Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

Đặng Hồng Lưu

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA
(METAMATERIALS) HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở
VÙNG TẦN SỐ THZ
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2018


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 1: PGS.TS. Vũ Đình Lãm
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Đắc Tuyên

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 201….

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
Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo với
một số tính chất đặc trưng chưa được tìm thấy trong vật liệu tự
nhiên. Cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết kế hợp lý bởi
các giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa hay meta-atoms), chúng
tương tác với cả hai thành phần điện trường và từ trường của
sóng điện từ theo cách hoàn toàn khác so với các loại vật liệu
truyền thống, do vậy có thể tạo ra những tính chất mới lạ khơng
tìm thấy trong tự nhiên. Hiện nay, nhiều tính chất của vật liệu
biến hóa đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm
một cách độc lập bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Mặc
dù vậy, những phát hiện về các tính chất mới của vật liệu biến
hóa vẫn xuất hiện mỗi ngày và có tác động lớn đến cả ngành vật
lý nói riêng và các ngành khoa học trên thế giới nói chung.
Các nghiên cứu đột phá cho đến nay thường tập trung
vào vật liệu có chiết suất âm, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, hay
kết hợp hai loại vật liệu này cho những ứng dụng cụ thể. Vật liệu
biến hóa hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ sóng điện từ

với kích thước rất nhỏ so với bước sóng nên có có nhiều ứng
dụng trong thực tế. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu biến
hóa đang được tập trung phát triển trong vùng tần số viba (GHz)
do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc.
Đối với vùng tần số Terahertz (THz), sự tương tác của
sóng điện từ với các cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước
micro mét và nano mét phức tạp hơn do các hiệu ứng lượng tử
mạnh hơn, bên cạnh đó cơng nghệ chế tạo và kiểm chứng các
đặc tính hoạt động cũng phức tạp hơn. Hiện nay, công nghệ


2
THz đang được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
quân sự, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y
khoa, đánh giá không phá hủy, kiểm tra an ninh, kiểm sốt chất
lượng thực phẩm và nơng sản, giám sát mơi trường. Vì vậy, vật
liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz bắt đầu thu hút được
rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, với
một số kết quả đáng chú ý trong chế tạo laser xung tần số THz,
máy quét an ninh thế hệ mới, công nghệ bảo mật và an ninh
quốc phịng. Ngồi ra, đây cịn là một nền tảng quan trọng để
triển khai các nghiên cứu trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Với
những lý do trên ,việc nghiên cứu vật liệu biến hóa hoạt động ở
tần số THz là rất quan trọng và cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Xây dựng cơ sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa
hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng sóng tần số THz.
- Thiết kế, đưa ra mơ hình, mơ phỏng đặc tính vật liệu
biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz. Tối ưu hóa
tham số cấu trúc nhằm tăng khả năng hấp thụ và mở rộng dải tần

làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.
- Chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số
THz. Nghiên cứu đặc tính điện từ của chúng và khả năng ứng
dụng trong thực tế.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở
tần số THz.
- Nghiên cứu tìm kiếm cấu trúc đơn giản,dễ chế
tạo,hoạt động ở tần số Thz với dải tần làm việc rộng và có khả
năng điều khiển tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.


3
- Nghiên cứu tìm kiếm ứng dụng của vật liệu biến hóa
trong thực tế.
Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đề xuất
cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng
tần số THz: (1) Đã tối ưu được cấu trúc vật liệu biến hóa để
tăng độ hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc; (2) Đã đề xuất mơ
hình điều khiển tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng
kích thích quang và nhiệt độ ở vùng tần số THz; (3) Đã chứng
tỏ vật liệu biến hóa có thể tăng cường tín hiệu dao động của các
phân tử và thử nghiệm làm cảm biến dò phân tử protein bò cho
kết quả tốt.
Luận án được chia thành 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ
sóng điện từ
Chương 4. Điều khiển tần số hoạt động của vật liệu

biến hóa hấp thụ sóng điện từ và ứng dụng vật liệu biến hóa làm
cảm biến
Chương 5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trên
cơ sở hiệu ứng tương tác trường gần và hiệu ứng Babinet
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, được
xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử” sắp xếp theo một trật
tự nhất định tương tự như ô cơ sở (unit-cell) trong mạng tinh
thể của vật liệu thông thường. Trong đó, kích thước của giả


4
nguyên tử trong vật liệu biến hóa nhỏ hơn nhiều lần bước sóng
hoạt động. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu
biến hóa đã phát triển rất nhanh, liên quan đến các nghiên cứu
trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý cơ bản, quang
học, khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật điện (được thiết kế
trong việc chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc bẻ cong đường đi của
sóng điện từ).
1.2. Phân loại vật liệu biến hóa

Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ
1.3. Lý thuyết môi trường hiệu dụng
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 thơng số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng
đặc trưng cho toàn khối. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích
thước của các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều
so với bước sóng hoạt động, từ đó tương tác của sóng tới với

mơi trường truyền được tính bằng trung bình của các thành
phần tạo thành trong khơng gian.
1.4. Vật liệu biến hóa chiết suất âm
Vật liệu chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai
thành phần điện và từ trong vật liệu biến hóa. Tạo nên vật liệu


5
đồng thời có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm (μ < 0, ε < 0). Để
tạo ra chiết suất âm, các cấu trúc trên đều được cấu tạo từ hai
thành phần: (1) thành phần từ để tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0); (2)
thành phần điện để tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0) trong vùng tần
số bên dưới tần số plasma.
1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Khi cấu trúc được tối ưu để đạt được đồng thời sự phối
hợp trở kháng tại tần số cộng hưởng (điện hoặc từ), vật liệu
biến hóa thể hiện một đặc tính rất thú vị đó là khả năng hấp thụ
hồn tồn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt
động. Loại vật liệu này được đặt tên là vật liệu biến hóa hấp thụ
tuyệt đối (MPA). Tại tần số cộng hưởng, năng lượng được lưu
trữ và tiêu tán dần dưới dạng nhiệt năng hay mất mát điện môi
bên trong cấu trúc nên các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ
đều bị triệt tiêu.
Để tìm hiểu các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng
tần số THz, chúng ta có thể xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa
có hình dạng vịng dây bị cắt (SRR). Cụ thể, cấu trúc SRR có
thể được xem xét như các cấu trúc cộng hưởng hoạt động theo
mơ hình dao động mạch điện LC và lưỡng cực điện .
Từ đó nhận xét rằng, tổn hao điện môi và tổn hao trên
kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) là hai cơ chế tiêu tán

năng lượng chính đối với các vật liệu biến hóa (kim loại – điện
môi – kim loại) hoạt động trong vùng tần số THz.
1.6. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến
hóa (EIT)
Hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ (electromagnetically


6
induced transparency - EIT) có nguồn gốc là một hiệu ứng
lượng tử khiến cho một mơi trường hấp thụ sóng điện từ trở
thành trong suốt trong một vùng tần số hẹp (với độ hấp thụ
không đáng kể). Về mặt bản chất, vật liệu biến hóa được cấu tạo
từ các cấu trúc cộng hưởng điện từ. Do vậy, vật liệu biến hóa
hồn tồn có thể tạo ra được hiệu ứng EIT mà không cần đến
bất kỳ điều kiện lượng tử phức tạp nào. Cho đến thời điểm hiện
tại, hai phương pháp cơ bản thường được áp dụng để tạo ra vật
liệu biến hóa có hiệu ứng EIT. Phương pháp thứ nhất thường
được gọi là tương tác “sáng – sáng” mà ở đó cả hai cộng hưởng
đều có thể được kích thích bởi trường điện từ ngoài. Cách tiếp
cận thứ hai là dựa trên tương tác “sáng - tối”, ở đó chỉ có một
cộng hưởng có thể được kích thích bởi sóng tới và cộng hưởng
cịn lại thì được kích thích thơng qua tương tác trường gần sinh
ra bởi cộng hưởng ban đầu. Do bản chất của sự kích thích cộng
hưởng khác nhau, cộng hưởng ban đầu thường được gọi là
mode sáng cịn cộng hưởng sau thì được gọi là mode tối.
1.7. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa
1.7.1. Siêu thấu kính
Nhờ vào vật liệu biến hóa chiết suất âm, siêu thấu kính
có thể phục hồi khơng chỉ thành phần truyền qua mà cả thành
phần dập tắt của sóng tới. Đây là khác biệt cơ bản giữa siêu

thấu kính và thấu kính thơng thường. Do đó, độ phân giải của
siêu thấu kính được tăng lên gấp nhiều lần.
1.7.2. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm tàng hình
Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ bao
quanh vật thể bằng siêu vật liệu biến hóa meta từ dương sang
âm, đường đi của sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ


7
cong hồn hảo theo ý muốn. Theo ngun lý đó lớp vỏ siêu vật
liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vịng qua một vật thể
nhờ đó vật thể trở thành tàng hình đối với một bước sóng nhất
định. Điều này tạo nên đột phá lớn trong cả lĩnh vực dân sự và
quân sự.
Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng
chính là vật liệu tàng hình.

Hình 1.1. (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh
vật cần tàng hình; (b) Nguyên lý hoạt động của của áo chồng
tàng hình
1.7.3. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm cảm biến
Phương pháp phổ biến sử dụng vật liệu biến hóa làm
cảm biến trên cơ sở cộng hưởng plasmon bề mặt điện môi vùng
THz, trong đó phân tử có thể được dị ra nhờ sự dịch phổ do sự
hấp thụ của phân tử trên các thiết bị.
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu
Cấu trúc đĩa tròn và cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh
(SRR) đang được coi là giải pháp hiệu quả và phù hợp đối với
các mục tiêu nghiên cứu siêu vật liệu khác nhau như: vật liệu

chiết suất âm, vật liệu hấp thụ tuyệt đối và hiệu ứng trong suốt
cảm ứng điện từ (EIT) hoạt động trên các vùng tần số cao. Đây
cũng là cấu trúc cơ sở mà chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu,


8
khảo sát và tối ưu trong phạm vi của luận án.
2.2. Phương pháp mô phỏng
Trong luận án này, chúng tôi sử dụng phần mềm mô
phỏng thương mại CST Microwave Studio (Computer Simulation
Technology) có bản quyền, để mơ phỏng tính chất điện từ của
vật liệu biến hóa vì tính hiệu quả và độ chính xác cao, phù hợp
với nhiều kết quả thực nghiệm đã được cơng bố.
2.3. Phương pháp tính tốn mạch LC tương đương
Một trong những công cụ hiệu quả để tìm ra quy luật
hoạt động của vật liệu biến hóa dựa trên các thơng số hình học
của cấu trúc đó là lý thuyết mạch điện dao động cộng hưởng
LC. Dưới kích thích của trường điện từ bên ngồi, cuộn cảm
hiệu dụng (L) được quyết định bởi hình dạng lớp kim loại, trong
khi tụ điện hiệu dụng (C) được tạo thành do sự sắp xếp các
thành phần cấu tạo của vật liệu biến hóa (điện mơi – kim loại).
Từ đó, tần số cộng hưởng có thể được dự đốn một cách tương
đối thơng qua các thơng số hình học của từng cấu trúc.
2.4. Xử lý và phân tích số liệu
Trong luận án này, chúng tơi sử dụng các phương pháp
tính tốn của nhóm X.D. Chen đã đề xuất, để xác định các thông
số hiệu dụng (chiết suất hoặc trở kháng hiệu dụng) áp dụng cho
vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số GHz và THz
2.5. Phương pháp thực nghiệm
Trong phạm vi luận án này, chúng tôi bước đầu hiện

thực hóa vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số THz
định hướng ứng dụng cho cảm biến y sinh. Cấu trúc được lựa
chọn bao gồm ba lớp Ag-Si-Ag, được chế tạo trên một đế
saphia kích thước 11 cm2 bằng cách sử dụng phương pháp


9
quang khắc tiêu chuẩn hai bước. Độ dày của các lớp đĩa từ dưới
lên trên là 0,5 μm, 3,0 μm và 0,2 μm. Mẫu chế tạo này đã được
tối ưu dựa trên mô phỏng bằng phần mềm CST.
CHƯƠNG 3: TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA
HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ
3.1. Tối ưu hóa cường độ hấp thụ sử dụng cấu trúc có hốc
cộng hưởng (MAC)
Bằng phương pháp tạo ra hốc cộng hưởng trên cấu trúc
MAC (bằng việc tạo một lỗ hổng ngay trung tâm của ô cơ sở
gồm các đĩa kim loại trịn), luận án đã tối ưu hóa được cường độ
hấp thụ có thể đạt tới 100%, giá trị này cao hơn so với những
MA được nghiên cứu trước đây.
3.2. Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa hấp
thụ sóng điện từ
3.3.1. Sử dụng hiệu ứng tương tác
Để đạt được sự hấp thụ tuyệt đối băng thơng rộng, chúng
tơi đã đưa ra mơ hình MPA mới, cấu tạo từ siêu ô cơ sở 3x3.
Bằng cách loại bỏ bốn đĩa trịn ở các vị trí 1, 3, 7, 9 trong siêu ô
cơ sở, dải tần thu được lên tới 1,0 THz với độ hấp thụ trên 90%.
Độ hấp thụ cao nhất xấp xỉ 98% tại 14,6 THz. Mơ hình vật liệu
MPA này có thể cung cấp một giải pháp tiềm năng cho những
ứng dụng trong tương lai gần.
3.3.2. Sử dụng hàng rào khuyết mạng

Vật liệu biến hóa hấp thụ cấu trúc đĩa trịn tiếp tục được
tối ưu bằng cách kết hợp với cấu trúc hình vng như mơ hình cấu
trúc ơ cơ sở trên hình 3.17(a). Ơ cơ sở gồm lớp điện mơi RF-4 với
độ điện thẩm ε = 4,3 và độ dày td = 1,5 mm xen giữa hai lớp đồng
chiều dày ts = 0,03 mm, có độ dẫn σ = 5,82 × 107 S/m. Lớp trên


10
cùng là một hình vng bao quanh một đĩa trịn trung tâm có
đường kính D = 3,5 mm, lớp dưới cùng phủ tồn bộ diện tích.
Cạnh ngồi hình vng là 9 mm, cạnh trong hình vng là 6,5 mm.

(a)
(b)
Hình 3.17. (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) Cấu trúc với các hàng rào
khác nhau
Chúng tôi khảo sát độ hấp thụ của cấu trúc với 100 ô cơ
sở và 2 hàng rào khuyết mạng với các góc phân cực khác nhau.
Kết quả cấu trúc với 2 hàng rào khuyết mạng cho dải hấp thụ
siêu rộng với độ hấp thụ đạt trên 95% trong vùng từ 20 THz đến
25,3 THz (hình 3.21).

Hình 3. 21. Kết quả mô phỏng biểu thị phổ hấp thụ của cấu trúc
MA với hai hàng rào khuyết mạng trong trường hợp thay đổi góc
phân cực sóng điện từ
3.3. Kết luận
Trên cơ sở đĩa tròn kim loại, các nghiên cứu cấu trúc
hốc cộng hưởng, tương tác của 5 đĩa tròn và hàng rào khuyết
mạng trong vùng tần số THz. Cơ chế hấp thụ và mở rộng dải

11
hấp thụ được phân tích bởi các phân bố dịng điện, điện trường
và từ trường. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả phân tích
theo mơ hình mạch điện tương đương và tính tốn lý thuyết. Từ
đó đề xuất phương pháp tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu
biến hóa. Tối ưu hóa cấu trúc MA kết hợp với hàng rào khuyết
mạng cho dải hấp thụ tiếp tục được mở rộng lên tới 5 THz với
độ hấp thụ lớn hơn 90%.
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA
VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ
ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG CẢM BIẾN
4.1. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng
phương pháp kích thích quang
Trong nghiên cứu này, vật liệu VO2 được sử dụng như
là một chất trung gian để điều khiển vật liệu MPA bằng yếu tố
quang học. Khi cường độ kích thích quang thay đổi, VO2
chuyển pha dần từ kim loại sang điện môi và ngược lại. Do độ
dẫn VO2 thay đổi dẫn tới đáp ứng điện từ của cấu trúc vật liệu
biến hóa cũng bị ảnh hưởng.
4.1.1. Cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh
Để nghiên cứu hiệu quả về khả năng điều khiển MPA
bằng phương pháp bơm quang học. Mơ hình MPA có cấu trúc
vịng cộng hưởng có rãnh (SRR) được lựa chọn để tối ưu hoạt
động tại vùng tần số tương ứng (xung quanh tần số 0,5 THz).
4.1.2. Cấu trúc đĩa trịn bị kht
Trên hình 4.4(a) mơ tả cấu trúc MPA với ba lớp chính bao
gồm: (1) lớp trên cùng chứa các đĩa vàng bán kính R1 = 4,0 µm và
độ dày tm = 0,072 µm; (2) lớp điện môi polyimide ở giữa với độ

12
dày td = 0,6 µm và hằng số điện mơi (độ điện thẩm) ε = 3,5; (3)
dưới cùng là lớp màng mỏng bằng vàng cùng độ dày tm. Để
khảo sát khả năng hấp thụ và điều khiển tần số của cấu trúc này,
phần đĩa trịn có bán kính R1 được kht khuyết theo phần giao
nhau của các đĩa trịn có bán kính lần lượt là R1 và R2 (hình
4.4(a)) và phần khoét khuyết được thay thế bằng vật liệu nhạy
quang VO2.

Hình 4.4. (a) Cấu trúc đĩa trịn bị kht; (b) Sơ đồ mạch điện
tương đương

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn bị
khoét vào bán kính phần đĩa bị khuyết
Hình 4.5(a) mơ tả sự dịch chuyển tần số của phổ hấp
thụ về phía tần số cao khi R2 tăng lên. Điều này được giải thích
dựa trên mơ hình mạch LC tương đương của cấu trúc mơ tả trên
hình 4.4(b). Khi bán kính phần bị bị khoét R2 tăng lên, dẫn tới


13
diện tích hiệu dụng của đĩa vàng có bán kính R1 bị giảm đi do
đó thành phần điện cảm Lm và Cm của cấu trúc cũng giảm. Hệ
quả là tần số đáp ứng cộng hưởng từ của cấu trúc sẽ tăng lên.
Hình 4.5 cho thấy kết quả mơ phỏng cho thấy tại R2 = 0 đỉnh
cộng hưởng phổ hấp thụ tại 10,8 THz, tại R2 = 0,3 μm, 1,2 μm,
2,4 μm, 3,6 μm, 4,8 μm đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ lần lượt
là 10,9 THz, 11,0 THz, 12,2 THz, 13,8 THz và 15,8 THz.
4.1.3. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ

Trong phần này, dựa trên sự thay đổi giá trị độ dẫn điện
của phần đĩa khuyết VO2 (bán kính R2) trong dải tần số từ 10
THz đến 25 THz, vật liệu MA có thể dễ dàng điều khiển được
cường độ và tần số hấp thụ trong vùng tần số THz.
4.2. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng
phương pháp kích thích nhiệt
4.2.1. Tính chất nhiệt của vật liệu InSb
Để nghiên cứu khả năng điều khiển hiệu quả hoạt động
của vật liệu MPA bằng yếu tố nhiệt độ trong vùng THz, vật liệu
bán dẫn InSb được lựa chọn nghiên cứu trong phần này. Khi
nhiệt độ tăng lên làm cho nồng độ hạt tải cũng tăng lên, dẫn tới
tính chất kim loại của InSb được biểu hiện rõ ràng hơn và ảnh
hưởng đáng kể tới sự tương tác của vật liệu biến hóa với trường
điện từ bên ngoài.
4.2.2. Điều khiển tần số và cường dộ hấp thụ của cấu trúc
vịng cộng hưởng
Hình 4.11(a) mơ tả cấu trúc MA với ba lớp: (1) lớp trên
cùng chứa các vịng nhẫn có rãnh được sắp xếp một cách tuần
hồn: a = 50 μm, l = 40 μm 0, g = 5 μm và w = 6 μm; (2) lớp ở
giữa là điện môi với chiều dày ts = 8 μm, và (3) lớp đế được phủ


14
một lớp kim loại bằng vàng. Để tiện trong tính toán, độ dày của
các vật liệu kim loại trong cấu trúc được đặt tm = 1 μm. Để điều
khiển MA bằng nhiệt độ, giữa hai khe của SRR được thêm vật
liệu InSb. Hình 4.11(b) mơ tả mạch điện tương đương LC của
cấu trúc này.

(a)

(b)
Hình 4.11. (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb;
(b) sơ đồ mạch điện tương đương

Hình 4.12. Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào
nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng từ 260 K đến 380 K, tần số hấp thụ đã bị
dịch chuyển từ 0,5 THz đến 0,65 THz. Điều này được giải thích
khi nhiệt độ tăng, nồng độ hạt tải (N) của vật liệu InSb tăng, kéo
theo giá trị điện cảm L1 và L3 tăng. Do đó, giá trị điện cảm tổng
cộng L của vật liệu MPA sẽ giảm đi. Vì vậy, tần số cộng hưởng từ
của MPA này sẽ tăng lên đúng như kết quả trên đồ thị hình 4.12.


15
4.3. Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ làm cảm biến
4.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz
Trong phần này, chúng tơi sẽ trình bày cách ứng dụng
cấu trúc vật liệu biến hóa bản mỏng kích thước micromet, hoạt
động như một bộ khuếch đại nhằm tăng cường tín hiệu dao
động hấp thụ ở vùng THz của một lớp hấp phụ siêu mỏng các
phân tử hữu cơ cỡ lớn.
4.3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân
tử bị(BSA)

Hình 4.13. (a) Minh họa mẫu MM; (b) mặt cắt của mẫu;
(c) ảnh SEM của mẫu
Cấu trúc MM ba lớp bạc-Silic-bạc (Ag-Si-Ag) được cho
trên hình 5.10(a) và (b). Hình 5.10(c) là hình ảnh SEM nghiêng
30 độ của thiết bị MM. Các dãy gồm hai đĩa bạc, được dùng như

cấu trúc cộng hưởng ở trên và ở dưới, với lớp điện môi Si kẹp ở
giữa, được đặt trên đế saphia. Các bề dày khác nhau (0,2 μm và
0,5 μm) và độ rộng khác nhau (6 μm và 10 μm) được chọn cho
các đĩa bạc cộng hưởng trên và dưới. Bề dày của điện môi Si và
độ tuần hoàn của cấu trúc tương ứng là 3 μm và 20 μm.
4.3.3. Tính chất quang của vật liệu biến hóa
Hình 4.14(a,b) trình bày kết quả đo và mơ phỏng phổ
truyền qua của mẫu chế tạo. Phổ truyền qua của vật liệu biến


16
hóa cho thấy hai cộng hưởng ở tần số 4,2 THz (hay là 140 cm-1,
được gọi là đỉnh M1, ở tần số thấp) và 5,8 THz (hay là 194 cm-1,
được gọi là đỉnh M2, ở tần số cao). Trong hai đỉnh cộng hưởng
của đĩa ba lớp kim loại - điện môi - kim loại, đỉnh tần số thấp
thường do cộng hưởng lưỡng cực từ, tần số cao là do cộng
hưởng lưỡng cực điện. Hình 4.14(c) cho kết quả mơ phỏng khác
của phân bố trường điện từ, được thực hiện nhằm cho cái nhìn
sâu hơn vào quan hệ giữa hai mode.

Hình 4.14. Kết quả (a) đo đạc; (b) mô phỏng phổ truyền qua
của vật liệu biến hóa; (c) Mơ phỏng phân bố điện từ trong vật
liệu biến hóa ở mode kích thích M1 và M2
4.3.4. Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa
Hình 4.15 là kết quả cảm biến protein BSA dùng vật
liệu biến hóa. Từ 50 cm-1đến 2000 cm-1, BSA là phân tử duy
nhất có tín hiệu dao động, định vị ở 4,8 THz, như trên hình
5.12(a). Phổ BSA được vẽ cùng với phổ vật liệu biến hóa nhằm
nhấn mạnh sự phù hợp phổ của cộng hưởng vật liệu biến hóa và
tín hiệu phân tử đích. Mặc dù mục đích ban đầu, đó là làm trùng

17
khớp vị trí của mode M1 với tín hiệu dao động BSA, đã không
đạt được, sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm (trong
hình 4.14) đủ nhỏ để bỏ qua. Tín hiệu BSA nằm giữa hai mode
của vật liệu biến hóa và ở mức năng lượng cao hơn mode M1
của vật liệu biến hóa.

Hình 4.15. (a) Phổ truyền qua của lớp BSA (vịng đen) đo
trước thí nghiệm cảm biến, độ lớn tín hiệu truyền qua cỡ 25%. Phổ
này được trình bày cùng với phổ truyền qua của mẫu vật liệu biến
hóa (vịng trịn đỏ) để trùng khớp giữa tín hiệu của protein và cộng
hưởng của vật liệu biến hóa. Đường màu đỏ thể hiện đường nội
suy Fano cho tín hiệu của BSA với độ dày nhỏ hơn micromet. (b)
Phổ truyền qua tương đối của lớp BSA siêu mỏng hấp phụ trên
mẫu vật liệu biến hóa và trên đế saphia. (c) Phổ cho phân tử
DTTCI và RH6G đo cùng điều kiện.


18
4.4. Kết luận
Trong chương này, tác giả nghiên cứu chứng minh khả
năng điều khiển MPA bằng phương pháp kích thích quang học
vào vật liệu VO2 và phương pháp kích thích nhiệt vào vật liệu
InSb. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng điều khiển tần số
và cường độ hấp thụ hiệu quả.Chúng tơi đã biểu diễn rằng vật
liệu biến hóa ở vùng THz với thiết kế phù hợp có khả năng cảm
biến với phân tử tương tự như quang phổ tăng cường bề mặt ở
tần số quang học. Quang phổ tăng cường bởi vật liệu vật liệu

biến hóa hiện tại có thể đặc biệt hữu dụng, do nó cung cấp một
phương thức đơn giản cho cảm biến không phá hủy các phân tử
sinh học lớn, tạo ra hướng đi mới cho áp dụng cảm biến vùng
THz vào các ứng dụng trong cơng nghiệp.
CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU BIẾN HĨA HẤP THỤ SÓNG
ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC
TRƯỜNG GẦN VÀ HIỆU ỨNG BABINET
5.1. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong
hiệu ứng EIT
Hình 5.1 mơ tả ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên
hiệu ứng tương tác trường gần. Cả hai mặt kim loại có độ dày
ts = 0,5 μm, độ dày của lớp điện môi là t m = 1,4 μm. Cấu trúc ở
mặt trước là sự sắp xếp giữa một thanh kim loại được xếp dọc
và hai thanh kim loại (dài hơn) được xếp ngang ở mỗi đầu. Kích
thước của thanh kim loại xếp dọc: l1 = 5,5 μm và w1 = 2,5 μm.
Đối với thanh kim loại xếp ngang, độ dài và rộng tương ứng là
13,5 μm và 1,5 μm. Kích thước ơ cơ sở là 15 μm. Lớp điện mơi
có hằng số điện mơi là 11,9, độ dẫn của Bạc là 6,3  107 S/m.


19

Hình 5.1. Ơ cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên hiệu ứng tương
tác trường gần
Tại tần số từ 6,0 THz tới 8,5 THz, cấu trúc gồm 2 thanh
kim loại nằm ngang không tạo ra đỉnh hấp thụ, trong khi đó cấu trúc
gồm 1 thanh kim loại nằm dọc tạo ra một đỉnh hấp thụ 80% tại tần
số 7,49 THz. Tuy nhiên, khi ghép đôi 2 cấu trúc lại, như trên hình
5.1, thay vì một đỉnh hấp thụ, có đến hai đỉnh hấp thụ với cường độ
92% và 100% được ghi nhận tại tần số 7,02 THz và 7,49 THz.

Hình 5.2. Kết quả mơ phỏng phổ hấp thụ của các cấu trúc
ở hình 5.1
5.2. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên khuyết mạng
Trong phần này, chúng tôi tập trung nghiên cứu sự ảnh
hưởng của khuyết tật mạng lên tính chất đỉnh hấp thụ của cấu
trúc vật liệu biến hóa. Bằng cách sử dụng mơ hình loại bỏ
những cấu trúc ở giữa theo hai chiều ngang và dọc của siêu ô cơ
sở (3x3 ơ cơ sở), chúng ta có cấu trúc hấp thụ dựa trên khuyết


20
tật mạng. Độ hấp thụ trong cấu trúc chứa khuyết tật mạng cũng
được tăng lên với độ hấp thụ đạt 98%, 100% và 97% tại 3 tần số
cộng hưởng tương ứng 6,88 THz, 7,53 THz và 7,84 THz.
5.3. Áp dụng nguyên lý Babinet cho ứng dụng hấp thụ dựa
trên hiện tượng EIT
Cấu trúc MPA sử dụng được trong hình 5.8 có cấu tạo:
lớp bạc chiều dày tm = 0,1 µm, kớch thc ụ c s l 340ì340
àm2 vi 3 l trống hình chữ nhật (hai lỗ trống dọc và một lỗ
trống ngang với chiều dài l = 220 µm, chiều rộng w = 20 µm,
khoảng cách giữa giữa thanh dọc với thanh ngang là d = 25 µm).
Lớp điện mơi ở giữa là thủy tinh chịu nhiệt chiều dày td = 50 µm với
chiết suất n = 2,195. Lớp dưới cùng là bạc chiều dày tm = 0,1 µm.

Hình 5.8. Cấu trúc ơ cơ sở của MPA nhìn (a) góc nghiêng và (b)
góc trực diện từ trên xuống

Hình 5.10. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dịch chuyển s
của lỗ trống ngang

21
Hình 5.10 biểu diễn sự thay đổi của phổ hấp thụ khi
dịch chuyển vị trí của lỗ trống ngang dọc theo chiều của E. Ban
đầu, khi s = 0, cấu trúc của MPA là đối xứng và chỉ tồn tại một
đỉnh hấp thụ. Khi s tăng, tính đối xứng của MPA bị phá vỡ.
Đỉnh hấp thụ ban đầu bị tách thành hai đỉnh hấp thụ riêng biệt
và khoảng cách giữa các đỉnh hấp thụ càng xa khi giá trị của s
càng lớn. Với s = 80 µm, ta có thể quan sát thấy hai đỉnh hấp
thụ tại 0,32 THz và 0,34 THz đều có độ hấp thụ là 97%.
5.4. Kết luận
Bằng cách khéo léo tận dụng hiệu ứng EIT, tương tác
trường gần và tạo ra khuyết tật trong cấu trúc khối vật liệu biến
hóa, chúng tơi đã xây dựng mơ hình vật liệu hấp thụ MPA đa
đỉnh với độ hấp thụ lớn hơn 90%. Cơ chế hấp thụ được giải
thích dựa trên sự phân bố lại điện từ trường tại vùng tần số cộng
hưởng, bên cạnh sự tương tác giữa các cộng hưởng nội tại với
các cộng hưởng dẫn sóng GMR. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng,
khuyết mạng không chỉ tăng số đỉnh cộng hưởng mà còn tăng
cường độ hấp thụ tại mỗi đỉnh. Ngoài ra, cấu trúc hấp thụ được
thiết kế dựa trên nguyên lý Babinet cũng tạo ra được đỉnh cộng
hưởng có độ hấp thụ cao. Bằng cách thay đổi thơng số cấu trúc,
chúng tơi cũng có thể điều khiển được vị trí tương ứng của các
đỉnh cộng hưởng. Đây là những kết quả bước đầu quan trọng
trong việc tối ưu, điều khiển và hiện thực hóa vật liệu biến hóa
hoạt động trong vùng tần số THz.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận

án

“Nghiên

cứu

vật

liệu

biến

hóa

(metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz” đã
được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ và Viện


22
Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam. Những kết quả nghiên cứu của luận án đã được cơng bố
trên 6 tạp chí quốc tế (04 tạp chí ISI, 02 tạp chí Scopus), 04 bài
đăng trên kỷ yếu hội thảo khoa học chuyên ngành.
Luận án có một số đóng cho nghiên cứu về Khoa học
vật liệu nói chung và Vật liệu biến hóa nói riêng:
1. Đã tối ưu được cấu trúc của vật liệu biến hóa nhằm tăng độ
hấp thụ và mở rộng dải tần trong vùng tần số THz: Cấu trúc hốc
cộng hưởng (MAC), cấu trúc 5 đĩa cộng hưởng mở rộng dải tần
hấp thụ 1 THz với độ hấp thụ trên 90%, cấu trúc hàng rào
khuyết mạng mở rộng dải tần lên tới 5THz với độ hấp thụ trên

95%. Giải thích được cơ chế hấp thụ sóng điện từ và cơ chế mở
rộng dải hấp thụ của vật liệu biến hóa.
2. Đã nghiên cứu điều khiển tần số và cường độ hấp thụ của vật
liệu biến hóa bằng kích thích quang học và nhiệt độ (sử dụng
vật liệu VO2 hoặc InSb). Tần số hấp thụ của MPA có thể thay
đổi từ 10,8THz-15,5 THz khi độ dẫn của VO2 thay đổi từ 1,8.107
S/m đến 5.10-19 S/m. Khi thay đổi nhiệt độ của InSb từ 260 K-380
K có thể điều chỉnh tần số hấp thụ từ 0,5THz-0,65 THz.
3. Đã thiết kế và nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh
với độ hấp thụ lớn hơn 90% trên cơ sở tương tác trường gần. Lý
giải cơ chế tương tác trường gần, từ đó vận dụng để điều chỉnh
tần số cộng hưởng bằng các tham số cấu trúc.
4. Đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần


23
số THz để nghiên cứu cơ chế tăng cường tín hiệu dao động
riêng của phân tử protein bò. Bước đầu chứng tỏ vật liệu biến
hóa hoạt động vùng tần số THz có khả năng sử dụng làm cảm
biến đo phân tử hữu cơ.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Tiếp tục nghiên cứu và tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp
thụ sóng điện từ vùng tần số THz và nhìn thấy, khả năng ứng
dụng vật liệu biến hóa trong thực tế.
2. Nghiên cứu chế tạo cảm biến không phá hủy các phân tử
sinh học cũng như ứng dụng trong công nghiệp trên cơ sở vật
liệu biến hóa.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
1. Manh Cuong Tran, Dinh Hai Le, Van Hai Pham, Hoang

Tung Do, Dac Tuyen Le, Hong Luu Dang, and Dinh Lam Vu,
Controlled

Defect

Based

Ultra

Broadband

Full-sized

Metamaterial Absorber, Scientific Reports 8, 9523 (2018).
2. Tung S. Bui, Thang D. Dao, Luu H. Dang, Lam D. Vu,
Akihiko Ohi, Toshihide Nabatame, YoungPak Lee, Tadaaki
Nagao,

and

Chung

V.

Hoang,

Metamaterial-enhanced

vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein
molecules, Scientific Reports 6, 32123 (2016).

3. Dang Hong Luu, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Le Dac
Tuyen and Vu Dinh Lam, Multi-band absorption induced by
near-field coupling and defects in metamaterial, Optik -