Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu meta (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Thành Việt

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA
CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Thành Việt

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA
CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu
2. PGS. TS. Vũ Đình Lãm

Hà Nội – 2015


2

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận án là trung thực và chưa được công bố trong các cơng trình khác.

NGHIÊN CỨU SINH

ĐỖ THÀNH VIỆT


3

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. Nguyễn Văn
Hiếu và PGS. TS. Vũ Đình Lãm. Là những người hướng dẫn, các thầy đã luôn định hướng
kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất cả về vật chất và tinh thần để tơi có thể hồn thành
đề tài nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Tùng, là người đồng đội, người anh em,
người đi trước trong lĩnh vực nghiên cứu, đã giúp đỡ, hướng dẫn, sát cánh khi tôi thực hiện
luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Itims đã tạo cơ hội, đào tạo và tạo điều kiện trong q
trình tơi học tập và nghiên cứu luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Cơng nghệ quân sự và
Viện Vật lý kỹ thuật - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, đã tạo điều kiện cho tôi về
thời gian và công việc tại cơ quan, tạo thuận lợi để tôi thực hiện luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thí nghiệm siêu cao tần - Viện Radar - Viện Khoa học

và Công nghệ quân sự đã tạo điều kiện, giúp tôi trong đo đạc khảo sát kết quả thực nghiệm
của luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn NCS. Phạm Văn Tưởng, NCS. Bùi Sơn Tùng, NCS. Nguyễn
Thị Hiền, NCS. Phạm Thị Trang... và các thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ,
tương trợ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm.
Tơi xin chân thành cảm ơn NCS Đỗ Đăng Trung, NCS. Nguyễn Đức Khống... và các
thành viên nhóm nghiên cứu Gas Sensor - Viện ITIMS – Đại học Bách khoa Hà Nội, đã
giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong thời gian tơi sinh hoạt và nghiên cứu tại nhóm.
Luận án này được hồn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài Nafosted (103.022013.54).
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình mình, các cơ quan, cá nhân, đã giúp đỡ, tạo điều
kiện tốt để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này.

NGHIÊN CỨU SINH

ĐỖ THÀNH VIỆT


4

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................. 15
1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta .......................................................................15
1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta ...............................................................17
1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta ....................................................................20
1.4 Mơ hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta ............................22

1.5 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ (MPA) ........................................................26
1.5.1 Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba ......................................................... 26
1.5.2 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu................................................................ 31
1.5.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ .......................................................... 34
1.6 Mục tiêu nghiên cứu của luận án ........................................................................36
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................. 38
2.1 Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta .........................38
2.1.1 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 38
2.1.1.1 Phương pháp mạch điện tương đương .............................................. 38
2.1.1.2 Phương pháp mô phỏng.................................................................... 39
2.1.1.3 Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 43
2.1.1.4 Phương pháp tính tốn...................................................................... 44
2.1.1.5 Phương pháp lý thuyết môi trường hiệu dụng ................................... 45
2.1.2 Chế tạo MPA........................................................................................... 46
2.2 Quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz .......................49
2.2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu ................................................................... 49
2.2.2 Công nghệ chế tạo ................................................................................... 51
2.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu ..................................................... 51
2.2.2.2 Quy trình chế tạo mẫu ...................................................................... 52
2.2.3 Phương pháp mô phỏng ........................................................................... 51
2.2.4 Phương pháp đo đạc ................................................................................ 54
2.2.5 Phương pháp tính tốn ............................................................................. 56
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU HĨA CẤU TRÚC MPA .............................................. 60
3.1 MPA cấu trúc chữ I...............................................................................................60
3.1.1 Tính chất hấp thụ sóng điện từ ................................................................. 60


5

3.1.2 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ - cấu trúc chữ I..... 67

3.1.3 Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ .................... 68
3.2 MPA cấu trúc CW ................................................................................................69
3.2.1 Cấu trúc ơ cơ sở....................................................................................... 69
3.2.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ ................................................................. 69
3.3 MPA cấu trúc dấu cộng........................................................................................71
3.3.1 Cấu trúc ơ cơ sở....................................................................................... 71
3.3.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ ................................................................. 72
3.3.3 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ ...................... 73
3.4 MPA cấu trúc đĩa trịn .........................................................................................74
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4

Cấu trúc ơ cơ sở....................................................................................... 74
Tính chất hấp thụ sóng điện từ ................................................................. 74
Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ ............................. 75
Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ ...................... 79

3.5 MPA cấu trúc vòng tròn.......................................................................................81
3.6 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ ................................................................................82
3.7 Kết luận ..................................................................................................................86
CHƯƠNG 4. MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG ..................................................... 87
4.1 Cấu trúc MPA eSRR hai đỉnh hấp thụ...............................................................87
4.2 Cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le hấp thụ dải rộng.................................90
4.3 MPA siêu ô cơ sở ...................................................................................................92
4.4 Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động ở vùng tần số GHz ..96
4.5 Kết luận ..................................................................................................................98
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 99
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

PHỤ LỤC


6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MMs

:

metamaterials

MPA

:

metamaterial perfect absorber

CWP

:

cut-wire pair

SRR

:

split-ring resonator

eSRR

:

single electric split-ring resonator


7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tham số Drude cho các kim loại thường dùng cho thiết kế. .............................. 40


8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 ..................................... 16
Hình 1.2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA ............................................. 17
Hình 1.3. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, .............................................. 20
Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu Meta .............. 21
Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu Meta ........................ 21
Hình 1.6. (a) Ô cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim loại hữu
hạn; (b) mạch tương đương LC của cấu trúc....................................................... 23
Hình 1.7. (a) Ơ cơ sở CWP và phân cực của sóng điện từ trong trường hợp xảy ra
cộng hưởng từ; (b) Phổ truyền qua của vật liệu Meta .............................................. 24
Hình 1.8. Cấu trúc nối tắt của CWP ....................................................................... 25
Hình 1.9. Sự phụ thuộc của độ từ thẩm vào tần số trong cấu trúc CWP .................. 25
Hình 1.10. Mơ hình dịng điện tại tần số f m =13.8 GHz và f e = 30.0 GHz ............ 26

Hình 1.11. Phổ bức xạ điện từ và mơ hình truyền sóng điện từ trong khơng gian ... 27
Hình 2.1. Mơ hình mạch cộng hưởng LC tương đương của cấu trúc SRR .............. 38
Hình 2.2. Mơ phỏng đáp ứng điện từ của một MPA hồng ngoại............................. 41
Hình 2.3. Các hằng số điện từ tính tốn từ thiết kế mơ phỏng ................................ 41
Hình 2.4. (a) Thành phần điện trường của vịng cộng hưởng điện và thanh kim
loại hữu hạn (CW) tại tần số cộng hưởng và các dòng đối song được gây bởi từ
trường cảm ứng (b) Cường độ từ trường được tính tốn nằm giữa phần tử cộng
hưởng phía trên và mặt nền. (c) Phân bố tiêu tán năng lượng ................................. 42
Hình 2.5. Phổ truyền qua của ba cấu trúc vật liệu Meta: cấu trúc dây dẫn liên
tục (continuous wires) cho độ điện thẩm âm, cấu trúc CWP cho độ từ thẩm âm,
và cấu trúc kết hợp (combined structure) cho chiết suất âm: (a) Kết quả đo thực
nghiệm và (b) kết quả mơ phỏng ............................................................................ 45
Hình 2.6. Hình ảnh một số MPA khác nhau được chế tạo. ..................................... 48
Hình 2.7. Sơ đồ quy trình nghiên cứu.................................................................... 49
Hình 2.8. Các cấu trúc biến đổi từ SRR ................................................................. 50
Hình 2.9. Hệ thiết bị chế tạo vật liệu Meta ............................................................. 51
Hình 2.10. Quy trình chế tạo vật liệu Meta............................................................. 52
Hình 2.11. (a) Vật liệu Meta chế tạo được có < 0 dựa trên cấu trúc CWP, lớp
đồng có độ dày 36 µm, lớp điện mơi ts = 0.4 mm. (b) Mơ hình cấu trúc CWP, bề
dày lớp đồng là 36 µm, lớp điện mơi td = 0.4 mm. Ơ cơ sở có các tham số cấu
trúc: ax = 5 mm; ay = 11 mm; l = 5.5 mm; w = 1 mm; ts = 0.4 mm. ........................ 53


9

Hình 2.12. (a) Vật liệu Meta có n < 0 chế tạo được có cấu trúc hình , bề dày
lớp đồng là 36 µm, lớp điện mơi td = 0.4 mm. (b) Cấu trúc của ô cơ sở ax = 4.0
mm, ay = 7.6 mm, ls =5.6 mm, ws = 3.2 mm và wn = 0.8 mm. ................................ 54
Hình 2.13. Vật liệu chiết suất âm và cấu trúc ô mạng dạng kết hợp ứng với wwire
= wcutwire = 1.0 mm, lcut-wire = 5.5 mm, ax = ay = 7.0 mm, ts = 0.4 mm...................... 54

Hình 2.14. Hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ ......................................................... 55
Hình 3.1. Cấu trúc vịng cộng hưởng kép do Landy đề xuất năm 2008................... 60
Hình 3.2. Kết quả mô phỏng phổ phản xạ, phổ truyền qua và phổ hấp thụ của
cấu trúc MPA vòng cộng hưởng kép: (a) Mô phỏng và (b) thực nghiệm ................ 61
Hình 3.3. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng hưởng
vào tham số cấu trúc của MPA vịng cộng hưởng kép ............................................... 62
Hình 3.4. MPA cấu trúc hình chữ I: (a) Các tham số cấu trúc: W = 2 mm; C =
2.5 mm; t = 0.6 mm, ax = 4 mm; ay = 7.2 mm; td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm; (b)
ảnh chụp mẫu chữ I ............................................................................................... 63
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng phổ phản xạ, truyền qua và hấp thụ của MPA cấu
trúc chữ I................................................................................................................ 64
Hình 3.6. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của MPA cấu trúc chữ
I ............................................................................................................................. 65
Hình 3.7. Phân bố dịng điện cảm ứng sinh ra tại tần số cộng hưởng của
MPA cấu trúc chữ I ............................................................................................. 65
Hình 3.8. Mơ phỏng mật độ tiêu tán năng lượng tại tần số cộng hưởng của: (a)
lớp đồng hình chữ I, (b) lớp điện mơi ở giữa, (c) lớp đồng phía sau ....................... 66
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng hưởng
vào các tham số của cấu trúc chữ I. .......................................................................... 67
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ ................................. 68
Hình 3.11. Tiến trình đơn giản hố cấu trúc MPA. ................................................. 69
Hình 3.12. MPA cấu trúc CW: (a) Các tham số cẩu trúc ax = 5 mm, ay = 11 mm,
l = 5.5 mm, w = 1 mm, td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm; (b) Ảnh mẫu chế tạo ............ 69
Hình 3.13. (a) Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc CW,
mẫu có tham số cấu trúc l = 5.5 mm và w = 1.0 mm; (b) Khảo sát sự phụ thuộc
tần số hấp thụ vào tham số l và (c) sự phụ thuộc tần số hấp thụ vào tham số w.
Các đoạn thẳng biểu diễn độ rộng nửa cực đại của đỉnh hấp thụ............................. 70
Hình 3.14. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ .... 71
Hình 3.15. MPA cấu trúc dấu cộng với ax = ay = 8.3 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0
mm ........................................................................................................................ 72

Hình 3.16. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc dấu
cộng ....................................................................................................................... 72


10

Hình 3.17. MPA cấu trúc dấu cộng với các tham số cấu trúc: a = 8.3 mm, l = 5.5
mm, w = 1 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ, (b) kết quả mô phỏng sự phụ
thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực φ. Do tính đối xứng nên φ chỉ khảo sát
từ 0 ÷ 450 ............................................................................................................... 73
Hình 3.18. MPA cấu trúc đĩa trịn: (a) ơ cơ sở, phân cực sóng điện từ và (b) mẫu chế
tạo được, các tham số cấu trúc: a = 12 mm, R = 3 mm, td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm ..... 74
Hình 3.19. Kết quả mơ phỏng của MPA cấu trúc đĩa trịn ...................................... 75
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa trịn ... 75
Hình 3.21. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ và tần số cộng
hưởng vào các tham số cấu trúc ............................................................................. 77
Hình 3.22. Mơ hình mạch LC tương đương của cấu trúc đĩa trịn ........................... 78
Hình 3.23. MPA cấu trúc đĩa trịn với các tham số cấu trúc: R = 3 mm, td =
0.4 mm, a = 12 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết quả mơ phỏng sự
phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc phân cực  ....................................................... 79
Hình 3.24. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới θ ................... 80
Hình 3.25. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới ψ .................. 80
Hình 3.26. MPA cấu trúc vịng tròn: (a) Các tham số cấu trúc: a = 8 mm, R =
1.3 mm, td = 0.4 mm, tm = 0.036 mm; (b) Kết quả mơ phỏng ................................. 82
Hình 3.27. Phân bố dòng điện cảm ứng tại tần số cộng hưởng của cấu trúc đĩa
trịn ........................................................................................................................ 83
Hình 3.28. Mơ phỏng mật độ tiêu tán năng lượng sóng điện từ trong (a) lớp đồng
đĩa trịn; (b) lớp điện mơi; (c) lớp đồng phía sau của cấu trúc .................................... 83
Hình 3.29. (a) Phổ hấp thụ ứng với độ dày của đĩa đồng và trở kháng tại độ dày
18 nm; (b) Phân bố năng lượng tiêu hao trên vật liệu Meta .................................... 84

Hình 3.30. (a) Phổ hấp thụ ứng với độ tổn hao của thành phần điện môi và trở
kháng ứng với độ tổn hao bằng 0.09; (b) Phân bố năng lượng tiêu hao trên
vật liệu Meta ......................................................................................................... 85
Hình 4.1. Cấu trúc vịng cộng hưởng điện đơn có rãnh – eSRR: (a) thành phần
cơ sở và các tham số hình học chính của cấu trúc, (b) ơ cơ sở và phân cực sóng
điện từ, (c) mẫu chế tạo với các tham số: r2 = 2.3 mm, r1 = 2.7 mm, w = 0.2
mm, l = 1.6 mm, d = 0.4 mm, ax = ay = 12 mm ...................................................... 87
Hình 4.2. Kết quả mơ phỏng phổ truyền qua, phản xạ và hấp thụ của cấu trúc
eSRR ..................................................................................................................... 88
Hình 4.3. Kết quả mơ phỏng phổ tiêu tán năng lượng trong lớp điện môi cấu
trúc eSRR: (a) ở tần số 11.4 GHz và (b) ở tần số 16.1 GHz.................................... 88
Hình 4.4. Phổ hấp thụ mơ phỏng và thực nghiệm của cấu trúc eSRR ..................... 89
Hình 4.5. Ô cơ sở cấu trúc MPA hấp thụ dải rộng hai thanh kim loại so le ............. 90
Hình 4.6. Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm của cấu trúc MPA hai thanh kim
loại so le ................................................................................................................. 91


11

Hình 4.7. Kết quả mơ phỏng phổ tiêu tán năng lượng trong lớp điện môi cấu
trúc hai thanh kim loại so le: (a) ở tần số 15.28 GHz và (b) ở tần số 15.82 GHz..... 92
Hình 4.8. MPA có 4 đĩa trịn: (a) cấu trúc ơ cơ sở và (b) mẫu chế tạo .................... 92
Hình 4.9. Kết quả nghiên cứu mơ phỏng: (a) phổ hấp thụ của cấu trúc có 4 đĩa
tròn và (b) từ trường cảm ứng tại các tần số cộng hưởng........................................ 93
Hình 4.10. Kết quả mơ phỏng và đo thực nghiệm phổ hấp thụ của cấu trúc có 4
đĩa trịn................................................................................................................... 94
Hình 4.11. Kết quả mơ phỏng phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 4 đĩa tròn và cấu
trúc gồm 9 đĩa trịn ............................................................................................... 95
Hình 4.12. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của cấu trúc gồm 9 đĩa trịn vào góc phân
cực......................................................................................................................... 96

Hình 4.13. (a) Buồng hấp thụ 3D được chế tạo từ mẫu MPA cấu trúc dấu cộng;
(b) Khảo sát tính chất điện từ buồng hấp thụ 3D ở dải tần 12÷18 GHz................... 96
Hình 4.14. Kết quả khảo sát phổ phản xạ và truyền qua buồng hấp thụ 3D ............ 97


12

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu và năng lượng
mới. Việc nghiên cứu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn và rẻ hơn thay thế cho các
vật liệu truyền thống đang là vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới cịn nhằm
mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính chất đặc biệt, tốt hơn so với vật liệu tự
nhiên, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Từ đầu năm 2000, vật liệu Meta
(metamaterials - viết tắt là MMs) xuất hiện như một hướng nghiên cứu rất tiềm
năng trong khoa học vật liệu mới. Vật liệu Meta được tạo thành từ sự sắp xếp tuần
hoàn của những phần tử cơ bản nhân tạo, được thiết kế với mục đích tạo ra những
tính chất điện từ bất thường, khơng tồn tại trong các vật liệu tự nhiên.
Hiện nay có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về vật liệu Meta. Hướng nghiên
cứu đầu tiên và rộng rãi nhất là vật liệu Meta chiết suất âm (negative refractive
metamaterial). Vật liệu Meta chiết suất âm được chế tạo thành công lần đầu tiên
năm 2000 bởi Smith và các cộng sự tại trường Đại học Duke (Hoa Kỳ), đã chứng
minh sự tồn tại của mơi trường chiết suất âm được tiên đốn từ năm 1968. Vật liệu
Meta chiết suất âm có nhiều tính chất vật lý thú vị như: tia khúc xạ nằm cùng phía
với tia tới, ba véc tơ ( ⃗ , ⃗, ⃗) của sóng điện từ lan truyền trong mơi trường chiết

suất âm tạo thành tam diện nghịch (left-handed behavior), véc tơ năng lượng
Poynting ⃗ và véc tơ sóng ⃗ ngược chiều nhau… Cho tới nay, rất nhiều tính chất

đặc biệt khác của vật liệu Meta chiết suất âm được phát hiện và chứng minh bằng
thực nghiệm. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu Meta chiết suất
âm là siêu thấu kính (super lens), được đề xuất bởi Pendry vào năm 2000 và sau đó
được Zhang và các cộng sự chế tạo thành công năm 2005.
Gần đây, một ứng dụng độc đáo khác nữa được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh
vực vật liệu Meta đó là vật liệu “tàng hình” (electromagnetic cloaking). Vật liệu
Meta “tàng hình” được đề xuất và chứng minh tại vùng GHz bởi Schurig và các
cộng sự năm 2006. Bằng cách điều chỉnh các tham số điện từ hiệu dụng một cách
hợp lý, đường đi của tia sáng trong môi trường vật liệu Meta bị uốn cong theo ý
muốn. Nhờ đó, vật thể bị giấu bên trong lớp vỏ vật liệu Meta hoàn toàn trở nên


MỞ ĐẦU

13

“tàng hình” ở một bước sóng nhất định. Ngồi ra, hàng loạt ứng dụng quan trọng
khác của vật liệu Meta cũng được các nhà khoa học đề xuất và tập trung đi sâu
nghiên cứu, như bộ lọc tần số, bộ cộng hưởng, cảm biến … Vì những tính chất đặc
biệt và khả năng ứng dụng to lớn như vậy, vật liệu Meta ngày càng được các nhà
khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của
PGS. TS. Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam là một trong những nhóm tiên phong trong nghiên cứu về vật
liệu Meta và đã thu được một số kết quả nhất định.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án tiến sĩ này, chúng tôi tập trung vào một
tính chất mới được phát hiện và nghiên cứu của vật liệu Meta trong vài năm gần đây,
đó là vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ. Vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối
sóng điện từ có bản chất vật lý khác biệt, và tính năng vượt trội so với các loại vật
liệu hấp thụ truyền thống khác, ví dụ như, tần số hấp thụ được thiết kế và xác định
chính xác trước khi chế tạo, hấp thụ gần như tồn bộ sóng điện từ tới, chiều dày vật

liệu mỏng, chỉ khoảng 1/10 bước sóng, cơ chế hấp thụ tổng quát có thể ứng dụng từ
vùng MHz tới THz…
Mục tiêu của luận án tập trung giải quyết ba vấn đề chính: i) Đưa ra được phương
pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. ii)
Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba và iii)
Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta ở vùng sóng viba bằng cách
mở rộng dải tần hấp thụ.
Với mục tiêu đó, luận án được chia thành 4 chương như sau. Chương I: Tổng
quan - giới thiệu chung về vật liệu Meta và sự hấp thụ sóng điện từ sử dụng vật liệu
Meta. Các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu vật
liệu Meta sẽ được giới thiệu và phân tích trong Chương II. Chương III trình bày về
quy trình tối ưu hóa để tìm kiếm một cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ đơn giản, khơng
phân cực, có thể dễ dàng chế tạo. Đặc tính hấp thụ của cấu trúc vật liệu Meta tối ưu
được chứng minh làm rõ bằng cách đo đặc tính truyền qua và so sánh với kết quả
mô phỏng. Dựa trên cấu trúc tối ưu tìm được, chúng tơi nghiên cứu làm rõ bản chất
của các tương tác phức tạp bên trong quá trình hấp thụ, từ đó cải thiện hiệu suất hấp


14

MỞ ĐẦU

thụ và mở rộng bề rộng vùng hấp thụ của vật liệu Meta là nội dung Chương IV. Các
tính chất của cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ sẽ được chứng minh và làm rõ bằng cả
phương pháp thực nghiệm và mô phỏng ở vùng tần số GHz.


1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta

CHƯƠNG 1.

15

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta
Trong tự nhiên, các tính chất vật lý của vật liệu thường được quyết định bởi tính
chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của những nguyên tử này [5]. Ý
tưởng về sự tồn tại của những nguyên tử nhân tạo được sắp xếp trong các mạng tinh
thể nhân tạo, cho phép con người có thể tạo ra những tính chất mới lạ không tồn tại
trong tự nhiên, từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Với sự phát
triển của khoa học công nghệ, những “siêu ngun tử” có những tính chất đặc biệt,
được tạo ra bằng cách sắp xếp có chủ ý nhiều nguyên tử cùng hoặc khác loại, đã ra
đời từ đầu những năm 80 của thế kỷ trước [33]. Một trong những ví dụ điển hình về
sự thành cơng trong việc tạo ra các tính chất mới của vật liệu bằng cách can thiệp
nhân tạo vào mạng tinh thể có thể kể đến ống nano các bon [53] và gần đây là
graphene [57].
Tuy nhiên, thú vị hơn cả là sự ra đời của vật liệu điện từ nhân tạo Meta. Vật liệu
Meta được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là những mạch cộng hưởng
điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng mà tại đó các tính chất đặc biệt của vật liệu
Meta xuất hiện. Bằng cách thay đổi tính chất và mạng tinh thể (quy luật sắp xếp)
của các “giả nguyên tử” này một cách đồng thời, các nhà khoa học có thể thu được
những tính chất bất thường khơng tồn tại trong vật liệu tự nhiên. Một trong những
tính chất thú vị được tìm kiếm đầu tiên của vật liệu Meta là khả năng tạo ra mơi
trường có chiết suất âm. Về mặt lý thuyết, sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm đã
được đề xuất vào năm 1968 [80], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ
thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε < 0). Tuy nhiên, sau hơn 30 năm kể từ đề
xuất của Veselago, năm 1999, Pendry mới đưa ra mơ hình vật liệu có chiết suất âm
đầu tiên dựa trên cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator) [62]. Sau
đó năm 2000, Smith và cộng sự lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn

tại của vật liệu chiết suất âm (n < 0) bằng vật liệu Meta [66].
Nhưng tính chất khác thường của vật liệu Meta khơng dừng lại ở đó. Nhờ khả
năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu Meta có thể được thiết kế để thay


16

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

đổi tồn diện tính chất truyền sóng điện từ của môi trường. Năm 2006, Pendry một
lần nữa thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học khi đưa ra mơ hình và chứng minh
bằng thực nghiệm sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng điện từ bằng vật liệu Meta tại
vùng GHz [65]. Gần đây nhất, năm 2008, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện
từ (metamaterial perfect absorber - MPA) đầu tiên đã được đề xuất bởi I. Landy.
Cấu trúc MPA gồm ba lớp: hai lớp kim loại và một lớp điện môi được mơ tả trên
Hình 1.1 có độ hấp thụ là A  99% tại tần số 11.65 GHz [40].

(a)

(b)

Hình 1.1. MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 [40]

Khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong
cuộc sống và quân sự khiến cho vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt
hơn. Chỉ trong thời gian ngắn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các cấu trúc vật liệu
MPA hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện từ như: vùng vi sóng,
THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy (Hình 1.2).

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta

17

Hình 1.2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA [84]

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra các vùng sóng điện từ như
sau: vi sóng (1 GHz–30 GHz: 30 cm–1 cm), vùng sóng milimet (30 GHz–300 GHz:
10 mm–1 mm), vùng THz (300 GHz–10 THz: 1mm–30  m), vùng hồng ngoại
giữa (10 THz–100 THz: 30  m–3  m), vùng hồng ngoại gần (100 THz–400 THz:
3  m–0.75  m) và vùng khả kiến (400 THz–800 THz: 750 nm–375 nm).

1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta
Hằng số điện mơi ε và độ từ thẩm µ là hai đại lượng đặc trưng cơ bản để xác định
sự lan truyền sóng điện từ trong vật liệu. Đây là hai tham số đặc trưng của vật liệu
trong phương trình tán sắc:
−

+

=0

(1.1)

Phương trình (1.1) thể hiện mối liên hệ giữa tần số ω của sóng ánh sáng đơn sắc
và vectơ sóng ⃗. Đối với các vật liệu một chiều đẳng hướng thì phương trình tán sắc
ánh sáng (1.1) có thể được viết lại dưới dạng đơn giản sau:
k2 

2

c

2

n2

(1.2)


18

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

với:
n 2 = εμ

(1.3)

Từ phương trình (1.2) và (1.3) ta có thể thấy rằng với sự thay đổi một cách đồng
thời dấu của ε và μ sẽ không ảnh hưởng đến mối tương quan giữa n2 và k2. Tuy
nhiên trong trường hợp vật liệu có giá trị ε và μ cùng âm, khi đó sẽ dẫn đến những
tính chất vật lý kỳ diệu. Những tính chất này hồn tồn khác biệt với tính chất của
các vật liệu thông thường khi ε và μ cùng dương.
Để hiểu rõ hiệu ứng của loại vật liệu này, thì chúng ta sẽ phân tích bắt đầu từ
phương trình Maxwell:
∇× ⃗=−
∇× ⃗=

⃗

1

1

⃗

(1.4)

Với:
⃗=

⃗=

⃗

⃗

(1.5)

Ở đây ε và μ xuất hiện một cách độc lập khác với ở trong các phương trình (1.1),
(1.2) và (1.3) khi ε và μ xuất hiện đồng thời trong một thể tích. Đối với sóng phẳng
đơn sắc, các đại lượng B và D là tỉ lệ với ei(kz-ωt) và do vậy phương trình (1.4) và
(1.5) có thể được rút gọn thành:

 
 
k H   eE
c

   

k  E  H
c

(1.6)

Biểu thức (1.6) rất quan trọng, nó giúp chúng ta hiểu rõ bản chất của vật liệu có
chiết suất âm. Nếu cả ε và μ cùng dương, khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗, ⃗ tạo thành một tam


1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta

19

diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Trong trường hợp ε và μ đồng thời âm,
khi đó 3 vectơ ⃗ , ⃗, ⃗ sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay

trái). Cùng lúc đó, hướng của dòng năng lượng được xác định bởi vectơ Poynting ⃗
không phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:

 c  
S
EH
4

(1.7)

Đối với vật liệu có ε và μ cùng dương, vectơ sóng ⃗ hướng ra từ nguồn phát xạ

(tức là hai vectơ ⃗ và ⃗ song song với nhau). Tuy nhiên trong trường hợp vật liệu có
ε và μ cùng âm, khi đó vectơ sóng ⃗ hướng vào nguồn phát xạ (hai vectơ ⃗ và ⃗ đối

xong). Đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa trường hợp vật liệu có ε
và μ cùng âm với trường hợp vật liệu có hai giá trị ε và μ cùng dương.
Hình 1.3 biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ. Các vật liệu điện môi thơng thường có
ε > 0 và μ > 0 cho phép sóng điện từ có thể lan truyền được trong vật liệu (góc phần
tư thứ nhất). Khi một trong hai giá trị từ thẩm hoặc điện thẩm âm và giá trị cịn lại
dương như ở trong miền khơng gian góc phần tư thứ hai và thứ tư, khi đó sóng điện
từ nhanh chóng bị dập tắt và khơng thể lan truyền trong môi trường. Trong trường
hợp cả ε và μ cùng âm nhưng tích của chúng mang giá trị dương (góc phần tư thứ
3), khi đó sóng điện từ vẫn có thể lan truyền bên trong vật liệu. Mơi trường này
được gọi là vật liệu chiết suất âm.


20

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.3. Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0)
được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3

1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta
Vật liệu Meta thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta quan sát
thấy những tính chất vật lý kì lạ, khơng xuất hiện trong những vật liệu tồn tại sẵn có
trong tự nhiên. Chính vì vậy, việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ mang
lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của vật liệu
này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm ứng, các thiết
bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu Meta nằm ở khả năng điều khiển sóng
điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế.
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề
xuất bởi Pendry [60] như Hình 1.4. Điểm đặc biệt của thấu kính này là có thể vượt

qua giới hạn quang học của các thấu kính cổ điển để cho ảnh hội tụ của hai nguồn
sáng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bước sóng. 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 Meta đã được Zhang và các cộng sự chứng minh
bằng thực nghiệm thành công [23].


1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta

21

Hình 1.4. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu Meta [60]

Một ứng dụng khác là Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith
và Pendry phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm [65].

Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu Meta [61]

Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ vật liệu Meta, đường đi của
sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ cong một cách hồn hảo. Theo ngun lý
đó, lớp vỏ vật liệu Meta có thể dẫn sóng điện từ đi vịng quanh một vật thể, nhờ đó
vật thể trở thành “tàng hình” (xem Hình 1.5). Với ứng dụng này, chúng ta có quyền
nghĩ về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được "bao phủ" bởi nó, thì khơng ai
có thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ. Điều này
tạo nên đột phá lớn, đặc biệt là trong quân sự. Các thí nghiệm của nhóm Smith (Đại
học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng nhìn thấy, các thí nghiệm với
sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy đang được tập trung nghiên cứu.


22

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Ngồi những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu Meta còn tỏ ra rất tiềm
năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số [9,41], cộng hưởng [22,59], cảm biến
sinh học [42,87], đặc biệt là tính hấp thụ tuyệt đối của loại vật liệu này [21,40,90].
Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, kéo theo khả năng chế tạo vật liệu siêu
hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo triển vọng ứng dụng vật liệu Meta làm pin mặt trời hiệu
suất cao [18,50,83].
Tuy nhiên, để biến khả năng ứng dụng của vật liệu Meta thành những ứng dụng
trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách
thỏa đáng. Trước tiên là bằng cách nào để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn giản, dễ
dàng và có tính đối xứng cao, đặc biệt là hoạt động ở vùng tần số THz hay vùng khả
kiến. Tiếp theo là liên quan đến việc mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu,
chế tạo vật liệu khơng phụ thuộc phân cực sóng điện từ, hay việc điều khiển tính
chất của vật liệu bằng các tác động ngoại vi (quang, nhiệt, điện, từ…) cũng đang
được các nhà khoa học quan tâm một cách sâu sắc.
Ở Việt Nam gần đây, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng
nghệ Việt Nam đã có những nghiên cứu bước đầu về tính chất điện từ của vật liệu Meta
ở vùng sóng viba và cho thấy những khả năng ứng dụng hết sức thú vị [72,74,77]. Vật
liệu Meta với tính chất siêu hấp thụ có ưu điểm nổi bật so với các vật liệu hấp thụ thông
thường khác. Do vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu Meta sẽ là tiền đề
cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiệt kế, các
phịng chắn bức xạ cơng nghiệp, pin năng lượng…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc
phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…).

1.4 Mơ hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta
Cho đến nay, sự tương tác của vật liệu Meta với sóng điện từ thường được giải
thích dựa trên mơ hình mạch cộng hưởng LC tương đương, được đề xuất bởi Zhou
và cộng sự [91]. Từ mơ hình này, chúng ta có thể dễ dàng tính được tần số mà tại đó

xảy ra hiện tượng hấp thụ tuyệt đối hay tính chất chiết suất âm của vật liệu.


23

1.4 Mơ hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta

Hình 1.6. (a) Ơ cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim loại hữu hạn;
(b) mạch tương đương LC của cấu trúc [91]

Hình 1.6 (a) trình bày cấu trúc ơ cơ sở của vật liệu Meta có cấu trúc cặp thanh kim
loại hữu hạn (CWP). Sơ đồ mạch điện tương đương được chỉ ra trên Hình 1.6 (b).
Ở đây, tụ điện C xuất hiện ở hai đầu của CWP, cuộn cảm L tương ứng với mỗi
dây. Đối với vật liệu Meta có cấu trúc khác nhau, mơ hình mạch cộng hưởng LC
tương đương cũng được dùng để giải thích hiện tượng này.
Trong trường hợp tổng quát, khi các ô cơ sở được sắp xếp tuần hồn tạo thành
vật liệu Meta, khi đó sẽ xảy ra sự tương tác giữa các ô cơ sở trong vật liệu.
Bằng cách tính tốn ta có tần số cộng hưởng từ và cộng hưởng điện tương
ứng như sau:
fm 

m
1
1
c


2 2 l e c1 / 2 2 c1e r / 2 l

(1.8)

fe 

1
2 Ce Le

(1.9)

Ở đây: l là chiều dài của thanh kim loại, e là hằng số điện mơi của lớp điện mơi,
là hệ số có giá trị trong [0.2, 0.3], Ce là điện dung được sinh ra do hai thanh kim
loại cạnh nhau theo phương ⃗, Le là độ tự cảm được sinh ra bởi thanh kim loại. Chi
tiết về sự diễn giải biểu thức được đề cập trong tài liệu tham khảo [91].

Một cách gần đúng, tần số cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc
như trong biểu thức dưới đây:


24

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

=

1

2 √

∝

√

(1.10)

Từ biểu thức (1.10) chúng ta thấy rằng tần số cộng hưởng từ phụ thuộc mạnh vào
các tham số cấu trúc như là: chiều dài thanh kim loại (l), chiều rộng thanh kim loại
(w), hằng số điện mơi (εr), ... Do đó, từ cơng thức này chúng ta có thể tính tốn sơ
bộ và sử dụng trong thiết kế, chế tạo các cấu trúc của vật liệu hoạt động ở vùng tấn
số mong muốn khác nhau.
Khi vật liệu Meta tương tác với sóng điện từ, thường sẽ xảy ra hai loại cộng
hưởng khác nhau: cộng hưởng từ và cộng hưởng điện. Việc xác định đâu là cộng
hưởng từ hay điện là việc làm rất quan trọng và cần thiết. Điều này giúp ta hiểu tính
chất của vật liệu, cũng như thiết kế và chế tạo dễ dàng.
(a)

(b)

Hình 1.7. (a) Ơ cơ sở CWP và phân cực của sóng điện từ trong trường hợp xảy ra cộng
hưởng từ; (b) Phổ truyền qua của vật liệu Meta [54]

Hình 1.7 trình bày kết quả mơ phỏng phổ truyền qua của vật liệu Meta có cấu
trúc CWP trong hai trường hợp: CWP và CWP bị nối tắt với phân cực sóng điện từ
được chỉ ra trên hình vẽ. Kết quả cho thấy, đối với trường hợp CWP không bị nối
tắt xuất hiện hai tần số khác nhau tại đó sóng điện từ không truyền qua: 13.8 GHz
và 30 GHz. Hai tần số này ứng với hai cộng hưởng khác nhau, có thể là cộng hưởng
từ hoặc là cộng hưởng điện.
Để xác định tần số nào ứng với cộng hưởng từ hay cộng hưởng điện, các phương
pháp khác nhau sau đây thường được sử dụng.