(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN TIẾN LÂM

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VẬT LIỆU META
CÓ KÍCH THƯỚC SIÊU NHỎ HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ
TRONG VÙNG TẦN SỐ LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX
Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN
Mã số: 8.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. Vũ Thị Hồng Hạnh

2. TS. Bùi Xuân Khuyến

THÁI NGUYÊN - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Vũ Thị Hồng Hạnh và TS. Bùi Xuân Khuyến. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên
cứu khác.
Học viên

Trần Tiến Lâm

i

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Vũ Thị
Hồng Hạnh và TS. Bùi Xuân Khuyến. Thầy Cô đã luôn tận tình hướng dẫn, định
hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn GS. TS. Vũ Đình Lãm (Học viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam), TS. Bùi Sơn Tùng, TS. Nguyễn Thị Hiền, CN.
Nguyễn Vân Ngọc đã giúp đỡ và trao đổi các ý tưởng khoa học liên quan đến
các công trình của luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong Nhóm nghiên cứu
Metamaterials tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tại nghiên
cứu tại Viện.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Ban giám hiệu cùng Thầy Cô
trong Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã dày công trang bị
tri thức, tạo mọi điều kiện thuận lợi cùng môi trường mô phạm hiện đại giúp cho
tôi trưởng thành hơn trong quá trình học tập.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè cùng đồng
nghiệp đã luôn ở bên cạnh động viên tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Học viên

Trần Tiến Lâm

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii

MỤC LỤC............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .............................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. v
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 5

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa ..................................................... 5
1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu biến hóa ........................... 8
1.3. Định nghĩa và phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng
điện từ .................................................................................................... 11
1.4. Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa .................................................... 13
1.5. Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ .......................... 14
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................... 17

2.1. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 18
2.2. Phương pháp chế tạo ............................................................................. 20
2.3. Phương pháp đo đạc .............................................................................. 22
Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN NGOẠI VI LÊN ĐẶC
TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA .................... 24

3.1. Tích hợp MPA với tụ điện và cuộn cảm ............................................... 24
3.2. Điều khiển dải tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa trong vùng tần
số WIMAX/WLAN ....................................................................................... 31
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 37
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................. 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 40

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

CST

Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính

CW

Cut - Wire

Dây bị bắt

MM

Metamaterial

Vật liệu biến hóa

MPA

Metamaterial Perfect Absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối

SRR

Split - Ring Resonator

Vòng cộng hưởng có rãnh

TE

Transverse Electric

Điện trường ngang

TM

Transverse Magnetic

Từ trường ngang

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1:

So sánh cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa ......... 7

Hình 1.2:

Sơ đồ mô tả các tín hiệu phát (a) và tín hiệu thu (b) từ hai phía
của môi trường ................................................................................ 8

Hình 1.3:

(a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở vùng tần số GHz; (b)
Phổ phản xạ và truyền qua tương ứng............................................. 9

Hình 1.4:

Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến
hóa có chiết suất âm ...................................................................... 10

Hình 1.5:

Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình. Nhờ cách sắp xếp
các lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau (hình a) một
cách hợp lý xung quanh vật thể, ánh sáng có thể bị bẻ cong không
phản xạ (hình b) vì vậy vật thể trở nên "tàng hình" ......................... 11

Hình 1.6:

(a) Các thành phần cấu thành nên vật liệu biến hóa hấp thụ
tuyệt đối sóng điện từ (từ trái sang phải): vòng cộng hưởng có
rãnh (SRR), thanh kim loại bị cắt (CW) và cấu trúc kết hợp
MPA; (b) So sánh phổ hấp thụ trong trường hợp mô phỏng
(đỏ), thực nghiệm (xanh lục) và tính toán (nét đứt) và độ hấp
thụ thay đổi theo góc tới của sóng điện từ. ................................... 12

Hình 1.7:

Một số ứng dụng nổi bật của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng
điện từ trong thực tế, từ trái sang phải: Cảm biến y sinh, vi
nhiệt kế và ảnh nhiệt ................................................................... 15

Hình 2.1:

Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn ............................... 17

Hình 2.2:

Hình ảnh minh họa phần mềm thương mại CST .......................... 19

Hình 2.3:

Quy trình và hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa tại IMS ............ 20

Hình 2.4:

Các bước chế tạo vật liệu biến hóa ............................................... 21

Hình 2.5:

Một số mẫu chế tạo bằng phương pháp quang khắc mạch in
tiêu chuẩn với các cấu trúc hình dạng khác nhau.......................... 22

v


Hình 2.6:

Hệ đo Vector Network Analyzer Rodge & Schawarz ZNB20
đặt tại Viện Khoa học vật liệu. Ký hiệu θ là góc tới của sóng
điện từ đến bề mặt mẫu MPAs ...................................................... 23

Hình 3.1:

(a) Sơ đồ thiết kế của ô cơ sở MPA được đề xuất. Sự phụ thuộc
của độ hấp thụ mô phỏng theo sự biến đổi của (b) tụ điện và
(c) cuộn cảm được tích hợp tại các rãnh của cấu trúc MPA đề
xuất ................................................................................................ 25

Hình 3.2:

Phổ hấp thụ mô phỏng theo góc tới của sóng điện từ trong
trường hợp phân cực (a) TE và (b) TM, trong trường hợp chỉ
tích hợp tụ điện C = 200 pF........................................................... 26

Hình 3.3:

Phổ hấp thụ mô phỏng theo góc tới của sóng điện từ trong
trường hợp phân cực (a) TE và (b) TM, trong trường hợp chỉ
tích hợp cuộn cảm L = 200 nH...................................................... 26

Hình 3.4:

Mô phỏng sự phân bố 3 chiều cho năng lượng từ trường cảm ứng
và năng lượng tổn hao tại tần số (a) - (b) 106,3 MHz và (c) - (d)
1,9 GHz .......................................................................................... 27

Hình 3.5:

Thiết kế cấu trúc ô cơ sở (bên trái) và mẫu chế tạo (bên phải)
của MPA tích hợp với hai loại tụ điện để đạt được hấp thụ đỉnh
kép tại 106 MHz và 123 MHz ....................................................... 28

Hình 3.6:

So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm trong các trường hợp
góc tới TE: (a) 5o, (b) 15o, (c) 30o, (d) 45o và (e) 55o.................... 29

Hình 3.7:

Mô hình điều khiển độ hấp thụ của BMPA đa lớp. D1 và D2
tương ứng là đường kính của đĩa tròn tại vị trí trên cùng và
dưới cùng của hình nón cụt. t1 và L tương ứng là chiều dày của
đế điện môi (FR-4) và chiều cao của mực nước tích hợp vào
không gian giữa các ô cơ sở .......................................................... 31

Hình 3.8:

Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ cao (L) của môi trường
nước được tích hợp vào trong cấu trúc BMPA ............................. 32

vi


Hình 3.9:

Phân bố mật độ dòng điện cảm ứng tại tần số 4.7 GHz trong
trường hợp L = 3 mm .................................................................... 33

Hình 3.10: Phân bố năng lượng (a) điện trường cảm ứng và (b) từ trường
cảm ứng tại tần số 4.7 GHz trong trường hợp L = 3 mm.............. 34
Hình 3.11: Phổ hấp thụ mô phỏng với (a) sự thay đổi của góc tới và (b)

góc phân cực của sóng điện từ trong trường hợp L = 1 mm ......... 35

vii


MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong việc tìm
kiếm và nghiên cứu vật liệu mới diễn ra rất sôi động trong nước cũng như trên
toàn thế giới. Mục tiêu của cuộc cách mạng này hướng đến việc tìm ra các loại
vật liệu mới với hiệu năng sử dụng cao, dễ dàng sản xuất thương mại với chi phí
rẻ và có tính chất điện từ vượt trội hơn so với vật liệu truyền thống. Trong quá
trình nghiên cứu, xuất phát từ các mô hình tính toán lý thuyết, các nhà khoa học
đã tìm ra và kiểm chứng một loại vật liệu nhân tạo mới có tên là vật liệu biến hóa
(Metamaterials - MMs) mà tính chất điện từ của chúng được điều khiển bằng
cách sắp xếp các cấu trúc cộng hưởng (giả nguyên tử) khác nhau [27]. Hiện nay
đã có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về MMs, điển hình như tại Việt
Nam đang triển khai nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm đối với các MMs
chiết suất âm, MMs trong suốt cảm ứng điện từ và MMs và dẫn truyền năng
lượng không dây dựa trên MMs.
Ngoài ra, một trong số các hướng nghiên cứu có tiềm năng lớn là vật liệu
biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers MPAs). Vật liệu này được đề xuất và chế tạo lần đầu tiên vào năm 2008 bởi
Landy và các cộng sự. Landy đã chỉ ra rằng, nếu đồng thời điều khiển được ɛeff
= µeff và duy trì cộng hưởng điện (hoặc từ) mạnh thì MMs sẽ hấp thụ gần như
tuyệt đối sóng điện từ trong một thể tích không gian siêu nhỏ (chiều dày có thể
giảm xuống λ/30 so với bước sóng hấp thụ). Khám phá này đã vượt qua các
giới hạn về kích thước vật liệu hấp thụ truyền thống (λ/4) nên đang được rất
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển cho các ứng dụng
quốc phòng an ninh, y sinh [36]. Bên cạnh đó, MPAs còn có rất nhiều ưu điểm
như mỏng nhẹ, dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ dàng điều khiển tính chất điện từ
dựa trên tác động ngoại vi cũng như dễ dàng tích hợp với các thiết bị điện tử

như bộ lọc tần số [1], cảm biến y sinh [35].
1


Với các tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng cao trong thực tế, vật liệu
biến hóa đã thu hút được sự quan tâm không nhỏ của các nhà nghiên cứu khoa
học trong và ngoài nước. Thống kê cho thấy số lượng các bài báo và công trình
nghiên cứu khoa học trong nước và quốc tế tăng lên nhanh chóng trong thời gian
gần đây. Tại Việt Nam, các nhóm nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã và đang dần
tiếp cận các mô hình mới của MPAs ở dải tần số thấp cho định hướng ứng dụng
trong thông tin liên lạc - viễn thông. Trong đó, tiên phong là nhóm nghiên cứu
MMs tại Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam (IMS - MetaGroup) của GS. TS. Vũ Đình Lãm đã phát triển cùng bề dày
kinh nghiệm trong mô phỏng - chế tạo và đo đạc.
Những năm gần đây, chính phủ các nước phát triển cũng đã ưu tiên sử dụng
công nghệ cao vào các lĩnh vực giáo dục, nông nghiệp, y tế, … đặc biệt là công
nghệ viễn thông. Nhận thấy tầm quan trọng và xu hướng phát triển của MMs,
Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 66/2014/QĐ-TTg và 13/2017/QĐ-TTg
về việc phê duyệt và sửa đổi, bổ sung danh mục công nghệ cao được ưu tiên đầu
tư phát triển và danh mục sản phẩm công nghệ cao được khuyến khích phát triển,
trong đó có Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, quang điện tử, quang tử và siêu
vật liệu biến hóa (Metamaterials). Trong đó, công nghệ giao tiếp trường gần hiện
đang chiếm phần lớn thời gian và tâm huyết của các nhà nghiên cứu và phát triển
ứng dụng nhằm tìm ra những giải pháp mới cho các thiết bị đa năng với kích
thước nhỏ gọn mà vẫn duy trì được hiệu suất hoạt động ổn định trong phạm vi
rộng. Do đó, vật liệu biến hóa hiện đang là giải pháp tiên phong trong lĩnh vực
nghiên cứu và ứng dụng tại vùng tần số thấp. Đã có rất nhiều các đề xuất hiệu
quả nhằm thu nhỏ kích thước ô cơ sở của MPAs định hướng cho các ứng dụng
trong vùng tần số Rada và vô tuyến như: công nghệ nhận dạng bằng tần số vô

2


tuyến (RFID) chụp ảnh và phân bố năng lượng 2-D, dẫn truyền năng lượng không
dây đối với các thiết bị điện tử [3, 4, 21, 37, 38, 41].
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng thực tế tại vùng tần số thấp, việc thu nhỏ
cấu trúc MPAs vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu do hoạt
động của chúng được quyết định bởi các cộng hưởng nội tại (hình dạng của cấu
trúc cộng hưởng). Trong khi đó, kết quả tính toán các mô hình cấu trúc cho thấy
khó có thể duy trì được các đặc tính, tính chất mong muốn khi kích thước của ô
cơ sở trở nên nhỏ hơn. Sự phụ thuộc của tần số hoạt động vào góc tới của sóng
điện từ cũng là một trở ngại không nhỏ đối với mô hình vật liệu biến hóa trong
khi thực tế đòi hỏi các thiết bị phải hoạt động ổn định với góc tới lớn của sóng
điện từ (tối thiểu nằm trong khoảng từ 30o - 50o). Do đó, các nghiên cứu gần đây
đã bước đầu tập trung phát triển nhằm giải quyết vấn đề này. Kết quả thu được
từ những mô hình mới đã cho thấy lợi thế về kích thước nhỏ của MPAs (chiều
dài λ/94 đến λ/816) và hoạt động ổn định của chúng với góc tới lớn (có thể tới
50o) tại vùng tần số vô tuyến (0.1 - 0.4 GHz) [9]. Hướng đến khả năng tương
thích các thiết bị điện tử hiện đại (đồng hồ thông minh, máy nghe nhạc, điện
thoại di động…), chúng tôi vẫn đang nghiên cứu cải tiến nhằm đạt được các mô
hình hiệu quả hơn có thể đồng thời duy trì được kích thước siêu nhỏ của ô cơ sở
và hoạt động ổn định trong phạm vi rộng của sóng điện từ tại vùng tần số cao
hơn từ 0.7 - 6 GHz (bao gồm cả vùng LTE/ Bluetooth/ WiMAX).
Với lý do trên, luận văn này tập trung giải quyết vấn đề sau: “Thiết kế và
mô phỏng vật liệu Meta có kích thước siêu nhỏ hấp thụ sóng điện từ trong
vùng tần số LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX”. Kết quả thu được của luận văn
hứa hẹn sẽ góp phần đáng kể trong việc tìm ra và hiện thực hóa các thiết bị điện
tử mới và tiên tiến dựa trên vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số vô tuyến.

3

Luận văn sẽ được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô hình
hóa và chế tạo cùng với các phép kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Làm rõ cơ chế hoạt động của các mô hình MPAs hoạt động trong vùng
tần số thấp.
- Tối ưu kích thước cấu trúc ô cơ sở siêu nhỏ của MPAs hoạt động trong
vùng tần số thấp dựa trên sự tích hợp với linh kiện điện tử ngoại vi (tụ điện, cuộn
cảm).
- Đề xuất các mô hình điều khiển đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của MPAs
ở dải tần số thấp.
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan
Trình bày khái niệm về vật liệu biến hóa, các đặc trưng cơ bản và ứng
dụng của loại vật liệu này.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Tóm tắt các phương pháp nghiên cứu đối với vật liệu biến hóa bao gồm
các phương pháp tính toán, mô phỏng, chế tạo và đo đạc.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Trình bày các kết quả nghiên cứu đối với một số mô hình MPAs điển hình,
làm rõ cơ chế hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng như cơ chế điều khiển biên độ
và tần số hấp thụ dựa trên các tác động (tích hợp vật liệu) ngoại vi.

4


Chương 1
TỔNG QUAN
Để có cái nhìn tổng quan hơn về vật liệu biến hóa, trong chương này, tác

giả sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về vật liệu biến hóa, nguyên tắc để tạo
ra vật liệu biến hóa, lịch sử hình thành và một số hướng nghiên cứu chính về vật
liệu biến hóa tần số thấp trong thời gian gần đây. Đặc biệt, mang lại cái nhìn
khách quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ và mô hình tương tác trường
gần nhằm mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa.
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật trong thời gian gần đây,
con người đã tạo ra những vật liệu nhân tạo mà trong đó, các nguyên tử được sắp
xếp một cách có chủ ý nhằm điều khiển các tính chất điện, từ và quang học của
vật liệu. Loại vật liệu nhân tạo này được đặt tên là “Metamaterials - MMs” hay
“Vật liệu biến hóa”. Vật liệu biến hóa có thể có những tính chất tương tự như các
loại vật liệu truyền thống hay xuất hiện những tính chất hoàn toàn mới chưa từng
được quan sát trong tự nhiên. Chúng hứa hẹn sẽ là một nguồn vật liệu mới với
những tính chất đặc biệt không tồn tại trong vật liệu tự nhiên. Từ đó, MMs đã
làm thay đổi quan niệm trước đây cho rằng: các tính chất vật lý của vật liệu được
quyết định bởi tính chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể trong vật
liệu, những tính chất được mặc định và không thể thay đổi. Trong khi đó, MMs
được hình thành từ các thành phần riêng biệt với những hình thái đặc trưng kết
hợp với nhau để tạo nên các “giả nguyên tử” (meta-atom) quyết định tính chất
chung của cả khối vật liệu.
Các nguyên tử trong vật liệu biến hóa được đặt trên các ô cơ sở có kích
thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Trong một môi trường
“đồng nhất” như vậy, sóng điện từ khi được chiếu đến vật liệu sẽ tương tác với
từng thành phần vi mô cấu thành, tạo ra các mô men cảm ứng điện từ và từ đó

5


trực tiếp ảnh hưởng đến độ điện thẩm và độ từ thẩm ở cấp độ vĩ mô của MMs.

Bằng việc sắp xếp vị trí và thay đổi độc lập các tham số của các thành phần cấu
thành vật liệu, ta có thể tùy ý điều khiển tính chất điện từ của vật liệu biến hóa
và tạo ra những hiện tượng thú vị chưa từng có trong tự nhiên như tính chiết suất
âm [34], nghịch đảo định luật Snell [40], nghịch đảo hiệu ứng Dopler [2], vv. Sự
tương quan giữa cấu trúc của vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa được thể
hiện trong Hình 1.1. Theo đó, vật liệu biến hóa về cơ bản có cấu trúc tương tự
như vật liệu truyền thống, tuy nhiên, các “nguyên tử” cấu thành nên vật liệu biến
hóa (thường được mô hình hóa bằng mạch dao động riêng LC) có thể được điều
biến, sắp xếp lại trật tự một cách có chủ đích để tạo ra những tính chất mới không
có sẵn trong vật liệu truyền thống [27]. Về bản chất, vật liệu biến hóa không phải
là vật liệu đồng nhất ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, kích thước của các thành phần
tạo thành cũng như khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với vùng bước sóng
hoạt động. Do đó, dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium
Theory - EMT), ta có thể coi vật liệu biến hóa như một khối đồng nhất với các
thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng đặc trưng cho toàn khối [12]. Việc coi
vật liệu biến hóa là các thành phần riêng lẻ hay một khối đồng nhất thực chất là
hai mặt của cùng một vấn đề được liên kết với nhau bởi thuật toán truy hồi
(retrieval algorithms). Trong nghiên cứu vật liệu biến hóa, ta giả thiết rằng tương
tác của môi trường không đồng nhất với sóng điện từ có thể được mô tả chỉ bằng
hai thông số dạng phức ε và μ. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích thước của
các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng hoạt
động, từ đó tương tác của sóng tới với môi trường được tính bằng trung bình của
các thành phần tạo thành trong không gian.
Khi sóng điện từ tương tác với vật liệu, ta chỉ xem xét ba thành phần: phản
xạ (Reflection - R), hấp thụ (Absorption - A) và truyền qua (Transmission - T).
Ở đây, chúng ta bỏ qua các thành phần nhiễu xạ và tán xạ. Như vậy, ta thấy tổng
năng lượng của ba tín hiệu phản xạ, truyền qua và hấp thụ phải bằng tổng năng

6

lượng của tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R + T + A = 1 (100%).
Từ đó, khi biết được hai trong ba giá trị này thì có thể tính toán được giá trị còn
lại. Trong thực tế, việc xác định R và T rất dễ dàng thông qua các hệ số phản xạ
S11 và truyền qua S21 bằng cách sử dụng các ăng ten ghi nhận tín hiệu đặt ở các
vị trí thích hợp (với 𝑅 = |𝑆11 |2 và 𝑇 = |𝑆21 |2 ). Nhờ vậy, độ hấp thụ được tính
toán theo công thức:
𝐴 =1−𝑅−𝑇

(1.1)

Hình 1.1: So sánh cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa

Cùng với đó, các hệ số phản xạ S11 và truyền qua S21 là các hệ số biểu diễn
mối liên hệ giữa các tín hiệu ghi nhận được với tín hiệu phát ra theo ma trận sau:

7


𝑏
𝑆
( 1 ) = ( 11
𝑆21
𝑏2

𝑆12 𝑎1
)( )
𝑆22 𝑎2

(1.2)

Suy ra
𝑏1 = 𝑆11 𝑎1 + 𝑆12 𝑎2 ,

(1.3)

𝑏2 = 𝑆21 𝑎1 + 𝑆22 𝑎2 ,
Trong đó, a1 và a2 là các tín hiệu phát, b1 và b2 là tín hiệu thu. Chỉ số 1 và 2 trong
công thức ứng với hai phía của môi trường, tương ứng như trong Hình 1.2.

Hình 1.2: Sơ đồ mô tả các tín hiệu phát (a) và tín hiệu thu (b) từ hai phía của
môi trường

Thông thường, để khảo sát sự tương tác của sóng điện từ với vật liệu thì
sóng điện từ chỉ được chiếu đến từ một phía (giả sử chỉ chiếu từ phía môi trường
1 nên a2 = 0), hệ phương trình (1.10) trở thành:
𝑆11 =

𝑏1
𝑏2
; 𝑆21 =
𝑎1
𝑎1

(1.4)

Như vậy, hệ số phản xạ và truyền qua là tỷ số giữa tín hiệu thu được trên
toàn bộ tín hiệu phát ra lần lượt ở cùng phía và khác phía với nguồn phát.
1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu biến hóa

Nhà khoa học Victor Veselago là người đầu tiên đặt nền móng cho sự phát
triển của vật liệu biến hóa vào năm 1968 [34]. Bằng các tính toán lý thuyết, ông
đã chứng minh sự tồn tại một loại vật liệu có chiết suất âm vào năm 1968 dựa

8


trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm
âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số. Sau hơn 30 năm, vào năm 1996 Pendry đã
đưa ra mô hình lưới dây kim loại để hạ thấp tần số plasma về vùng GHz [24].
Đến năm 1999, ông tiếp tục đưa ra mô hình vật liệu có độ từ thẩm âm nhân tạo
đầu tiên dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator - SRR)
[25]. Chỉ một năm sau đó, vào năm 2000, Smith và nhóm nghiên cứu của ông đã
lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm
(n < 0) bằng cách kết hợp hai mô hình trên của Pendry, như quan sát trên Hình
1.3 [29]. Cũng vào năm 2000, Pendry đã chứng minh có thể sử dụng vật liệu biến
hóa có chiết suất âm để tạo ra siêu thấu kính [23].

Hình 1.3: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở vùng tần số GHz; (b) Phổ
phản xạ và truyền qua tương ứng [29]

9


Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa có
chiết suất âm

Điểm khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thường ở
chỗ nó là thấu kính phẳng và nhờ vào chiết suất âm nên nó hoạt động giống như
một thấu kính hội tụ. Đặc biệt, cũng nhờ vào tính chiết suất âm, siêu thấu kính

có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt
(evanescent wave) của sóng tới (Hình 1.4). Vì thế, độ phân giải sẽ được nâng lên
gấp nhiều lần so với các thấu kính quang học truyền thống. Năm 2005, siêu thấu
kính quang học dựa trên vật liệu biến hóa có chiết suất âm đã được Zhang và các
cộng sự chứng minh thành công bằng thực nghiệm [8]. Năm 2006, Pendry đưa
ra mô hình và chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng
điện từ bằng vật liệu biến hóa có tần số hoạt động tại vùng GHz [26]. Trong
nghiên cứu này, vật liệu biến hóa có thể thay đổi chiết suất bằng cách thay đổi
các tham số cấu trúc của ô cơ sở nên nó có thể uốn cong đường đi của sóng điện
từ xung quanh một vật thể. Vì không có sự phản xạ sóng từ vật nên đối với người
quan sát vật này là “tàng hình” (Hình 1.5).

10


Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình. Nhờ cách sắp xếp các
lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau (hình a) một cách hợp lý xung
quanh vật thể, ánh sáng có thể bị bẻ cong không phản xạ (hình b) vì vậy vật thể
trở nên "tàng hình" [26]

Đặc biệt vào năm 2008, hiện tượng hấp thụ toàn bộ năng lượng sóng điện
từ trong MMs đã được khám phá lần đầu tiên bởi Landy và cộng sự [14]. Đến
nay, các công trình nghiên cứu về vật liệu biến hóa đang ngày càng tăng nhanh
trên toàn dải phổ sóng điện từ (từ MHz tới THz) và mang lại nhiều ý nghĩa quan
trọng [9, 18, 19, 31]. Nhờ vậy, tiến trình đưa vật liệu biến hóa vào các ứng dụng
trong đời sống ngày càng trở nên rõ ràng và khả thi hơn.
1.3. Định nghĩa và phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả
năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới và không có thành

phần phản xạ hoặc truyền qua. Do MPA được tạo ra dựa trên cấu trúc cộng hưởng
điện - từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần số
cộng hưởng, độ truyền qua và phản xạ gần như bằng không [14].

11


Hình 1.6: (a) Các thành phần cấu thành nên vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối
sóng điện từ (từ trái sang phải): vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), thanh kim loại
bị cắt (CW) và cấu trúc kết hợp MPA; (b) So sánh phổ hấp thụ trong trường
hợp mô phỏng (đỏ), thực nghiệm (xanh lục) và tính toán (nét đứt) và độ hấp thụ
thay đổi theo góc tới của sóng điện từ [14].

Như đã trình bày ở trên, MPA được đề xuất bởi Landy và cộng sự vào năm
2008 có cấu trúc ô cơ sở bao gồm một vòng cộng hưởng có rãnh ở mặt trước,
một thanh kim loại (CW) ở mặt sau và được ngăn cách bởi lớp điện môi [Hình
1.6 (a)] [14]. Trên phổ hấp thụ của MPA này có xuất hiện một đỉnh hấp thụ đạt
giá trị 96% ở tần số 11.48 GHz trong mô phỏng và 88% thu được từ thực nghiệm,
như quan sát trên Hình 1.3-1(b). Mặc dù trong cấu trúc này, vật liệu có độ hấp
thụ tốt nhưng đây là một cấu trúc khá phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh
vi với sai số tham số cấu trúc dưới 1%. Do vậy, khi áp dụng cấu trúc của Landy
cho vùng tần số cao hơn với kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu đòi hỏi
độ chính xác cao càng trở nên khó khăn. Ngoài ra, với tỷ lệ chiều dày của mẫu
so với bước sóng tại tần số hấp thụ là λ/30 thì vẫn là trở ngại lớn khi áp dụng mô
hình này ở dải tần số MHz.

12


1.4. Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa

Cấu trúc MPAs thường có cấu tạo gồm 3 lớp: lớp thứ nhất là cấu trúc kim
loại được sắp xếp tuần hoàn và điều chỉnh được để thỏa mãn điều kiện phối hợp
trở kháng với môi trường tới nhằm triệt tiêu sóng phản xạ, lớp thứ hai là lớp điện
môi có tác dụng tạo không gian để tiêu tán năng lượng của sóng điện từ bên trong
vật liệu, lớp thứ ba có thể là một tấm kim loại liên tục (trong trường hợp đơn giản
nhất) có tác dụng ngăn chặn sự truyền qua của sóng điện từ. Do cấu thành từ các
cấu trúc cộng hưởng, tần số hoạt động của MPAs được thiết kế thông qua việc
thay đổi các tham số của cấu trúc kim loại ở lớp đầu tiên.
Để giải thích rõ vai trò của từng lớp cấu trúc MPA, hiện nay có hai cơ chế
chính là dựa trên sự phối hợp trở kháng kết hợp với cộng hưởng điện - từ mạnh
và dựa trên giao thoa triệt tiêu. Luận văn sử dụng cơ chế phối hợp trở kháng để
giải thích về sự hấp thụ của các cấu trúc MPA được đề xuất.
Sóng điện từ chiếu tới bề mặt phân cách giữa hai môi trường có thể bị phản
xạ, truyền qua, hấp thụ, nhiễu xạ hoặc tán xạ. Các nhà khoa học đã chứng minh
rằng đối với MPA, tại tần số xảy ra hấp thụ tuyệt đối thì các hiện tượng tán xạ
và nhiễu xạ gần như không đáng kể. Do đó, trở kháng của vật liệu được định
nghĩa theo công thức:
(1.5)

𝑍(𝜔) = √µ(𝜔)⁄ɛ(𝜔) = 𝑍𝑟 + 𝑖𝑍𝑖

Khi đạt được sự hấp thụ tuyệt đối [𝐴(𝜔) = 1], năng lượng điện trường
và năng lượng từ trường của sóng chiếu tới phải hoàn toàn truyền qua mặt
phân cách do sự phối hợp trở kháng giữa vật liệu và môi trường truyền sóng
[𝑍0 (𝜔) = √µ0 ⁄ɛ0 ≈ 377 Ω]. Dựa trên các tham số tán xạ của độ phản xạ
và truyền qua [S11(ω), S21(ω)], ta có thể tính toán độ hấp thụ (A) thông qua
công thức:

13

𝐴(𝜔) = 1 − |𝑆11 (𝜔)|2 − |𝑆21 (𝜔)|2

(1.6)

Trở kháng hiệu dụng của cấu trúc được xác định thông qua công thức [28]:
(1.7)

2
(1 + 𝑆11 )2 − 𝑆21
𝑍(𝜔) = √
2
(1 − 𝑆11 )2 − 𝑆21

Trong đó, 𝑆21 = 0 (do trong vật liệu MPA sóng điện từ không thể truyền
qua lớp kim loại liên tục nằm phía sau cấu trúc). Do đó, công thức tính trở kháng
hiệu dụng được đơn giản hóa thành:
(1.8)

(1 + 𝑆11 )2
𝑍(𝜔) = √
(1 − 𝑆11 )2

Do đó, ý tưởng để tạo ra MPA là thông qua sự kết hợp của hai cơ chế vật
lý chính: sự phối hợp trở kháng của vật liệu với môi trường không khí (để triệt
tiêu phản xạ) và sự tạo ra môi trường đồng nhất có độ tổn hao lớn từ hiện tượng
cộng hưởng điện hoặc cộng hưởng từ (để triệt tiêu thành phần truyền qua).
1.5. Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ là một trong những điểm
nhấn về ứng dụng tương lai của vật liệu biến hóa. Ứng dụng đầu tiên của vật liệu
hấp thụ là bộ phát nhiệt chọn lọc dựa trên nguyên tắc bức xạ nhiệt theo định luật
Kirchhoff [22]. Bên cạnh đó, MPAs có ứng dụng nổi bật về cảm biến và thiết bị
dò bức xạ. Vật liệu biến hóa có thể được tích hợp vào các thiết bị phân tích phổ và
cảm biến giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị này tới các vùng tần
số THz và vùng vi sóng [17, 30, 32, 33]. Ngoài ra, MPAs có thể được ứng dụng
trong thiết kế trực tiếp thành các bộ dò plasmonic ở vùng hồng ngoại gần. Cơ sở

14


cho ý tưởng này là một biến thiên nhỏ cũng có thể gây ra sự thay đổi được đo bằng
đặc tính quang học của cảm biến. Thực nghiệm cho thấy ứng dụng này có hiệu
quả cao hơn nhiều lần so với các thiết bị hiện nay. Ngoài các ứng dụng trên, rất
nhiều các ứng dụng khác nhau của MPA vào nhiều lĩnh vực cũng đang được
nghiên cứu và phát triển. MPA ứng dụng trong các mạch tích hợp photonic, quang
phổ, hình ảnh và điều khiển vi sóng cũng đang được tập trung nghiên cứu bởi
nhiều nhóm trên khắp thế giới [13]. Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano,
khả năng chế tạo MMs hấp thụ ánh sáng mặt trời cũng có triển vọng lớn trong ứng
dụng cho pin mặt trời hiệu suất cao [6].
Với nhiều tính chất ưu việt, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng vật liệu biến
hóa hấp thụ sóng điện từ trong các lĩnh vực khác nhau như khoa học kỹ thuật, vô
tuyến truyền thông. Đặc biệt, nghiên cứu trong luận văn hướng đến vật liệu biến
hóa hấp thụ sóng điện từ với một số ứng dụng nổi bật trong thực tế được thể hiện
trong Hình 1.7.

Hình 1.7: Một số ứng dụng nổi bật của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện
từ trong thực tế, từ trái sang phải: Cảm biến y sinh, vi nhiệt kế và ảnh
nhiệt [15, 16, 20]

Công nghệ thông tin chưa bao giờ phát triển nhanh và mạnh như những năm
gần đây, đặc biệt là công nghệ truyền tín hiệu và dữ liệu. Hiện nay có rất nhiều các
cách truyền dữ liệu tốc độ cao như Bluetooth, WLAN, Wifi,... và đặc biệt mới nhất
là mạng di động 5G. Bên cạnh đó, xu hướng phát triển công nghệ nhằm tối ưu hóa
15


kích thước và hiệu năng truyền tải dữ liệu hiệu suất cao của các thiết bị di động là
mục tiêu hàng đầu được giới nghiên cứu hướng đến hiện nay. Như quan sát trong
Hình 1.8, để đưa MPAs hoạt động ở vùng tần số thấp hơn, một số phương pháp hiệu
quả đang được tích cực phát triển cả về lý thuyết và thực nghiệm như: tích hợp
MPAs với linh kiện điện tử ngoại vi hoặc các vật liệu polymer độ dẫn thấp, tối ưu
cấu trúc dạng đa lớp hoặc cấu trúc đặc biệt [7, 11, 38]. Tuy nhiên, để sớm đưa các
cấu trúc MPAs vào hoạt động trong thực tế, chúng ta vẫn cần tiếp tục phát triển các
cấu trúc đơn giản hơn, mỏng - gọn nhẹ hơn và có khả năng hoạt động ổn định hơn.
Và đây cũng chính là mục tiêu thực hiện của đề tài: tối ưu các cấu trúc MPAs tần
số thấp sử dụng phương pháp tích hợp với linh kiện điện tử (tụ điện, cuộn cảm) và
tận dụng lợi thế của cấu trúc đa lớp, có thể hoạt động dưới góc tới tương đối lớn mà
không phục thuộc vào góc phân cực.

Hình 1.8: Một số cấu trúc hoạt động đơn/ đa dải tần sử dụng cấu trúc dạng: (a)
tích hợp với linh kiện điện tử; (b) cấu trúc hình zigzag làm tăng độ tự cảm hiệu
dụng; (c) tích hợp với polymer dẫn và (d) cấu trúc đa lớp để mở rộng dải tần số
hoạt động [7]
Chương 2

16

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các phương pháp nghiên cứu chính tính chất điện từ của vật liệu biến hóa
hấp thụ sóng điện từ sử dụng trong luận văn là: phương pháp mô phỏng, phương
pháp thực nghiệm và phương pháp đo đạc. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu được
trình bày trên Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn
Xuất phát từ các ý tưởng vật lý, cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết
kế, mô phỏng để thu được các đặc tính của sóng điện từ khi đi qua vật liệu như:
phổ truyền qua, phổ phản xạ... Thông qua các thông số này, vị trí các tần số
cộng hưởng điện - từ hoàn toàn có thể xác định được. Song song với quá trình
mô phỏng, quá trình tính toán lý thuyết dựa trên mô hình mạch điện LC cũng
được thực hiện nhằm mục đích xác định các vị trí tần số cộng hưởng điện, từ
để so sánh đối chiếu với kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng. Thông
thường, để tiết kiệm chi phí trong việc chế tạo và đo đạc, kết quả của hai phương
pháp này được so sánh với nhau, từ đó tìm ra được quy luật và cơ chế giúp cho

17