Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng Ghz trên cơ sở vật liệu biến hóa (Metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Đinh Hồng Tiệp
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ
BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS)
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 9.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Học viện Khoa học và Công
nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Vũ Đình Lãm

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ....’,
ngày … tháng … năm 20…….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


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

viễn tưởng của con người.
Đặc biệt, hiện tượng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
trong vật liệu biến hóa lần đầu tiên được phát hiện bởi Landy và
các cộng sự vào năm 2008 đã làm cho “thị trường” nghiên cứu
về vật liệu tàng hình sơi động trở lại do thế hệ vật liệu hấp thụ
mới này có kích thước nhỏ hơn nhiều lần các vật liệu hấp thụ
truyền thống. Do đó, lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là vật liệu


2
biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect
Absorbers – MPAs) đã nhanh chóng được phát triển cả về lý
thuyết cũng như thực nghiệm. MPAs tỏ rõ lợi thế khi độ dày vật
lý của chúng nhỏ hơn rất nhiều bước sóng hoạt động (có thể
nhỏ hơn hàng nghìn lần), trong khi các vật liệu hấp thụ truyền
thống có độ dày giới hạn trong khoảng λ/4. Với kích thước
mỏng λ/30, thực nghiệm từ nhóm nghiên cứu của Landy đã ghi
nhận độ hấp thụ đạt được 88% tại tần số 11.5 GHz, trong khi đó
giá trị này lên tới 96% tại 11.48 GHz trong mơ phỏng. Với tính
chất đặc biệt và tiềm năng ứng dụng to lớn đó, MPAs cũng
nhanh chóng được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực
tế từ vùng tần số MHz đến vùng quang học.
Tuy nhiên, do bản chất hoạt động của vật liệu biến hóa
phụ thuộc mạnh vào cấu trúc cộng hưởng nên dải tần số hoạt
động thường rất hẹp. Đây là nguyên nhân chính dẫn tới việc
xuất hiện rất ít các vật liệu biến hóa vừa có cấu trúc đơn giản,
giá thành chế tạo rẻ mà có thể hoạt động đa dải tần hoặc hoạt
động trong dải tần số rộng phù hợp cho các cơng nghệ trong
thực tế tại vùng vi sóng. Bên cạnh đó, để duy trì đồng thời
nhiều đỉnh hấp thụ hoặc hấp thụ trên dải rộng trên cùng một

thang tần số ln địi hỏi sự tăng kích thước ơ cơ sở hoặc tăng
chiều dày vật lý của các cấu trúc đối xứng truyền thống. Đặc
biệt, các vật liệu sử dụng trong chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ
sóng điện từ (kim loại – điện môi) thường không đàn hồi nên
khó bao phủ được các bề mặt cong của các đối tượng cần che
chắn trong thực tế. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu và trang bị
nhiều tính năng ưu việt hơn cho các mơ hình vật liệu biến hóa


3
siêu nhỏ, hoạt động đa dải tần và dải tần rộng sử dụng cơng
nghệ chế tạo hiện có vẫn đang là thách thức cần phải vượt qua.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Xây dựng nền tảng cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vật liệu
biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động đa đỉnh và dải rộng
trong vùng tần số từ 2-18 GHz.
- Thiết kế và tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu biến
hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng dựa trên các mơ
hình mới. Tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa
đỉnh và dải rộng có cấu trúc đơn giản và không phụ thuộc vào sự
phân cực của sóng điện từ.
- Lý giải và ứng dụng tính chất bất đối xứng trong cấu
trúc hình học của vật liệu biến hóa tạo ra hấp thụ đa đỉnh.
- Chế tạo và khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến
hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng trên vùng tần số từ
2-18 GHz.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Luận án tập trung nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ
sóng điện từ hoạt động trên vùng tần số từ 2-18 GHz theo hai
hướng chính: Vật liệu biến hóa bất đối xứng và đẳng hướng hấp

thụ sóng điện từ đa đỉnh; Mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ
bằng cách tích hợp polymer dẫn.
- Nội dung của luận án được xây dựng dựa trên sự kết
hợp chặt chẽ giữa mơ hình lý thuyết và phần mềm mơ phỏng.
Q trình thực nghiệm sẽ được tiến hành để kiểm chứng một số
kết quả mô phỏng tiêu biểu và phù hợp với điều kiện chế tạo
hiện có.


4
Những đóng góp mới của luận án: Luận án này tập
trung giải quyết và hoàn thiện các vấn đề vật liệu biến hóa hấp
thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số GHz như sau:
i) Đã kiểm chứng bằng thực nghiệm các mơ hình mới
dựa trên sự phá vỡ tính đối xứng trong cấu trúc cộng hưởng
truyền thống trong một ô cơ sở đơn lẻ. Đây là một phương pháp
tiếp cận hiệu quả để tạo ra MPA dải kép và đa đỉnh;
ii) Đã thiết kế và kiểm chứng bằng thực nghiệm các mơ
hình MPA được tích hợp vật liệu Polymer độ dẫn thấp (tích hợp
một phần và hồn tồn vào cấu trúc cộng hưởng kim loại);
iii) Đã khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng thực
nghiệm sự hoạt động ổn định của các mơ hình MPA đa đỉnh và
dải rộng dưới sự thay đổi của góc phát xạ và góc phân cực của
sóng điện từ.
Luận án được chia thành 4 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Vật liệu biến hóa bất đối xứng hấp thụ sóng
điện từ đa đỉnh
Chương 4. Mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ bằng cách

tích hợp Polymer dẫn
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng
Về mặt cấu trúc điện từ, vật liệu biến hóa
(Metamaterials - MMs) được cấu thành từ các “giả nguyên tử”,
thực chất là các cấu trúc cộng hưởng điện từ có kích thước nhỏ
hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Khởi nguồn vào năm 1968,


5
lĩnh vực nghiên cứu MMs đã hình thành từ một ý tưởng về mơi
trường có chiết suất âm [đồng thời độ từ thẩm âm (µ<0) và độ
điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số] được dự đoán về
mặt lý thuyết và đề xuất bởi Veselago. Điều này đã hoàn thiện
bức tranh tổng quát về các giá trị của chiết suất trong mọi mơi
trường vật chất [Hình 1.1]. Đặc biệt vào năm 2008, hiện tượng
hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong MMs được khám phá bởi
Landy và các cộng sự đã mở ra một tiềm năng phát triển vô
cùng to lớn trong sự phát triển khoa học và cơng nghệ.

Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và
từ thẩm [42]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với
đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên
vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ
quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp.
Đặc biệt tại góc phần tư thứ ba, đồng thời hai giá trị µ<0 và ε
<0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa.
Hiện nay, các nghiên cứu về MMs khơng cịn giới hạn ở

6
vật liệu có độ điện thẩm âm, độ từ thẩm âm và chiết suất âm,
mà còn mở rộng ra rất nhiều lĩnh vực và định hướng cho các
ứng dụng hiện đại khác như cảm biến sinh học và dẫn truyền
năng lượng không dây (wireless power transfer - WPT).
1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng
Do cấu trúc ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt
động, để thiết kế, dự đốn và nghiên cứu các đặc tính điện từ
của MMs, chúng ta phải dựa trên một mơ hình lý thuyết có tên
là lý thuyết mơi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory EMT). Hai lý thuyết môi trường hiệu dụng phổ biến nhất hiện
nay phù hợp để nghiên cứu MMs được biết đến là mơ hình tính
tốn các tham số điện từ hiệu dụng do Bruggeman và MaxwellGarnett đề xuất.
1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa
1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện
Trước hết, để xây dựng và tìm hiểu bản chất của tương
tác điện xảy ra bên trong từng loại cấu trúc cộng hưởng, chúng
ta có thể bắt đầu từ nguyên lý điều khiển hàm điện môi hiệu
dụng của vật liệu biến hóa. Một cách khác tương tự cũng cho
chúng ta   0 khi sử dụng các cấu trúc cộng hưởng theo mạch
LC. Hai yếu tố cộng hưởng cơ bản thường được sử dụng trong
các vật liệu MMs truyền thống là cấu trúc SRR và cấu trúc dây
kim loại bị cắt (Cut wire - CW), như được mơ tả trên Hình 1.7.
Cấu trúc SRR [Hình 1.7(a)] hoạt động giống như một mạch
điện dao động LC và có tần số cộng hưởng riêng được tính tốn
bởi cơng thức 𝜔𝐿𝐶 = 1⁄√𝐿𝐶 .


7

Hình 1.7. (a) Cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (SRR); (b) cấu

trúc dây kim loại bị cắt, và định hướng của điện trường ngồi.
(c) Mơ hình mạch điện LC tương đương và (d) đường đặc trưng
của phần thực (𝜀′) và phần ảo (𝜀′′) của độ từ thẩm hiệu dụng.
1.3.2. Cấu trúc cộng hưởng từ

Hình 1.8. (Bên trái) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µeff
< 0 và (Bên phải) đường tán sắc của độ từ thẩm.
Hầu hết các vật liệu thơng thường trong tự nhiên đều có
độ từ thẩm dương, chỉ có một số ít vật liệu tồn tại độ từ thẩm
âm. Bên cạnh đó, tính chất từ của các vật liệu đó thường chỉ tồn
tại ở tần số thấp, và hầu hết bị dập tắt ở vùng tần số GHz. Mặc
dù vậy, hiện tượng cộng hưởng từ cũng có thể thu được từ các
vật liệu phi từ bằng cách kích thích các dịng điện trịn nhằm tạo
ra một moment lưỡng cực. Dựa trên nguyên lý này, vào năm
1999, Pendry đã đề xuất mơ hình đầu tiên tạo ra độ từ thẩm âm


8
ở vùng tần số GHz gồm một dãy tuần hoàn của hai SRR đồng
trục và dưới sự phân cực đặc biệt của sóng chiếu tới. Các kết
quả này làm tiền đề quan trọng để thiết kế và điều khiển tần số
hoạt động của MPAs sử dụng cấu trúc cộng hưởng điện và cộng
hưởng từ.
1.4. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với mơi
trường
Trở kháng của vật liệu được định nghĩa theo công thức
𝑍(𝜔) = √𝜇(𝜔)/𝜀(𝜔) = 𝑍𝑟 + 𝑖𝑍𝑖 . Khi đạt được điều kiện
𝜇(𝜔) = 𝜀(𝜔), năng lượng điện trường và năng lượng từ trường
của sóng chiếu tới sẽ hoàn toàn truyền qua mặt phân cách giữa
vật liệu biến hóa và mơi trường truyền sóng. Hiện tượng này

gọi là sự phối hợp trở kháng giữa vật liệu và mơi trường truyền
sóng. Trong trường hợp này, 𝑍(𝜔) = 𝑍0 (𝜔) = √𝜇0 /𝜀0 ≈
377 Ω dẫn tới độ phản xạ tại bề mặt 𝑅(𝜔) = 0, đây cũng là
một đặc tính vượt trội so với các vật liệu tự nhiên.
1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Cấu tạo ơ cơ sở của MPAs có thể chia thành hai loại
cấu trúc chính: bất đẳng hướng và đẳng hướng. MPAs bất đẳng
hướng thường được thiết kế kiểu ba lớp: lớp thứ nhất cấu tạo từ
các cấu trúc kim loại tuần hồn, lớp điện mơi ở giữa và một lớp
kim loại liên tục. Để xảy ra sự hấp thụ tuyệt đối cần có hai điều
kiện: độ phản xạ và độ truyền qua phải bằng 0. Sóng điện từ khi
truyền tới MPA sẽ không bị phản xạ do thiết kế của lớp thứ nhất
thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng với mơi trường hoạt
động tại vị trí tần số mục tiêu. Trong khi đó lớp kim loại liên


9
tục sẽ đảm nhiệm vai trò ngăn cản tất cả các sóng điện từ truyền
qua MPA. Vì vậy, độ hấp thụ thường được tính tốn dựa trên
cơng thức 𝐴(𝜔) = 1 − |𝑆11 (𝜔)|2 .

Hình 1.17. (a) Ơ cơ sở của MPA được đề xuất bởi Landy
và (b) sự phân bố tổn hao Ohmic và tổn hao điện môi tại tần số
cộng hưởng trong vùng tần số GHz.
*Cơ chế tiêu tán năng lượng trong MPAs
Lớp điện môi trong MPAs bên cạnh vai trị cung cấp
khoảng khơng gian “giam giữ” năng lượng tiêu tán sóng điện
từ, trong một số trường hợp nó cũng góp phần quan trọng vào
cơ chế hoạt động của vật liệu khi vai trị tổn hao điện mơi chiếm
ưu thế. Lưu ý rằng, tổn hao Ohmic cũng đặc trưng cho sự tiêu

tán năng lượng của sóng điện từ nhưng xảy ra bên trong môi
trường kim loại, tương tự như sự tiêu tán năng lượng của điện
trở bên trong mạch cộng hưởng LC.
1.6. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải
rộng
Do các tính chất độc đáo của loại vật liệu MPA đều
được tạo ra từ các cộng hưởng điện từ vì vậy vùng tần số hoạt
động (hấp thụ tuyệt đối) thường rất hẹp và khó điều chỉnh. Vì


10
vậy, việc tăng hay mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu
MPAs để dễ dàng ứng dụng trong thực tế là rất cần thiết. Nhìn
chung, có một số phương pháp thông dụng sau để tạo ra được
MPA dải rộng: tích hợp điện trở, sử dụng cấu trúc đa lớp và kết
hợp nhiều cấu trúc cộng hưởng trong mặt phẳng ô cơ sở.
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp quang khắc
Để chế tạo các mẫu MPAs hoạt động ở dải tần số từ 2
đến 18 GHz, chúng tôi sử dụng phương pháp quang khắc. Vật
liệu ban đầu là các tấm mạch in - PCB đã được phủ kim loại
đồng (Cu). Vật liệu ban đầu là mạch in PCB gồm lớp điện mơi
có hằng số điện mơi ε xấp xỉ 4.3 và độ dày lớp điện mơi có thể
thay đổi từ t = 0.4 đến 1.6 mm được phủ một lớp kim loại đồng
(Cu - có độ dày khoảng 0.036 mm) trên cả hai bề mặt. Hệ chế
tạo mẫu theo phương pháp này đã được lắp đặt tại phòng Vật lý
vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.2. Phương pháp mơ phỏng
Dựa trên kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration

technique - FIT) của Weiland trong chương trình CST, chúng ta
có thể mơ phỏng trực quan các tương tác giữa trường điện từ
với vật liệu. Thông qua CST, ưu điểm dễ dàng nhận thấy đó là
các đặc tính rất khó kiểm chứng và quan sát bằng thực nghiệm
đối với vật liệu biến hóa có thể được quan sát trực quan.
2.3. Phương pháp đo đạc


11
Để nghiên cứu thực nghiệm tính chất hấp thụ của vật
liệu biến hóa, thơng số phản xạ và truyền qua là hai thơng số
chính cần đo đạc. Các phép đo trong vùng tần số GHz thường
được thực hiện bởi hệ thiết bị Vector Network Analyzers trong
buồng tiêu âm (Anechoic Chamber).
2.4. Phương pháp tính tốn các tham số điện từ hiệu dụng
Do việc đo đạc trực tiếp các tham số hiệu dụng của vật
liệu như độ từ thẩm, độ điện thẩm, trở kháng và chiết suất của
vật liệu biến hóa là một cơng việc rất phức tạp và khó khăn. Vì
vậy, phương pháp tính tốn của Nicolson – Ross – Weir thường
được sử dụng để tính tốn các thơng số (chiết suất, trở kháng,
hệ số điện môi và độ từ thẩm) của một vật liệu dưới dạng phức
thông qua dữ liệu phản xạ và truyền qua thu được từ mô phỏng.
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ
ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH
3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng
hưởng đồng trục
Ưu điểm trong thiết kế này đó là sự “xếp chặt” các cấu
trúc cộng hưởng nhằm nhỏ kích thước ơ cơ sở. Hằng số mạng
được lựa chọn là a =10 mm và cấu trúc cộng hưởng bao gồm ba
lớp vật liệu: kim loại – điện môi – kim loại. Lớp điện mơi (FR4, chiều dày td=0.8mm) có hằng số điện mơi là 4.3 và độ tổn

hao 0.025. Hai mặt kim loại được lựa chọn là Đồng (chiều dày
tm=0.036 mm) có độ dẫn là 5.8x107 S/m. Để có thể điều khiển
được tần số cộng hưởng trong cấu trúc RD và tiến tới ứng dụng
để chế tạo vật liệu MPA có dải tần số làm việc rộng, chúng tôi


12
tạo ra “khe hở - g” trên vòng cộng hưởng kín. Do đó, cấu trúc
mới sẽ là sự kết hợp giữa cấu trúc đĩa trịn và vịng cộng hưởng
có rãnh (SRD), như trình bày trong Hình 3.1(c).

Hình 3.1. Ơ cơ sở của vật liệu biến hóa sử dụng cấu trúc
(a) đĩa tròn, (b) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín (RD)
và (c) đĩa trịn kết hợp với vịng cộng hưởng có rãnh (SRD).

Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ (a) mô phỏng và
(b) thực nghiệm vào độ rộng của khe g trong cấu trúc SRD.
Để khảo sát xa hơn sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào
các tham số cấu trúc SRD, chúng tôi thay đổi giá trị của g từ 0.2
đến 1.4 mm. Rõ ràng, sự dịch xanh đã quan sát thấy trong mô
phỏng và thực nghiệm tương ứng trên Hình 3.5(a) và 3.5(b), đặc


13
biệt là đỉnh tại tần số thấp. Sự dịch xanh của đỉnh hấp thụ là do
giá trị của độ từ cảm hiệu dụng đã bị suy giảm khi khe hẹp xuất
hiện (xấp xỉ bằng 1/3 giá trị độ từ cảm hiệu dụng trong trường
hợp vịng cộng hưởng kín). Sự giảm này tỉ lệ thuận với độ rộng
của khe (g).
3.2. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vịng cộng hưởng

kín

Hình 3.7. (a) Mẫu chế tạo của vật liệu biến hóa sử dụng (b) mơ
hình vịng cộng hưởng kín. (c) Sự so sánh phổ hấp thụ mô
phỏng và thực nghiệm.
Trong phần này, chúng tơi đề xuất và khảo sát mơ hình
vật liệu biến hóa bất đối xứng khác với mục tiêu hấp thụ dải kép
trong vùng tần số từ 10 đến 15 GHz. Hình 3.7(a) và 3.7(b) trình
bày mẫu chế tạo và thiết kế của một ô cơ sở cấu tạo từ cấu trúc
vịng cộng hưởng kín. Cấu trúc này gồm ba lớp: kim loại – điện
môi – kim loại. Đế điện mơi được lựa chọn là FR-4 có hằng số
điện môi và độ tổn hao lần lượt là 4.3 và 0.025. Độ dày của lớp
kim loại (Đồng) là tm = 0.036mm. Các thông số cấu trúc khác
được tối ưu là: R1=3, R2=0.7 và a = 10 mm. Hình 6(c) trình bày
phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm tương ứng. Dễ thấy,
trong cả hai trường hợp, độ hấp thụ có thể đạt tới 99% tại tần số


14
13.0 GHz. Cơ chế hấp thụ đối với loại cấu trúc này xuất phát từ
cộng hưởng từ, tương tự như các nghiên cứu đã cơng bố trước
đây.

Hình 3.10. (a) Mẫu chế tạo tương ứng với (b) cấu trúc bất đối
xứng hình mắt cá. (c) Phổ hấp thụ mơ phỏng và (d) thực nghiệm
trong trường hợp thay đổi khoảng cách d.
Dựa trên cấu trúc cơ sở đối xứng [Hình 3.7(b)], chúng tôi
tiến hành nghiên cứu hiệu ứng bất đối xứng trong cấu trúc bằng
cách dịch chuyển lỗ trống theo đường chéo của ô cơ sở [điều
chỉnh thông qua khoảng cách d trong Hình 3.10(b)]. Cấu trúc

mới này có hình dạng giống như cấu trúc hình “mắt cá”. Tất cả
các thơng số cấu trúc khác của ô cơ sở được giữ không đổi. Kế
quả mô phỏng và thực nghiệm về sự thay đổi phổ hấp thụ theo
khoảng cách d được trình bày trong Hình 3.10(c) và 3.10(d). Dễ
thấy, tại giá trị d = 1.5 mm, phổ hấp thụ tồn tại đỉnh hấp thụ duy


15
nhất tại 13.5 GHz (độ hấp thụ trên 99%). Khi d tăng dần đến giá
trị 2.3 mm, bên cạnh đỉnh hấp thụ ban đầu (độ hấp thụ không
đổi), đỉnh thứ hai xuất hiện xung quanh tần số 13.5 GHz (độ
hấp thụ xấp xỉ 99%).
3.3. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ
đỉnh kép
Trong phần này, bên cạnh các mơ hình phá vỡ tính đối
xứng của cấu trúc MPA bất đẳng hướng, chúng tơi đề xuất
một mơ hình MPA đẳng hướng mới nhằm tạo ra hấp thụ đỉnh
kép bằng hiệu ứng tương tác trường gần (near-field coupling
effect), hay còn gọi là hiện tượng trong suốt truyền qua cảm
ứng điện từ (EIT). Cấu trúc cộng hưởng gồm ba lớp: Cu - FR4 – Cu. Bốn cặp đĩa kim loại được thiết kế cố định tại tâm các
góc phần tư của ô cơ sở ở cả mặt trước và mặt sau của cấu
trúc. Kết mơ phỏng hồn tồn trùng khớp với kết quả thực
nghiệm khi thu được hai đỉnh cộng hưởng tại 12.88 và 15.56
GHz với độ hấp thụ lần lượt là 90.5% và 90.3%.
3.4. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu
trúc hình chữ X
Như kết quả đã thảo luận ở trên, bằng cách phá vỡ
tính đối xứng của cấu trúc đồng trục hoặc vịng cộng hưởng
kín, chúng ta có thể dễ dàng tạo ra hấp thụ đỉnh kép và đa đỉnh
nếu sử dụng phương pháp xây dựng siêu ô cơ sở. Tuy nhiên,

phương pháp này rất dễ vi phạm điều kiện về lý thuyết môi


16
trường hiệu dụng khi kích thước của siêu ơ cơ sở tiến gần đến
bước sóng hoạt động. Bên cạnh đó, việc tích hợp càng nhiều
cấu trúc trong một ơ cơ sở sẽ khiến cho mẫu MPA trở nên rất
dày hơn khi muốn duy trì đồng thời các đỉnh hấp thụ tuyệt đối
ở nhiều tần số khác nhau. Do vậy, để vượt qua giới hạn này,
chúng tôi nghiên cứu và đề xuất một mơ hình cấu trúc MPA
có hình dạng chữ X. Cấu trúc này ngồi ưu điểm về tính đơn
giản trong thiết kế và chế tạo, chúng tơi cịn mong đợi rằng
khi tính đối xứng của nó bị phá vỡ sẽ làm tăng thêm số bậc tự
do của điện tích cảm ứng để tạo ra hấp thụ đa đỉnh.

Hình 3.20. (a) Cấu trúc ơ cơ sở của MPA có cấu trúc chữ X
định hướng theo không gian ba chiều. (b) Cấu tạo mặt trước
của cấu trúc đối xứng và (c) trường hợp bất đối xứng, với d là
độ dịch theo đường chéo của ô cơ sở của một thanh kim loại.


17

Hình 3.21. So sánh phổ hấp thụ mơ phỏng (đường nét đứt màu
xanh) và thực nghiệm (đường nét liền màu đỏ) của cấu trúc
MPA ba đỉnh trong trường hợp (a) d = 0, (b) d = 0.5 và
(c) d = 1.0 mm.
Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ
hấp thụ trong trường hợp ban đầu (d=0) đạt 24% tại 11.4 GHz.
Khi độ dịch d = 0.5 mm, chúng ta quan sát thấy ba đỉnh hấp

thụ đồng thời xuất hiện tại tần số 10.8, 11.5 và 14.7 GHz. Độ
hấp thụ đạt được tương ứng với các tần số trên là 99%, 99%
và 95%.
3.5. Kết luận
Trong chương này, chúng tôi đã đề xuất và chứng minh
thành công một phương pháp hiệu quả để tạo ra sự hấp thụ đa
đỉnh trong vùng tần số GHz. Đầu tiên, chúng tôi thiết kế và tối
ưu các cấu trúc đơn đỉnh và bằng việc phá vỡ tính đối xứng của


18
chúng, các đỉnh hấp thụ mới xuất hiện đều dựa trên cộng hưởng
từ (đối với mơ hình MPA bất đẳng hướng) và tương tác trường
gần của các cộng hưởng (đối với mơ hình MPA đẳng hướng).
Các kết quả trên đều được kiểm chứng bằng phương pháp tính
tốn mơ hình mạch điện tương đương LC, mô phỏng bằng phần
mềm CST và đo đạc thực nghiệm. Các kết quả này được kì
vọng sẽ mở ra một cách tiếp cần mới đơn giản và hiệu quả hơn
cho quá trình tạo ra hấp thụ dải rộng cho các nghiên cứu tiếp
theo.
CHƯƠNG 4: MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ
BẰNG CÁCH TÍCH HỢP POLYMER DẪN
4.1. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích
hợp vật liệu polymer dẫn

Hình 4.1. (a) Sắp xếp ba chiều của ô đơn vị cho MPA dải
tần rộng với sự phân cực của sóng EM. (b) Mẫu chế tạo và độ
phóng đại của nó cho mặt trước vàlớp sau của các ơ đơn vị
2×2. (b) Sắp xếp minh họa cho cấu hình thử nghiệm.
Với mục tiêu tạo ra vật liệu biến hố hấp thụ sóng điện

19
từ dải rộng với cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo hơn, chúng tơi
đề xuất một mơ hình MPA mới với sự trang bị vai trò “chủ
động” cho lớp thứ ba (thường là lớp kim loại liên tục) của MPA
bất đẳng hướng. Ý tưởng này dẫn chúng ta đến kỳ vọng về một
loại MPA bất đẳng hướng thế hệ mới, hấp thụ dải rộng với cấu
trúc phẳng và tích hợp linh hoạt nhiều loại vật liệu. Trong đề
xuất này, bằng cách tích hợp vật liệu có độ dẫn điện thấp kết
hợp cùng với lớp kim loại liên tục, BMPA đề xuất của chúng tôi
dự kiến sẽ đáp ứng yêu cầu thực tế, địi hỏi tới của sóng điện từ
rộng và khơng phụ thuộc vào phân cực.

Hình 4.4. Sự hoạt động ổn định của BMPA phạm vi góc
tới của sóng điện từ rộng. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) thực
nghiệm theo góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân
cực TE. (c) Mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới


20
của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TM.
Nhìn chung, hầu hết các BMPA gần đây phụ thuộc rất
nhiều vào góc phân cực của sóng tới. Để đánh giá lợi thế của
BMPA đề xuất, chúng tôi cũng khảo sát sự phụ thuộc của độ
hấp thụ vào góc tới (θ) cho cả hai trường hợp phân cực TE và
TM, như được trình bày trong Hình 4.4. Bằng cách thay đổi góc
tới trong trường hợp phân cực TE, phổ hấp thụ mơ phỏng cho
thấy giá trị FBW = 51% (tại góc tới bằng 0) bị suy yếu nhẹ
xuống còn 32.8% ở góc tới θ = 50° [Hình 4.4(a)]. Cụ thể, Hình

4.4(b) xác nhận sự phù hợp tốt giữa kết quả của phổ hấp thụ đo
đạc của mẫu chế tạo với phổ mô phỏng. Khi θ = 5°, độ hấp thụ
lớn hơn 90% từ 5.7 đến 9.1 GHz (FBW = 46%). Tại θ = 50°, độ
hấp thụ vẫn duy trì ở mức 90% từ 6.07 đến 8.41 GHz (FBW =
32,3%).
4.2. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay
thế hoàn toàn cấu trúc kim loại bởi vật liệu polymer dẫn
Khác với mơ hình trình bày ở trên, chúng tơi tiếp tục đề
xuất mơ hình mới với sự thay thế hoàn toàn lớp kim loại thứ
nhất bằng vật liệu Polymer dẫn. Hình 4.7(a) trình bày một ơ cơ
sở của BMPA bao gồm ba lớp: polymer-điện mơi-kim loại. Tại
vị trí trung tâm của lớp điện mơi bị kht bởi bốn hình trụ (bán
kính và chiều cao tương ứng là r và h). Vị trí này sẽ được được
lấp đầy hồn tồn bằng vật liệu polymer dẫn điện (𝜎 = 150
S/m). Các tham số hình học được tối ưu hóa của BMPA được
đề xuất là: a = 6, r = 0.8 và h = 1.8 mm. Lớp điện mơi FR-4 có
độ dày t = 2.0 mm và hằng số điện môi 4.3. Lớp kim loại liên


21
tục dưới cùng là Đồng (độ dày tm = 0,036 mm) với độ dẫn điện
σc = 5.8x107 S/m. Ý tưởng chính của thiết kế này đó là sự kết
hợp hai cộng hưởng từ cơ bản (được tạo ra bởi sự tương tác
giữa bề mặt trên và dưới, đồng thời là sự tương tác giữa các cấu
trúc cộng hưởng đứng liền kề) khi đặt trong điều kiện kết hợp
trở kháng hoàn hảo ở tần số vi sóng. Như quan sát trong Hình
4.7(b), hai đỉnh hấp thụ gần như tuyệt đối (độ hấp thụ 99,99%)
đã xuất hiện ở tần số 15,3 và 20,1 GHz (đường cong màu đỏ).
Do đó, tính chất hấp thụ trên dải tần số rộng với tỷ lệ hấp thụ
trên 90% (dải màu xanh lá cây) đã đạt được từ 13,52 đến 22,18

GHz. Trong dải này, FBW thu được là 48,5%.

Hình 4.7. (a) Cấu trúc nguyên tử Meta 3 chiều với sự phân cực
của sóng điện từ và (b) phổ hấp thụ tương ứng của BMPA được
đề xuất. Dải màu xanh biểu thị vùng tần số bị hấp thụ trên 90%.
4.3. Kết luận
Trong chương này, chúng tơi trình bày kết quả nghiên
cứu tích hợp và thay thế các thành phần kim loại trong cấu trúc
MPA truyền thống bằng vật liệu polymer có độ dẫn thấp. Sự
trang bị thêm thành phần tổn hao mạnh trong cấu trúc truyền


22
thống để đạt được hấp thụ rộng cũng là một hướng đi có tiềm
năng, tiến tới chế tạo được các vật liệu biến hố có cấu trúc đơn
giản, dễ chế tạo và có tính năng đàn hồi. Các kết quả này làm
nền tảng quan trọng trong cho các nghiên cứu tiếp theo để ứng
dụng tích hợp vật liệu biến hóa trong các thiết bị điện tử hoạt
động ổn định dưới sự điều khiển bằng các tác động ngoại vi đa
chức năng như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng và điện từ trường.

KẾT LUẬN CHUNG
Luận án “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng
vùng tần số GHz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)”
đã được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ và Viện
Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam. Những kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án đã được
công bố và đang chờ phản biện trên 06 tạp chí quốc tế và quốc
gia (trong đó 04 bài báo đã đăng trên tạp chí ISI), 02 bài đăng
trên kỷ yếu hội thảo khoa học chuyên ngành.

Các kết quả của luận án có một số đóng quan trọng cho nghiên
cứu về Khoa học vật liệu nói chung và Vật liệu biến hóa nói
riêng như sau:
1. Đã nghiên cứu và trình bày nền tảng cơ sở lý thuyết về vật
liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ để xây dựng các mơ hình
hoạt động đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số từ 2-18 GHz.
2. Đã đề xuất và khảo sát tính chất điện từ của các MPAs bất
đối xứng hoạt động đa đỉnh. Đối với sự phá vỡ tính chất đối


23
xứng của hai cộng hưởng đồng trục: cả mô phỏng và thực
nghiệm đều xác nhận sự tồn tại hai đỉnh hấp thụ tại 14,0 và 16,2
GHz (độ hấp thụ trên 90%) và có thể điều chỉnh được dựa trên
khe hẹp của vịng cộng hưởng phía ngồi. Đây là ngun lý để
tạo ra tám đỉnh hấp thụ trên 80% trong vùng tần số từ 12,5 đến
16,2 GHz. Các mơ hình bất đối xứng khác cũng tỏ rõ ưu thế khi
đạt được độ hấp thụ gần tuyệt đối (100%) trong trường hợp
đỉnh kép (tại 13,05 và 13,5 GHz đối với cấu trúc mắt cá) và
trường hợp ba đỉnh (tại 9,7, 11,6 và 17,1 GHz đối với cấu trúc
chữ X).
3. Lần đầu tiên đề xuất và kiểm chứng bằng thực nghiệm mơ
hình MPA đỉnh kép và đẳng hướng hoạt động tại tần số 12,8 và
15,5 GHz với độ hấp thụ đều đạt trên 90%. Các kết quả đo đạc
thực nghiệm đều đồng nhất với mơ phỏng và tính tốn lý thuyết.
5. Đề xuất và kiểm chứng mơ hình MPA dải rộng mới với sự
tích hợp vật liệu Polymer có độ dẫn điện thấp. Với sự cải tiến
vai trò “bị động” của lớp thứ ba (thường là lớp kim loại liên
tục) trong MPA bất đẳng hướng, độ hấp thụ lớn hơn 90% từ 5,7
đến 9,1 GHz (FBW = 46%) đã được bảo toàn trong cả mơ

phỏng cũng như thực nghiệm (dưới điều kiện góc tới tăng lên
đến 400 và đối với mọi góc phân cực của sóng điện từ). Khi
thay thế hồn tồn cấu trúc kim loại mặt trước bằng Polymer
(đối với mơ hình cấu trúc 4 hình trụ), dải tần số hấp thụ rộng
hiện tại đạt giá trị FBW=48,5% khi góc tới của sóng điện từ
tăng từ 0 đến 40o.