hấp thụ thông qua hệ số tổn hao phản xạ (Reflection Loss - RL) của vật liệu.

6


Kết quả của luận văn sẽ góp phần cung cấp những thông tin quan trọng về tính

chất và kiểm chứng cơ chế vật lý trong việc ứng dụng vật liệu La 1,5Sr0,5NiO4 và
La0,7Sr0,3MnO3 trong hấp thụ sóng vi ba.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được thực hiện chủ yếu bằng các phương pháp thực nghiệm. Để
đánh giá chất lượng cũng như xác định các tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo được,
tác giả đã sử dụng một số phương pháp phân tích như: phương pháp nhiễu xạ tia X
(XRD), Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) và thiết
bị phân tích Vector Network Analyzer (PNA 8326 – Agilent). Các kết quả thu được
được xử lý, phân tích và so sánh với các kết quả nghiên cứu khác trên thế giới.
4. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 48 trang (không kể phần tài liệu tham khảo), 04 bảng và 26
hình vẽ. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1. Trình bày một cách tổng quan về tương tác của sóng vi ba với vật
liệu, về sự tán xạ và phản xạ sóng điện từ gây bởi vật liệu, các cơ chế hấp thụ sóng
vi ba của vật liệu như: Cơ chế tổn hao điện môi, cơ chế tổn hao từ, tổn hao xoáy và

những ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt.
Chương 2. Trình bày kỹ thuật thực nghiệm chế tạo hệ hạt nano
La1,5Sr0,5NiO4 (LSNO) và La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) và các phương pháp phân tích
chất lượng mẫu như: Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện
tử quét (SEM), phương pháp từ kế mẫu rung (VSM), phép đo phản xạ, truyền qua và
hấp thụ sóng vi ba.
Chương 3. Trình bày kết quả thực nghiệm: Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ
tia X và chụp ảnh bề mặt SEM, kết quả khảo sát tính chất từ của các hệ hạt nano chế
tạo, nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano tổng hợp
La1,5Sr0,5NiO4/La0,7Sr0,3MnO3.

7

Chương 1
TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG VI BA VỚI VẬT LIỆU
1.1. Tán xạ và phản xạ sóng điện từ gây bởi vật liệu
Tán xạ là quá trình làm phân tán năng lượng và phương truyền của sóng điện
từ (EM-Electromagneti) khi lan truyền tới vật liệu. Một phần năng lượng của sóng
điện từ sẽ bị phân tán (hoặc phản xạ) hoặc thay đổi hướng, pha, hoặc bước sóng so
với sóng tới. Đó là kết quả của sự tương tác giữa sóng điện từ với các điện tử và ion
trong vật liệu. Trường tán xạ được định dạng bởi các tính chất của vật liệu như hệ số
điện thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật thể và tần số của sóng tới.
Ở tần số vô tuyến, các kim loại hoạt động như một vật dẫn hoàn hảo và có rất

nhiều các điện tử tự do, các điện tử này rất dễ dao động để cộng hưởng với tần số của
sóng tới và tạo ra một sóng mới (sóng tán xạ) có cùng tần số và biên độ với sóng tới.
Kim loại không những phản xạ tốt các sóng ánh sáng mà còn phản xạ rất tốt cả với
những bức xạ vi ba. Có thể thấy rằng kim loại gần như không làm tiêu hao năng
lượng của sóng tới và được coi như một vật phản xạ hoàn hảo các sóng vi ba.
Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng không chứa các điện tử tự do
nên sự dao động của các điện tử không được lan truyền từ nguyên tử này sang
nguyên tử khác trong vật liệu. Tuy nhiên hiện tượng cộng hưởng vẫn có thể xảy ra
khi sóng điện từ tương tác với mômen spin hoặc mômen lưỡng cực điện của các ion
và nguyên tử trong vật liệu. 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.
Sóng điện từ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng
khác nhau; các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải các phương
trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt. Chỉ số khúc xạ có thể được xác định
bằng biểu thức [5]:
n=

r r

8


Trong đó: r,

r

tương ứng với độ điện thẩm và từ thẩm tương đối, cả hai đại

lượng này đều là số phức và có biểu thức như sau:
r

r

' i r ''

r

r

' i r ''

Trở kháng nội tại Z của vật liệu được xác định:
Z

Lưu ý rằng, trong không gian tự do độ điện thẩm và từ thẩm tương đối có giá
trị tương ứng là 0 = 8,85.10

-12

-7

F/m và µ0 = 4π.10 H/m. Vì vậy, trở kháng nội tại của

không gian tự do có thể tính được như sau:
Z

Một trong những cách để giảm thiểu phản xạ từ bề mặt, đó là xem xét các
phương trình vật lý đặc trưng cho sự phản xạ. Có bốn điều kiện để cho kết quả phản
xạ đạt giá trị tối thiểu. Phương trình cần quan tâm đầu tiên là phương trình biểu thị hệ
số phản xạ tại tại bề mặt.
0

0

Trong đó: là hệ số phản xạ và là giá trị đặc trưng của môi trường tới (môi
trường tới bất kỳ hoặc không khí). Giá trị đặc trưng của môi trường trong phương
trình này có thể được thay thế bằng trở kháng nội tại Z = 1/ . Hệ số phản xạ giảm về
không khi = 0, hay nói cách khác các lớp vật liệu này phải có trở kháng đầu vào phù
hợp với môi trường tới. Trong phép đo trong không gian tự do, trở kháng đầu vào của
lớp vật liệu theo lý thuyết đường truyền được xác định bởi công thức sau:

r

r

(1.7)

Z Z0

Vì vậy, một vật liệu có trở kháng đầu vào bằng Z Z0 = 377 Ω thì sẽ không
phản xạ sóng vi ba nếu môi trường tới là môi trường không khí. Phương pháp phối


9


hợp trở kháng lý tưởng có thể có được nếu độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau. Đây
chính là điều kiện thứ hai để có kết quả của sự phản xạ tối thiểu. Trong trường hợp
này phương trình (1.6) được viết lại như sau:

Bình thường thì trở kháng nội tại sẽ là

Trong đó:

r

thực và ảo của độ điện thẩm và độ từ thẩm phức. Nếu môi trường tới là không gian tự
do và không có phản xạ, thì khi đó ta có r = r. Có nghĩa là cả hai thành phần thực và
ảo của độ từ thẩm và điện thẩm là bằng nhau, khi đó hệ số phản xạ bằng không.
Điều kiện thứ ba, đây là trường hợp đặc biệt vì mẫu hấp thụ được phủ lên đế là
tấm kim loại, ta thấy có sự tổn hao sóng điện từ khi sóng truyền vào trong môi trường
-d

hấp thụ. Công suất tổn hao của sóng tỉ lệ với khoảng cách theo hàm số e .
là hệ số tổn hao của vật liệu và có biểu thức như sau:

Trong đó: a ' ' '' '' và b ' '' '' ' . Để có công suất tổn hao lớn trong khi độ dày nhỏ
thì phải lớn, có nghĩa là ’, ’’, ’, ’’ phải lớn. Cần lưu ý rằng điều kiện này phải phù hợp
với điều kiện đầu tiên (phương trình 1.6). Ở đây giá trị của độ từ thẩm và điện thẩm

lớn thì sẽ làm tăng khả năng khử phản xạ.
Cuối cùng, để sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu hấp thụ tự triệt tiêu lẫn
nhau, thì pha của hai sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật liệu này phải lệch pha nhau
là π. Điều này được biết đến như một điều kiện phối hợp pha hay điều kiện


10


phối hợp một phần tư bước sóng. Hiệu ứng này xảy ra khi độ dày mẫu thỏa mãn điều
kiện: d (2n 1)c /(4 f

r r)

, n = 0, 1, 2, …

1.2. Các cơ chế hấp thụ sóng vi ba
Trên thực tế thì bất kỳ một loại vật liệu nào cũng đều hấp thụ năng lượng của
sóng điện từ khi truyền qua chúng. Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo
nhiều cơ chế khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của từng vật liệu. Trong thực tế, hầu
hết các vật liệu hấp thụ sóng vi ba đều được thiết kế dựa trên ba cơ chế hấp thụ cơ
bản: tổn hao xoáy, tổn hao điện môi và tổn hao từ.
- Tổn hao xoáy (còn gọi là dòng Foucault) là cơ chế hấp thụ cơ bản của các

vật liệu dẫn điện. Điện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng
lượng của dòng Foucault thành nhiệt năng.
- Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ thông qua sự phân cực tần số cao của

các dipole lưỡng cực điện. Do năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển hóa
thành nhiệt, hiện tượng này được gọi là đốt nóng điện môi (dielectric heating). Đây

cũng chính là nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng.
- Hiện tượng đốt nóng từ (magnetic heating) cũng xảy ra khá tương tự với đốt

nóng điện môi khi một vật liệu từ được đặt trong môi trường sóng vi ba: các mômen
spin bị phân cực ở tần số cao, gây tổn hao và vì thế tỏa nhiệt.
1.2.1. Cơ chế tổn hao điện môi
Vật liệu điện môi được xác định là vật liệu cách điện và dễ bị phân cực khi đặt
trong điện trường [13] và đây chính là nguồn gốc của tổn hao điện môi. Phân cực có
thể xảy ra do sự quay lưỡng cực điện, dịch chuyển điện tử, ion hóa và các hiệu ứng
nhiệt [16]. Quá trình quay của các lưỡng cực điện làm cho các nguyên tử và ion dao
động, gây tổn hao và sinh nhiệt. Tuy nhiên, sự quay của lưỡng cực điện không phải
thay đổi một cách tự do, mà nó cần phải thắng được lực ma sát, năng lượng sẽ bị tổn
hao trong quá trình ma sát và va chạm giữa các phân tử. Nhiệt lượng tổng cộng được
tạo ra bởi quá trình này liên quan trực tiếp đến khả năng liên kết của chính bản thân
các phân tử và liên quan đến tần số của điện trường ngoài [12]. Ở

11


vùng tần số rất cao, lưỡng cực không kịp định hướng theo điện trường bên ngoài, do
đó hiệu ứng tổn hao và đốt nóng không xảy ra.
Hằng số điện môi ( ) được định nghĩa là tỉ số giữa mật độ thông lượng điện
(D) và cường độ điện trường (E): Hằng số điện môi chỉ ra khả năng phân cực của vật

liệu theo cường độ điện trường.
D= E
Hằng số điện môi tương đối ( r) (thông thường đối với không gian tự do là
0

= 8,85.10

-12

F/m) được định nghĩa:
r

= /0

Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi
phục ( ) của các lưỡng cực điện. Hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi chu kỳ biến đổi
của điện trường ngoài bằng với tần số hồi phục của lưỡng cực. Đối với chất điện môi
đồng nhất, thời gian hồi phục bao gồm thời gian định hướng của lưỡng cực điện và
đảo hướng lưỡng cực điện khi thay đổi hướng của điện trường ngoài [9].

Lưỡng cực điện

Nguyên tử
Điện tử

Ion dẫn

Vi ba

f (GHz)
Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số [11].
Hằng số điện môi đạt tới giới hạn khi tăng tần số. Vượt qua giới hạn ở tần số
cao, hằng số điện môi gần như không thay đổi do các lưỡng cực điện rơi vào

12