Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển biên độ và tần số hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa trong vùng tần số quang học​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH THỊ NGA

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BIÊN ĐỘ VÀ TẦN SỐ
HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA
TRONG VÙNG TẦN SỐ QUANG HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN – 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH THỊ NGA

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BIÊN ĐỘ VÀ TẦN SỐ
HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA
TRONG VÙNG TẦN SỐ QUANG HỌC
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8 44 01 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1.TS. Bùi Xuân Khuyến
2.TS. Nguyễn Thị Hiền

THÁI NGUYÊN – 2020

i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Bùi Xuân Khuyến và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố trong các cơng trình
khác.
HỌC VIÊN

ĐINH THỊ NGA


ii
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới TS.
Bùi Xuân Khuyến và TS. Nguyễn Thị Hiền. Thầy và cô đã luôn tận tình
hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá
trình thực hiện và cơng bố các cơng trình khoa học để tơi hồn thành luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của các thành viên nhóm
nghiên cứu MetaGroup – IMS dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Vũ Đình Lãm
tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học
và Công nghệ và đặc biệt là Khoa Vật lý và Công nghệ – Trường Đại học
Khoa học (Đại học Thái Nguyên) đã tạo điều kiện thuận lợi về môi trường
khoa học chuyên nghiệp, cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành
chính thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và học tập.
Cuối cùng, tơi xin gửi lịng biết ơn đến gia đình đã ln tin tưởng và là

nguồn động lực to lớn để tơi hồn thành luận văn này.
HỌC VIÊN

ĐINH THỊ NGA


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................ii
MỤC LỤC....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................vi
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA
(METAMATERIALs).............................................................................5
1.1. Định nghĩa, nguyên lý cơ bản để tạo ra vật liệu biến hóa..........................5
1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ........................................7
1.3. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu hấp thụ với môi trường....................12
1.4. Cơ chế tiêu tán năng lượng trong MPAs..................................................14
1.5. Cơ chế hấp thụ trong MPAs..................................................................... 15
1.6. Vật liệu biến hoá hoạt động trên vùng quang học....................................16
CHƯƠNG II – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................20
2.1. Phương pháp mô phỏng........................................................................... 21
2.2. Phương pháp thực nghiệm tại vùng tần số thấp GHz.............................. 24
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................27
3.1. Điều khiển biên độ và tần số hấp thụ dựa trên hiệu ứng chuyển đổi
phân cực................................................................................................27
3.2. Tối ưu MPA hấp thụ ánh sáng dải kép..................................................... 38
KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................45

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........................................................46
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN....................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................48


iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
CW
CWP
CST

EMT
LHM
FIT
CWP
MM
MPA
TE
TM
SRR

SRD


v
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tham số Drude cho các kim loại thường dùng cho thiết kế [54]. .. 23
Bảng 3.1. Thông số mạch hiệu dụng của diode varactor SMV2019-079LF. . 29

vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA [19].
...........................................................................................................................
7
Hình 1.2. Minh họa sự biến đổi của cấu trúc từ CWP hình vng, CWP hình
bát giác và CWP hình kim cương thu được bằng cách giảm dần
tham số hình dạng m [4]. 9
Hình 1.3. Phổ hấp thụ phần ảo của độ điện thẩm và phần ảo của độ từ thẩm
của CWP hình kim cương [46]. 10
Hình 1.4. (a) Ơ cơ sở và (b) Phổ phản xạ (xanh lục), phổ truyền qua (xanh
lam) và phổ hấp thụ (màu đỏ) của MPA đầu tiên được tìm ra bởi
Landy năm 2008. Độ hấp thụ A được tính tốn từ độ phản xạ R và
độ truyền qua T (A = 1 – T – R) [4].

11

Hình 1.5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hoàn hảo của vật liệu biến hóa với
mơi trường hoạt động với các cấu trúc hình lập phương và hình
trụ.

13

Hình 1.6. Minh hoạ sự phân bố tổn hao Ohmic và tổn hao điện môi tại tần số
cộng hưởng trong vùng tần số GHz [4].

15

Hình 1.7. (a) Sơ đồ của cấu trúc vật liệu meta hấp thụ một đỉnh. Một lớp hạt
vàng và một màng vàng, được ngăn cách bởi một lớp điện môi
Al2O3. (b) Phổ hấp thụ đo được (trên) và mô phỏng (dưới) của
cấu trúc hấp thụ ở góc tới 20 °. (c) Giản đồ của ánh sáng với góc
phân cực θ tới cấu trúc vòng cộng hưởng - đĩa tròn. (d) Sự hấp
thụ băng tần kép trong cấu trúc hấp thụ được đề xuất (vạch xanh
lam) và quang phổ hấp thụ trong khí quyển (vạch đỏ). (e) Cấu
trúc ơ cơ sở của chất hấp thụ dựa trên bốn bộ cộng hưởng hình
chữ thập. (f) Độ hấp thụ đo được của cấu trúc với bốn bộ cộng
hưởng hình chữ thập. (g) Sơ đồ của cấu trúc hấp thụ băng tần
rộng và sự hình thành màng kim loại bằng quá trình lắng đọng
phún xạ. (h) Phổ hấp thụ (nét liền) và phổ phản xạ (nét đứt) của
MMA. Inset: ảnh quang học của chất hấp thụ có kích thước là
2x2cm2.

18


vii
Hình 2.8. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ.
20
Hình 2.2. Minh hoạ sự phân bố từ trường trên bề mặt của vật liệu biến hóa
tại các vị trí tần số cộng hưởng được quan sát bởi CST.

22

Hình 2.3. Sơ đồ bố trí phép đo phản xạ sử dụng hệ đo Vector Network
Analyzer ZNB20 đặt tại Viện Khoa học vật liệu.

25

Hình 3.1. Thiết kế ba chiều của ô đơn vị với các thông số cấu trúc được tối
ưu hóa: L = 24,5, a = 22, b = 11, d = 1,2, g = 4, m = 0,5, n = 0,5,
t = 1,6 và tm = 0,035 mm. (b) Mơ hình tương đương đơn giản hóa
của diode SMV2019-079LF. (c) Mẫu chế tạo tích hợp với các tụ
điện và (d) bố trí thí nghiệm đo tương ứng, bằng cách sử dụng
Vector Network Analyzer ZNB20 (1 - 18 GHz).

28

Hình 3.2. Đối với chế độ PA, các kết quả mô phỏng của (a) hệ số phản xạ
đồng phân cực - phân cực chéo và (b) độ hấp thụ tương ứng cho
cấu trúc MM lai hóa ở điện áp 0V, và (c), (d) cấu trúc MM cơ
bản thứ nhất chỉ bao gồm một bề mặt meta với hai khe.

30

Hình 3.3. Đối với chế độ PC, (a) kết quả mô phỏng hệ số phản xạ Rvu và
Ruu, và (b) PCR cho cấu trúc MM lai hóa khi một điện áp ngược
-19 V được đặt vào. Kết quả mô phỏng và đo (c) Rvu, Ruu, và
(d) PCR cho cấu trúc MM cơ bản thứ 2 với 3 khe trên bề mặt
meta. 31
Hình 3.4. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của (a) hệ số phản xạ đồng phân
cực Ruu và hệ số phản xạ phân cực chéo Rvu, và (b) PCR tương
ứng của cấu trúc MM lai hóa, khi điện áp phân cực thay đổi từ 0
đến -19 V. Kết quả đo (c) các hệ số phản xạ và (d) PCR ở điện
áp ngược 0 và -4 V.

33

Hình 3.5. (a) Sơ đồ trực quan sự chuyển đổi phân cực u sang v. (b) Độ lớn
của các hệ số phản xạ u và hệ số phản xạ v. Các pha của (c) hệ số
phản xạ đồng phân cực và (d) hệ số phản xạ phân cực chéo khi
vectơ điện trường của sóng điện từ tới dọc theo trục u và v.

34


viii
Hình 3.6. Sự phân bố của dịng điện bề mặt cảm ứng trên các bề mặt trên và
dưới ở các tần số cộng hưởng (a) 3.7, (b) 5.7 và (c) 6.0 GHz trong
trường hợp chế độ PA (khơng có điện áp) và (d) 4.0 GHz cho chế
độ PC (ở điện áp -19).

36

Hình 3.7. Phân bố mật độ tổn hao năng lượng tại (a) 3.7 (b) 5.7 và (c) 6.0 GHz

ở chế độ PA (khơng có điện áp) và (d) 4.0 GHz đối với chế độ PC
(điện áp -19 V).

37

Hình 3.8. Nghiên cứu sâu hơn trong dải tần THz đối với (a) chế độ PA bằng
cách sử dụng MM cơ bản thứ nhất được giảm kích thước và (b)
chế dộ PC bằng cách sử dụng cấu trúc MM cơ bản thứ hai được
giảm kích thước. 38
Hình 3.9. Cấu trúc ơ cơ sở của vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện
từ cấu tạo từ kim loại và điện mơi.

39

Hình 3.10. Phổ hấp thụ của cấu trúc hai thanh kim loại sắp xếp theo phương:
(a) dọc và (b) ngang.

40

Hình 3.11. Phổ hấp thụ của cấu trúc vật liệu biến hóa đề xuất với các tham
số w = 0.05 µm, a = 0.3 μm, td = 0.025 µm, tm = 0.006 μm.

41

Hình 3.12. Ảnh hưởng của (a) độ dày lớp điện mơi, (b) độ dày lớp kim loại
và (c) kích thước ô cơ sở đến phổ hấp thụ của MPA.................Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.13. Ảnh hưởng của độ rộng (a) và độ dài (b) thanh kim loại đến phổ
hấp thụ của cấu trúc vật liệu đề xuất. 43
Hình 3.14. Ảnh hưởng của vật liệu kim loại cấu thành đến phổ hấp thụ của
cấu trúc đề xuất.

44


ix


1
MỞ ĐẦU
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 cơng nghệ ln đi kèm với sự tích
hợp các vật liệu quý tồn tại trong tự nhiên và 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 vật liệu điện từ mới hay còn gọi là vật liệu biến hóa
(Metamaterials – MMs) chứa đựng nhiều tính chất độc đáo chưa từng được
quan sát trong tự nhiên. Trải qua hơn nửa thế kỷ từ mơ 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 dịng năng lượng hay sự phát xạ
Cherenkov ngược [1]. 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.
Về bản chất điện từ, tính chất thú vị của vật liệu biến hóa đạt được thơng
qua sự sắp xếp và điều khiển cấu trúc hình học mà khơng phụ thuộc vào đặc tính
tự nhiên của vật chất tạo thành. Nhờ lợi thế này, vùng tần số hoạt động của vật
liệu biến hóa có thể được thiết kế thay đổi linh hoạt cho các ứng dụng thực tế từ
vùng tần số sóng Radio đến vùng quang học [2, 3]. Về cấu tạo vật lý, vật liệu
biến hóa được cấu thành từ các “giả ngun tử” nhân tạo có kích thước nhỏ hơn
nhiều lần bước sóng hoạt động. Các “giả nguyên tử” này thực chất là các cấu
trúc cộng hưởng tạo thành từ vật liệu điện môi – kim loại, được sắp xếp tuần
hồn (hoặc khơng tuần hồn) tùy theo mục đích tạo ra các hiệu ứng điện từ mong
muốn. Bên cạnh sự linh hoạt trong các ứng dụng trên mọi vùng tần số, vật liệu
biến hóa cũng sở hữu kích thước ô cơ sở nhỏ hơn rất nhiều lần so với


2
bước sóng hoạt động. Với tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn đó,
các sản phẩm dựa trên vật liệu biến hóa cũng đang dần xuất hiện ngày càng

nhiều trên thị trường thương mại quốc tế theo 5 lĩnh vực ứng dụng chính:
Cảm biến, liên lạc qua vệ tinh (Satcom) và viễn thơng, hàng khơng và quốc
phịng, quang học (vùng THz và hồng ngoại) và các thiết bị y tế. Lĩnh vực
nghiên cứu về vật liệu biến hóa được dự đốn sẽ có tốc độ tăng trưởng 63,1%
từ năm 2017 đến 2025 [Theo báo cáo mã số SE2430 của công ty tư vấn và
nghiên cứu thị trường MarketsandMarkets năm 2017].
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 phần” 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 [4]. Do đó, lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là vật liệu biến hóa
hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers – MPAs) đã
nhanh chóng được đẩy nhanh phát triển cả về lý thuyết cũng như thực nghiệm
tại khắp các quốc gia trên thế giới. 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 thường bị giới hạn
trong khoảng một phần tư bước sóng hoạt động [5]. Bên cạnh kích thước
mỏng chỉ bằng một phần ba mươi bước sóng hấp thụ, thực nghiệm từ nhóm
nghiên cứu của Landy cịn 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 này, MPAs cũng nhanh
chóng được đẩy mạnh nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế từ vùng
tần số MHz đến vùng quang học [6, 7].
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu biến hóa trên thế giới
cực kì sơi động và đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Nắm bắt được xu thế
này, kể từ năm 2009 tại Việt Nam, hướng nghiên cứu các đặc tính điện từ của


3
vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng phương pháp lý thuyết, mô phỏng,

chế tạo và đo đạc đã được triển khai tại nhóm nghiên cứu của GS. TS. Vũ
Đình Lãm tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã có nhiều cơng trình nghiên cứu được cơng bố trên các tạp
chí uy tín [8, 9]. Ngồi ra, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Thị Quỳnh
Hoa tại Trường Đại học Vinh, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Trần Mạnh
Cường thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội cũng đang đẩy
mạnh nghiên cứu về lĩnh vực này để ứng dụng trong vấn đề mã hoá và chuyển
đổi phân cực [10].
Vật liệu biến hóa nói chung hoạt động dựa trên các cộng hưởng điện từ
khi tương tác với các thành phần điện E và thành phần từ H của sóng điện từ
chiếu đến. Chính vì vậy, các tính chất hấp thụ tuyệt đối thường chỉ thể hiện
trong vùng rất hẹp và khó điều khiển về biên độ và tần số hấp thụ. Mặc dù các
mơ hình đang được đề xuất tỏ rõ một số lợi thế trong sự hoạt động cũng như
được tích hợp các vật liệu mới, tuy nhiên, thiết kế cấu trúc với kích thước của
ơ

cơ sở cấu thành vật liệu rất nhỏ (cỡ vài trăm nm đến vài μm) dẫn tới quá

trình điều khiển đặc tính hấp thụ cũng như q trình chế tạo vẫn còn phức tạp
nên giá thành cao, đặc biệt trong vùng tần số quang học. Bên cạnh đó, sự đạt
được đồng thời sự dịch chuyển tần số trong khi duy trì độ hấp thụ sóng điện
từ cao (trên 90%) đang gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa, trong thực tế, sự tận
dụng sự phát xạ của sóng điện từ với góc tới và góc phân cực khác nhau hoặc
hiệu ứng chuyển đổi phân cực chưa được quan tâm nghiên cứu và đánh giá
đầy đủ, dẫn tới việc ứng dụng các mơ hình điều khiển tần số và biên độ hấp
thụ của vật liệu biến hố chưa mang tính khả thi cao. Do đó, việc đề xuất các
mơ hình điều khiển tần số và biên độ hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến
hóa hoạt động trên vùng tần số quang học phù hợp với công nghệ chế tạo ở
trong nước là cần thiết để sớm tích hợp với các thiết bị cơng nghệ (ví dụ như
cho bộ mạch điện tử chức năng bên trong thiết bị đang hoạt động từ GHz đến

THz: bộ lọc, bộ khuếch đại, bộ điều biến…).


4
Mục tiêu của luận văn: Nghiên cứu điều khiển biên độ và tần số hấp
thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa trong vùng tần số quang học.
Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện dựa
trên việc kết hợp giữa xây dựng mơ hình vật lý, mơ phỏng thiết kế cấu trúc, và
kiểm chứng bằng các phép đo thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn: Luận văn là một cơng
trình nghiên cứu cơ bản. Các nghiên cứu cho thấy việc thiết kế các mơ hình
vật liệu biến hóa với tính chất điện từ và tần số hoạt động theo ý muốn trong
vùng quang học là cần thiết và mang tính thời sự cao. Các kết quả chỉ ra khả
năng điều khiển biên độ và tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa có thể thực
hiện một cách hệ thống, khoa học và là ưu điểm nổi trội so với vật liệu thơng
thường. Bên cạnh đó, tại vùng tần số thấp hơn, hiệu ứng chuyển đổi phân cực
được đánh giá cụ thể đóng góp một phần quan trọng trong thiết kế và làm rõ
được bản chất vật lý của các mơ hình MPAs bất đối xứng. Đây là tiền đề cho
những nghiên cứu tiếp theo ở vùng tần số cao, tiến tới làm chủ hồn tồn cơng
nghệ thiết kế chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng hồng ngoại và khả
kiến với nhiều ứng dụng quan trọng trong phát triển công nghệ linh kiện
quang điện tử nhằm phục vụ cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
Luận văn được chia thành 3 chương như sau:
Chương I: Tổng quan về vật liệu biến hóa (Metamaterials)
Chương II: Phương pháp nghiên cứu
Chương III: Kết quả và thảo luận


5

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIẾN HÓA
(METAMATERIALs)
1.1. Định nghĩa, nguyên lý cơ bản để tạo ra vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa là một loại vật liệu điện từ nhân tạo, được xây dựng dựa
trên sự sắp xếp tuần hồn hoặc khơng tuần hồn của những ơ cơ sở gọi là các
cấu trúc cộng hưởng đơn vị. Chúng đóng vai trị như các “giả ngun tử” (meta

– atom). Những “giả nguyên tử” này thực chất là những mạch cộng hưởng
điện từ với kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng mà tại đó các tính chất
đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện [15]. Bằng cách thay đổi tính chất
hoặc quy luật sắp xếp của các “giả nguyên tử”, chúng ta có thể thu được vật
liệu biến hóa với tính chất hồn tồn khác biệt với các vật liệu sẵn có trong tự
nhiên, trong đó, điển hình như tính chiết suất âm [16], nghịch đảo định luật
Snell [17], nghịch đảo định luật Dopler [18]….
Tương tác giữa vật liệu biến hóa và sóng điện từ được nghiên cứu dựa
vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory – EMT). Lý
thuyết này được áp dụng khi xem xét sự tương tác giữa ánh sáng với một vật
liệu bất kỳ. Một trong các đại lượng đặc trưng cho sóng điện từ là tần số hoặc
bước sóng. Bước sóng của ánh sáng thường có kích thước rất lớn so với kích
thước của các nguyên tử cấu thành vật liệu cũng như khoảng cách giữa chúng.
Vì vậy, ánh sáng khó có thể phân giải chi tiết sự tồn tại độc lập của từng
nguyên tử trong vật liệu. Do đó, EMT sẽ tính trung bình tất cả các ngun tử
và coi MMs như là một môi trường đồng nhất được đặc trưng bởi các tham số
điện từ đó là độ điện thẩm hiệu dụng (hay còn được gọi là hằng số điện mơi) ε
và độ từ thẩm hiệu dụng µ.
Xét trường hợp đặc biệt là MMs chiết suất âm, phương trình tán sắc liên
quan đến độ điện thẩm ε và độ từ thẩm µ được biểu diễn thành:


2

|
2

⃗

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 như sau:

k2 =

với:
n2 = εμ
Từ (1.2) và (1.3) ta thấy khi 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, nếu vật liệu
có giá trị ε và μ cùng âm, khi đó sẽ dẫn đến những tính chất vật lý kỳ diệu
hồn tồn khác biệt so với tính chất của các vật liệu thơng thường. Hệ phương
trình Maxwell cho vật liệu:
⃗

1

∇×=−

⃗

1

∇× =

Với:

(1.4)

⃗

⃗

=

⃗

=

(1.5)
⃗

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 rỳt gn thnh:
kìH=



cE


kìE= càH

(1.6)

7
⃗ ⃗ ⃗

Biểu thức (1.6) cho thấy: Nếu cả ε và μ cùng dương, khi đó 3 vectơ , , tạo thành một tam diện thuận (tuân
⃗ ⃗ ⃗
theo quy tắc bàn tay phải, là loại vật liệu thường thấy trong tự nhiên). Nếu ε và μ đồng thời âm, khi đó 3 vectơ , ,
sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái, gọi là vật liệu biến hố). Cùng lúc đó, hướng của
dịng năng lượng được xác định bởi vectơ Poynting không phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ε và μ:

r
S=
⃗

⃗

⃗

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 song).
Đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa trường hợp vật liệu biến hoá chiết suất âm với trường hợp vật liệu tự nhiên.

1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ

Hình 1.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MPA [19].

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ là vật liệu có khả năng hấp
thụ hồn tồn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới. Cơ chế hoạt động của


8
MPAs dựa trên sự kết hợp đồng thời hiện tượng phối hợp trở kháng hoàn toàn
xung quanh cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. Tại tần số cộng hưởng, các
đại lượng truyền qua, phản xạ đều bị triệt tiêu do các “giả ngun tử” tạo ra
một mơi trường có độ tổn hao rất lớn (tổn hao Ohmic trong kim loại và tổn
hao điện môi) [31]. Sự phát triển hướng nghiên cứu về MPAs trong các vùng
tần số khác nhau được trình bày trong Hình 1.1.
Có thể đánh giá chung từ các mơ hình trên, cấu trúc ơ cơ sở của MPAs
gồm 2 loại cấu trúc chính: bất đẳng hướng và đẳng hướng. MPAs bất đẳng
hướng thường được cấu tạo bởi 3 lớp: lớp thứ nhất là cấu trúc kim loại tuần
hồn, lớp điện mơi ở giữa và lớp kim loại liên tục phía sau. Hai lớp kim loại
thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc, đồng. Tại tần số
xác định, sóng điện từ truyền tới MPA không bị phản xạ do lớp thứ nhất thỏa
mãn điều kiện phối hợp trở kháng với môi trường hoạt động. Đồng thời lớp
kim loại liên tục ngăn cản tất cả sóng điện từ truyền qua MPA. Vì vậy, độ hấp
thụ được tính theo cơng thức A (ω) = 1 – | 11 ( )|2.
Tuy nhiên, hoạt động của các mơ hình MPAs bất đẳng hướng sử dụng
cấu trúc vịng cộng hưởng liên kết có nhược điểm là chúng chỉ hấp thụ tuyệt
đối khi sóng truyền tới bề mặt MPA từ phía trước. Điều này dẫn đến hạn chế
khả năng ứng dụng của MPA trong thực tế. Vì vậy, MPA có tính chất đẳng
hướng được đề xuất với cấu trúc đối xứng ở mặt trước và mặt sau. Hình 1.2
minh họa quá trình thay đổi cấu trúc CWP từ hình vng sang hình bát giác
và cuối cùng là hình kim cương.

Đối với hầu hết các MPA sử dụng tấm kim loại ở mặt sau, khi cộng hưởng
từ hấp thụ tuyệt đối có thể đạt đến 50%. Phần cịn lại được hấp thụ trong quá
trình phản xạ ngược lại do sự tồn tại của tấm kim loại và tạo ra tính bất đẳng
hướng. Mặt khác, ta cũng có thể kết hợp đồng thời cả cộng hưởng điện và từ của
MPA tại một tần số để tạo ra tính đẳng hướng của môi trường. Cách đơn


9
giản nhất là cố định tần số của một cộng hưởng trong khi điều khiển tần số
cộng hưởng cịn lại.

Hình 1.2. Minh họa sự biến đổi của cấu trúc từ CWP hình vng, CWP hình bát
giác và CWP hình kim cương thu được bằng cách giảm dần tham số hình dạng m [4].

Vì lý do đó, sự biến đổi cấu trúc từ CWP hình vng sang CWP hình
kim cương bằng cách giảm giá trị tham số m được đề xuất như Hình 1.2.
Lưu ý rằng, tần số cộng hưởng điện không phụ thuộc vào m và sẽ giữ
nguyên khi giá trị a/w không đổi. Ngược lại, tần số cộng hưởng từ lại phụ
thuộc mạnh vào giá trị của m theo cơng thức sau [46]:

=

trong đó,là độ tự cảm hiệu dụng phụ thuộc vào dạng cấu trúc:

và

là điện dung hiệu dụng:

≈

mạnh.

Độ dài hiệu dụng ′ của tụ điện được ước lượng vào khoảng 0,15 . Khi giảm m sẽ làm tăng nhẹ giá trị của trong khi giá trị của bị giảm


10
Kết quả tính tốn dựa trên các cơng thức trên cho thấy, khi m giảm từ 6,0 về 0
mm, tần số cộng hưởng từ tăng từ 10,8 lên 14,8 GHz. Do tần số cộng hưởng
điện khơng đổi, có thể dự đốn rằng, khi biến đổi cấu trúc từ CWP hình vng
về CWP hình kim cương, hai tần số cộng hưởng từ và điện sẽ tiến tới chồng
chập lên nhau hoàn tồn.

Hình 1.3. Phổ hấp thụ phần ảo của độ điện thẩm và phần ảo của độ từ thẩm
của CWP hình kim cương [46].
Từ Hình 1.2, sự hấp thụ năng lượng trong CWP hình ′′kim cương được thể′′ hiện thơng
qua các giá trị hiệu dụng của phần ảo của độ điện thẩm ( ) và độ từ thẩm ( ) được tính
tốn. Giá trị ′′ và ′′ dương cho thấy cả năng lượng điện và từ đều được tiêu tán bên trong
vật liệu và các giá trị này cực đại tại gần như cùng một tần số. Lý do cho hiện tượng chồng
chập này là do tại tần số hấp thụ, cấu trúc CWP hình kim cương cho phép tồn tại đồng thời
cả dòng điện cảm ứng đối song và dòng điện cảm ứng song song cùng chiều.

Với phương pháp được đề xuất này, sự hấp thụ tuyệt đối có tính chất
đẳng hướng cả từ phía trước lẫn phía sau dựa vào tính đối xứng của cấu trúc
CWP. Đây là một đóng góp đáng kể song song với các MPAs bất đẳng hướng
và hứa hẹn mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.


11
MPA hấp thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với các vật liệu được nghiên
cứu trước đây (màn Salisbury, lớp Dällenbach ...) tại tần số xác định. Một tính

chất hết sức thú vị của MPA là có khả năng điều chỉnh được vùng tần số hoạt
động mong muốn thông qua thay đổi kích thước và với lợi thế độ dày nhỏ như
đã được chứng minh là λ0 /40 [32], λ0 /69 [33].

Hình 1.4. (a) Ơ cơ sở và (b) Phổ phản xạ (xanh lục), phổ truyền qua (xanh lam)
và phổ hấp thụ (màu đỏ) của MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008. Độ hấp
thụ A được tính tốn từ độ phản xạ R và độ truyền qua T (A = 1 – T – R) [4].

Tuy nhiên, có vấn đề cần các nhà khoa học giải quyết trước khi đưa MPA
vào những ứng dụng thực tế đó là tìm kiếm những cấu trúc MPA đơn giản. Cấu
trúc MPA đầu tiên do Landy đề xuất [4] có độ hấp thụ tốt (A ≈ 99% tại tần số
11.65 GHz) (xem Hình 1.4), nhưng để hoạt động ở vùng tần số quang học thì cả
hai mơ hình đẳng hướng và bất đẳng hướng cần đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh
vi, với sai số kích thước dưới 1%. Một năm sau đó, chính Landy đã cải tiến cấu
trúc ấy bởi cấu trúc dấu cộng kết hợp với mạch cộng hưởng điện [31]. Cấu trúc
này tuy đơn giản và dễ chế tạo hơn, nhưng độ hấp thụ lại giảm mạnh từ 99%
xuống cịn 78%. Nên sau đó nhóm nghiên cứu Soukoulis tại đại học Iowa đã cải
tiến bằng mạch cộng hưởng điện có dạng vịng hở kết hợp với tấm kim loại
phẳng [34] cho độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng và có khả
năng hấp thụ với nhiều góc tới khác nhau. Tuy nhiên, cấu trúc này vẫn


12
đòi hỏi kỹ thuật chế tạo phức tạp. Cho tới nay, quá trình tối ưu cấu trúc MPA
vẫn đang tiếp tục diễn ra một cách mạnh mẽ trên mọi dải tần số [35, 36].
Song song với việc tối ưu hóa cấu trúc, vấn đề cấp thiết là mở rộng dải
tần số hấp thụ của các cấu trúc MPA hiện nay. Các cơ chế thường được sử
dụng để mở rộng dải hấp thụ của các cấu trúc MPA là kết hợp nhiều cấu trúc
hấp thụ đơn lẻ tại các tần số khác nhau trong một ô cơ sở. Từ các cấu trúc lai
hoá và kỹ thuật sử dụng linh kiện điện tử ngoài (lumped circuit element) để

thay đổi trở kháng của mạch cộng hưởng dẫn tới thay đổi tần số của mạch
cộng hưởng để mở rộng dải hấp thụ [37].
Tuy nhiên các cấu trúc vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số cao
hiện nay có nhược điểm khi đưa vào ứng dụng đó là tần số hấp thụ khơng thể
thay đổi sau khi chế tạo. Các thiết bị sử dụng vật liệu MPA sẽ trở nên linh
hoạt hơn khi tần số hấp thụ có thể điều khiển bằng các yếu tố ngoại vi như từ
trường, điện trường, ánh sáng, nhiệt độ… Do đó, việc tích hợp các vật liệu
biến đổi vào cấu trúc hấp thụ và nghiên cứu các tính chất phi tuyến của MPA
tích hợp này được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.
1.3. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu hấp thụ với môi trường
Bằng sự điều khiển cấu trúc ô cơ sở của MMs, các hiệu ứng độc đáo như hiệu ứng chiết
suất âm hay hiện tượng hấp thụ tuyệt đối các sóng điện từ chiếu tới sẽ xuất hiện tương ứng. Trở
kháng của vật liệu được định nghĩa theo công thức ( ) = √ ( )/ ( ) = + . Khi ( ) =
( ), năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của sóng chiếu tới sẽ hồn tồn 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 môi trường truyền sóng. Lúc này, ( ) = 0( ) = √ 0/ 0
≈ 377 Ω dẫn tới độ phản xạ tại bề mặt ( ) = 0. Hình 1.5 minh họa hiện tượng điều chỉnh
độ từ thẩm và độ điện thẩm hiệu dụng của vật liệu biến hóa để phù hợp với trở kháng của từng
loại môi trường dựa


13
trên các cấu trúc cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. Đây là một đặc tính vượt
trội so với các vật liệu tự nhiên.

Hình 1.5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hồn hảo của vật liệu biến hóa
với mơi trường hoạt động với các cấu trúc hình lập phương và hình trụ.

Trở kháng hiệu dụng của cấu trúc vật liệu biến hóa được xác định thơng
qua cơng thức [47]:

( )=√

Trong đó, [S11( ), S21( )] là các tham số tán xạ của độ phản xạ R =│S11( )
│2 và độ truyền qua T =│S21( )│2.
Mà, 21 = 0 (do trong vật liệu MPA sóng điện từ khơng thể truyền qua lớp kim loại
liên tục nằm phía sau cấu trúc hoặc bị triệt tiêu do sự tiêu tán của môi trường MPA là rất
lớn). Do đó, cơng thức tính trở kháng hiệu dụng được đơn giản hóa thành:


14

Dưới dạng hệ số phức

11

(1.12
)

(1.13
)

≡

( )=

p
dụn
g
điề

u
kiệ
n
>
0,
chú
ng
ta
sẽ
tín
h
tố
n
và
điề
u
khi
ển
phầ
n
thự
c
và
phầ
n
ảo
của
trở
khá
ng

the
o
cơn
g
thứ
c:

Á