Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc kim loại tinh thể quang tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ THU HÀ

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN
CẤU TRÚC KIM LOẠI - TINH THỂ QUANG TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

Thái Nguyên, năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ THU HÀ

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN
CẤU TRÚC KIM LOẠI - TINH THỂ QUANG TỬ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lê Ðắc Tuyên
2. TS. Nguyễn Thị Hiền

Thái Nguyên, năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của tôi, dưới sự

hướng dẫn của PGS. TS. Lê Đắc Tuyên và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình
khác.

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2020
HỌC VIÊN

Phạm Thị Thu Hà


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS.
Lê Đắc Tuyên và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các thầy cô đã ln tận tình hướng dẫn,
định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái nguyên,
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Vật liệu và Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các
thủ tục hành chính trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Lê Hồng Phong, tỉnh Quảng Ninh
- nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và cơng việc tại cơ
quan trong suốt q trình học và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạo
điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn.

HỌC VIÊN

Phạm Thị Thu Hà

ii

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ................................................ V
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... VII
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 4
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa ............................................................................ 4
1.1.1. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa ....................................................... 6
1.1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ........................................................ 9
1.1.3. Cơ chế hấp thụ ánh sáng của vật liệu biến hóa ......................................... 10
1.2. Vật liệu biến hóa đa đỉnh và hấp thụ dải rộng ............................................................ 12
1.3. Hấp thụ vùng ánh sáng nhìn thấy................................................................................. 16
1.4. Tinh thể quang tử........................................................................................................... 17
1.4.1. Tinh thể quang tử ...................................................................................... 17
1.4.2. Vùng cấm quang........................................................................................ 19
1.4.3. Tinh thể quang tử opal............................................................................... 22
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 24
2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu biến hóa......................................................................... 24
2.1.1. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm ................................................................. 24
2.1.2. Chế tạo hạt cầu silica ................................................................................. 25
2.1.3. Qui trình chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal ........................................... 27
2.1.4. Chế tạo cấu trúc đĩa vàng .......................................................................... 28
2.2. Các phép đo được sử dụng để khảo sát mẫu............................................................... 29
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét ........................................................................... 29
2.2.2. Phổ phản xạ và phổ truyền qua ................................................................. 31
2.2.3. Phổ tán xạ Raman ...................................................................................... 32

iii


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 36
3.1. Kết quả chế tạo hạt cầu SiO2 ........................................................................................ 36
3.2. Kết quả chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal ............................................................... 38
3.3. Khảo sát tính chất quang của tinh thể quang tử SiO2 opal ........................................ 40
3.4. Kết quả chế tạo cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang tử....................................... 44
3.5. Kết quả đo phổ hấp thụ cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang tử......................... 46
3.6. Kết quả đo phổ Raman (tán xạ Raman tăng cường bề mặt – SERS)....................... 48
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 51
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.............................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 53

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Chữ viết tắt Tiếng anh

Tiếng việt

1D

One – dimensional

Một chiều

2D

Two – dimensional

Hai chiều

3D

Three – dimensional

Ba chiều

FCC

Face - centered cubic

Lập phương tâm mặt

MA

Metamaterial absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ

MM

Metamaterial

Vật liệu biến hóa

PBG

Photonic band gap

Vùng cấm quang

PhC

Photonic crystal

Tinh thể quang tử

SEM

Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

Surface-enhanced Raman

Tán xạ Raman tăng cường bề

scattering

mặt



Wavelength

Bước sóng



Incident angle

Góc tới

f

Frequency

Tần số

neff

Effective refractive index

Chiết suất hiệu dụng

C2H5OH

Ethanol

Cồn

H2O

Water

Nước

NH4OH

Aqueous ammonia

TEOS

Tetraethoxysilane

SERS

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Các hóa chất thí nghiệm .................................................................... 24
Bảng 2. 2. Dụng cụ thí nghiệm ........................................................................... 24
Bảng 3. 1. Một số hạt cầu SiO2 chế tạo được...................................................... 36

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. MA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 [21] ............................ 5
Hình 1. 2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MA [8]. ..................................... 6
Hình 1. 3. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [22]
............................................................................................................... 7
Hình 1. 4. Ngun lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20] ....... 8
Hình 1. 5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hồn hảo của vật liệu biến hóa với mơi

trường hoạt động. ................................................................................ 12
Hình 1. 6. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo tương ứng của MA đỉnh kép sử
dụng cấu trúc cộng hưởng tích hợp với tụ điện. Phổ hấp thụ (b) mô
phỏng và (d) mơ thực nghiệm [40]. .................................................... 13
Hình 1. 7. Cấu trúc ô cơ sở của MA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau khi tích
hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm [37].
............................................................................................................. 14
Hình 1. 8. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện
từ [41-43]. ........................................................................................... 15
Hình 1. 9. Mơ hình ứng dụng của MA có tính năng đàn hồi và hoạt động trong dải
tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân sự. Nếu toàn bộ
tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được bọc bởi MA thì sự
tồn tại của chúng sẽ không thể bị phát hiện bởi các máy dị sóng tần số
thấp (rađa hoặc vệ tinh) [44]. .............................................................. 15
Hình 1. 10. (a), (b) Cấu trúc ơ cơ sở của MA và các tham số cấu trúc. (c),(d) Phổ
hấp thụ với các góc tới khác nhau cho phân cực TE và TM [45]. ...... 17
Hình 1. 11. Ảnh SEM của cánh bướm (a) và lông chim (b) ............................... 18
Hình 1. 12. (a)-(c) Mơ hình cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. (d)-(f) Các
ví dụ tinh thể quang tử màng nhiều lớp (1D), sợi quang học (2D) và cấu
trúc thanh gỗ xếp chồng (3D) [49-51] ................................................ 19
Hình 1. 13. Cấu trúc màng đa lớp [52] ............................................................... 20
Hình 1. 14. Nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể. ................................................. 21

vii


Hình 1. 15. Ảnh SEM của tinh thể quang tử SiO2 opal và silicon opal đảo (a) Đá
opal trong tự nhiên với nhiều màu sắc khác nhau; (b) ảnh SEM của cấu
trúc opal; (c) Ô cơ sở mạng FCC [54]. ................................................. 22
Hình 2. 1. Qui trình chế tạo hạt cầu silica. .......................................................... 26

Hình 2. 2. Sơ đồ chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal: (a) và (b) chuẩn bị khe hẹp,
(c) q trình tự sắp xếp có hỗ trợ của nhiệt độ, (d) cấu trúc tinh thể
quang tử SiO2 opal. ............................................................................. 27
Hình 2. 3. Sơ đồ mơ tả q trình phún xạ ........................................................... 28
Hình 2. 4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử qt. .......................................... 30
Hình 2. 5. Sơ đồ hệ đo phổ phản xạ và phổ truyền qua. ..................................... 32
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý tán xạ Raman .......................................................... 33
Hình 2. 7. Hệ thống quang phổ Raman. .............................................................. 34
Hình 3. 1. Ảnh SEM của hạt cầu SiO2 kích thước trung bình 370 nm với độ phóng
đại khác nhau. ..................................................................................... 37
Hình 3. 2. Đường kính hạt cầu SiO2 phụ thuộc thể tích TEOS........................... 38
Hình 3. 3. Ảnh SEM bề mặt tinh thể quang tử SiO2 opal. (a) – (d) tương ứng với
các kích thước trung bình của hạt cầu SiO2 là 270, 295, 315 và 355 nm.
............................................................................................................. 39
Hình 3. 4. Phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vng góc với mặt (111)
của tinh thể quang tử opal với đường kính hạt cầu SiO 2 D = 295 nm.
............................................................................................................. 41
Hình 3. 5. Phổ phản xạ đo tại góc tới  = 0 của tinh thể quang tử opal với hạt cầu
SiO2 có đường kính khác nhau. .......................................................... 42
Hình 3. 6. Phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal phụ thuộc vào góc tới với đường
kích quả cầu D = 295 nm. ................................................................... 43
Hình 3. 7. So sánh đỉnh phổ phản xạ phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng và định
luật Bragg ............................................................................................ 44

viii


Hình 3. 8. (a)-(d) Ảnh SEM cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang tử với thời
gian xử lý khác nhau 0, 2 và 5 s. (e)–(f) Ảnh chụp các mẫu cấu trúc đĩa
nano vàng - tinh thể quang tử với kích thước hạt cầu khác nhau. ...... 45

Hình 3. 9. (a) Phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal, (b) và (c) Phổ phản xạ và
phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang tử tại góc tới
20 và 30. Đường kính quả cầu SiO2 = 295 nm. ............................... 47
Hình 3. 10. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) của phân tử 4-NBT với
cấu trúc đĩa nano và màng vàng.......................................................... 49
Hình 3. 11. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) của phân tử 4-NBT với
cấu trúc đĩa nano và màng vàng.......................................................... 50

ix


MỞ ĐẦU
Hấp thụ sóng điện từ trong vùng quang học hiện nay đang là vấn đề thu hút
được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, vì có nhiều ứng dụng trong thực tế
như chế tạo các thiết bị quang điện, đầu dò quang, cảm biến sinh học, pin mặt trời
[1-3]. Các vật liệu tự nhiên thường hấp thụ yếu hoặc phản xạ mạnh các sóng điện
từ vùng ánh sáng nhìn thấy [4]. Những hạn chế của vật liệu tự nhiên có thể được
khắc phục bằng cách tạo ra vật liệu có cấu trúc nhân tạo với kích thước lớn hơn
một phân tử như vật liệu biến hóa và tinh thể quang tử [5,6].
Năm 2008, Landy và cộng sự lần đầu tiên đã chế tạo thành cơng vật liệu
biến hóa hấp thụ sóng điện từ [7]. Vật liệu này có nhiều ưu điểm so với vật liệu
hấp thụ truyền thống như độ dày nhỏ, độ hấp thụ có thể lên đến 100%, đặc biệt là
có thể thay đổi một cách linh hoạt vùng tần số hoạt động cũng như độ hấp thụ
bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc [8,9]. Tính chất của vật liệu biến hóa
được quyết định bởi hình dạng và cấu trúc cộng hưởng giả nguyên tử mà ít phụ
thuộc vào tính chất của vật liệu tạo thành. Tuy nhiên, mỗi cấu trúc cộng hưởng
phải có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng hoạt động và thường sử dụng kỹ
thuật quang khắc từ trên xuống (top-down), vốn đã giới hạn khả năng chế tạo
trong vùng tần số cao THz và ánh sáng nhìn thấy.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu bằng thực nghiệm vật liệu biến hóa tập trung

chủ yếu trong vùng tần số GHz do kích thước của vật liệu khá lớn nên thuận lợi
trong chế tạo khi sử dụng phương pháp quang khắc thông thường [10-14]. Tuy
nhiên, đối với vùng tần số THz và ánh sáng nhìn thấy vùng có nhiều ứng dụng trong
qn sự, kiểm tra an ninh, y sinh, năng lượng, cảm biến,… kích thước lại rất nhỏ
(cỡ từ m đến nm) nên để chế tạo nếu vẫn sử dụng phương pháp quang khắc thì
địi hỏi cơng nghệ cao. Các thiết bị cơng nghệ này ở điều kiện Việt Nam cịn rất
hạn chế, đặc biệt là khi chế tạo trong vùng khả kiến thì hồn tồn phải nhờ cơng

1


nghệ ở nước ngồi. Chính vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp chế tạo mới phù
hợp với điều kiện ở Việt Nam là một công việc rất cần thiết.
Dựa trên các kết quả đã đạt được [15], đề tài luận văn nghiên cứu và chế
tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang
tử hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy bằng phương pháp từ dưới lên
(bottom-up) phù hợp với điều kiện thiết bị thí nghiệm trong nước.
Mục tiêu của luận văn:
Chế tạo được vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có cấu trúc đĩa nano
vàng - tinh thể quang tử hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy và khảo sát tính chất
của chúng.
Đối tượng nghiên cứu:
Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể
quang tử opal.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn:
Nghiên cứu và chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động
trong vùng ánh sáng nhìn thấy bằng cách sử dụng kỹ thuật tự sắp xếp từ dưới lên
có ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản cũng như các ứng dụng trong thực tế. Các đĩa

nano vàng được gắn trên bề mặt từng quả cầu SiO 2 của tinh thể quang tử opal.
Bước sóng hấp thụ có thể được điều chỉnh thông qua tham số cấu trúc và góc tới
của ánh sáng. Với khả năng điều chỉnh phổ hiệu quả cao và độ chọn lọc phổ tốt,
cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang tử có thể được sử dụng để làm cảm biến
tán xạ Raman tăng cường bề mặt cũng như tích hợp với các cơng nghệ nhằm tăng
cường độ nhạy đầu đo quang và thiết bị hình ảnh.

2


Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan, trình bày khái niệm về vật liệu biến hóa và tinh thể
quang tử, các đặc trưng cơ bản cũng như một số ứng dụng của loại vật liệu này.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, trình bày phương pháp nghiên cứu
được sử dụng trong luận văn, như phương pháp chế tạo vật liệu và đo mẫu.
Chương 3: Kết quả và thảo luận, trình bày các kết quả nghiên cứu về chế
tạo vật liệu, khảo sát hình thái học, tính chất quang của vật liệu biến hóa cấu trúc
đĩa nano vàng – tinh thể quang tử. Bên cạnh đó nghiên cứu hiệu ứng plasmonic
để làm cảm biến xác định phân tử hữu cơ.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.

Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là những

mạch cộng hưởng điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động mà tại đó các
tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa 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 biến hóa 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 [16], 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 gần 30 năm, John Pendry và cộng sự đã đưa ra mô hình lưới
dây kim loại có độ điện thẩm hiệu dụng âm năm 1996 [17]. Kết quả nghiên cứu
đã chỉ ra rằng cấu trúc lưới dây kim loại có thể đưa tần số plasma của kim loại về
vùng tần số GHz (bước sóng micro) từ đó có thể tạo ra mơi trường có độ điện
thẩm âm. Năm 1999, John Pendry và cộng sự cũng chứng minh sự tồn tại của môi
trường có độ từ thẩm âm với cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh [18]. Bằng cách
kết hợp hai mơ hình lưới dây kim loại và vịng cộng hưởng có rãnh, Smith và cộng
sự đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa có chiết suất âm (đồng thời độ từ thẩm
và điện thẩm âm) năm 2000 [19]. Kể từ đó, nhiều nhà khoa học đã quan tâm
nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu biến hóa trong thực tế.
Nhưng tính chất khác thường của vật liệu biến hóa khơng dừng lại ở đó.
Nhờ khả năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu biến hóa có thể được
thiết kế để thay đổi tồn diện tính chất truyền sóng điện từ của mơi 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 biến hóa tại vùng GHz [20]. Gần đây nhất, năm 2008, vật liệu

4


biến hóa hấp thụ sóng điện từ (metamaterial absorber - MA) đầu tiên đã được đề
xuất bởi I. Landy. Cấu trúc MA gồm ba lớp: hai lớp kim loại và một lớp điện mơi

được mơ tả trên Hình 1.1 có độ hấp thụ là A  99% tại tần số 11.65 GHz [21].

Hình 1. 1. MA đầu tiên được thiết kế bởi Landy năm 2008 [21].
Khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu biến hóa hấp thụ 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

5


vật liệu MA 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.) [8].

Hình 1. 2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MA [8].
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).
1.1.1. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta
quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ, chưa được thấy trong những vật liệu
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 biến,
thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa nằm ở khả năng điều

6

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 [22] như Hình 1.3. 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 biến hóa đã được Zhang và
các cộng sự chứng minh bằng thực nghiệm thành cơng [23].

Hình 1. 3. Ngun lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa
[22].
Một ứng dụng khác là vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu biến hóa do nhóm
Smith và Pendry phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm [20]. Bằng cách điều
khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ vật liệu biến hóa, 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 biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vịng quanh một vật thể, nhờ đó vật
thể trở thành “tàng hình” (Hình 1.4). Với ứng dụng này, chúng ta có quyền nghĩ

7


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 qn 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.

Hình 1. 4. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20].
Ngồi những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu biến hóa cịn tỏ ra rất

tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số [24], cộng hưởng [25], cảm
biến sinh học [26], đặc biệt là tính hấp thụ của loại vật liệu này [7-9]. 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 biến hóa làm pin mặt trời hiệu
suất cao [27].
Tuy nhiên, để biến khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa 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

8


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, nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Viện Khoa học Vật liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Mỏ- Địa chất,
Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, Trường Đại Học Khoa học Thái Nguyên đã có
những nghiên cứu bước đầu về tính chất điện từ của vật liệu biến hóa ở vùng sóng
viba và cho thấy những khả năng ứng dụng hết sức thú vị [13,28-31]. Vật liệu biến
hóa 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 biến hóa 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…).
1.1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Hấp thụ sóng điện từ có thể được phân chia thành hai loại: hấp thụ cộng

hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có băng thơng rộng (broadband absorbers).
Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng
cách cộng hưởng tại tần số xác định  0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với
tần số  0 là 0 = 2c / 0 với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng
thông rộng dựa trên vật liệu có tính chất hấp thụ khơng phụ thuộc vào tần số và
do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn. Vật liệu biến hóa (MA)
có khả năng hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ hồn tồn năng lượng của
sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động. Do MA được tạo bởi các cấu trúc cộng
hưởng điện từ nên nguyên lí hoạt động của MA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần số
cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều bị triệt tiêu.
Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu MA vào ứng dụng thực tế, vẫn còn những
vấn đề cơ bản cần được giải quyết. Một trong những hướng nghiên cứu được các
nhà khoa học tập trung giải quyết đó là tìm kiếm những cấu trúc MA đơn giản. Cấu

9


trúc MA đầu tiên do I. Landy đề xuất có độ hấp thụ tốt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế
tạo rất tinh vi, với độ chính xác dưới 1% [7]. Khi áp dụng cấu trúc Landy cho vùng
tần số cao, kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu với độ chính xác cao càng
trở nên khó khăn. Thực tế đã có nhiều đề xuất khác nhau để cải tiến cấu trúc của
Landy. Một trong những cấu trúc có thể kể đến là cấu trúc dấu cộng kết hợp với
mạch cộng hưởng điện do chính Landy đề xuất 1 năm sau đó [32]. Cấu trúc này tuy
có đơn giản và dễ chế tạo hơn, nhưng độ hấp thụ lại giảm mạnh từ 99% xuống cịn
78%. Cấu trúc này sau đó được cải tiến bằng mạch cộng hưởng điện dạng vòng hở
kết hợp với tấm kim loại phẳng do nhóm Soukoulis tại đại học Iowa đề xuất [33].
Cấu trúc do Soukoulis đề xuất cho độ hấp thụ cao, không bị ảnh hưởng bởi phân
cực sóng, có khả năng hấp thụ với nhiều góc tới khác nhau, tuy nhiên vẫn địi hỏi
kỹ thuật chế tạo phức tạp. Cho tới nay, quá trình tìm kiếm một cấu trúc MA tối ưu
vẫn đang tiếp tục diễn ra một cách mạnh mẽ trên mọi dải tần số [9].

Song song với việc tối ưu hóa cấu trúc, việc mở rộng dải tần hấp thụ của các
cấu trúc MA cũng rất được quan tâm [34]. Cơ chế chủ yếu để mở rộng dải hấp thụ
của các cấu trúc MA là kết hợp nhiều cấu trúc hấp thụ đơn lẻ tại các tần số khác
nhau trong một đơn vị cơ bản. Ngoài ra, kỹ thuật sử dụng phần từ mạch tập trung
(lumped circuit element) cũng được áp dụng 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 [35].
Một trong những nhược điểm của vật liệu MA khi đưa vào ứng dụng đó là tần
số hấp thụ không thể thay đổi sau khi chế tạo. Các thiết bị sử dụng vật liệu MA 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 ..v..v… Do đó, việc tích hợp các vật
liệu biến đổi vào cấu trúc hấp thụ và nghiên cứu các tính chất phi tuyến của vật liệu
MA tích hợp này cũng được nghiên cứu [36].
1.1.3. Cơ chế hấp thụ ánh sáng của vật liệu biến hóa
Về mặt bản chất điện từ, cơ chế hoạt động của MA dựa trên sự kết hợp đồng
thời hiện tượng phối hợp trở kháng hoàn toàn và điều khiển độ tổn hao của môi

10


trường hiệu dụng xung quanh cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. Cụ thể, năng
lượng tiêu tán trong vật liệu phụ thuộc vào thành phần điện và thành phần từ có
thể được biểu diễn thơng qua lý thuyết Poynting
1
1
2
q = qe + qm =  0 Im  ( ) E + 0 Im  ( ) H
2
2

2

(1.1)

Xung quanh vị trí cộng hưởng, các “giả nguyên tử” tạo ra một mơi trường
có độ tổn hao rất lớn (dưới dạng tổn hao Ohmic và tổn hao điện mơi). Do đó, sóng
điện từ có thể bị “giam giữ” và “tiêu tán” ngay khi truyền vào bên trong trong MA
mặc dù chúng có độ dày rất mỏng. MA 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. Sóng điện từ khi truyền tới MA 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 tục sẽ đảm nhiệm vai trị
ngăn cản tất cả các sóng điện từ truyền qua MA.
Tùy thuộc vào kỹ thuật điều khiển cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa
dẫn tới sự thay đổi giá trị hiệu dụng của độ điện thẩm  ( ) và độ từ thẩm  ( )
của toàn vật liệu. Trở kháng của vật liệu được định nghĩa theo công thức
𝑍(𝜔) = √𝜇(𝜔)/𝜀(𝜔) = 𝑍𝑟 + 𝑖𝑍𝑖 . Khi đạt được điều kiện  ( ) =  ( ) , 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 môi trường truyền sóng. Trong
trường hợp này, 𝑍(𝜔) = 𝑍0 (𝜔) = √𝜇0 /𝜀0 ≈ 377 dẫn tới độ phản xạ tại bề mặt
𝑅(𝜔) = 0. Như vậy, dựa trên các cấu trúc cộng hưởng điện và cộng hưởng từ, độ
từ thẩm và độ điện thẩm hiệu dụng của vật liệu biến hóa sẽ dễ dàng được điều
chỉnh để phù hợp với trở kháng của từng loại môi trường hoạt động, (hiện tượng
trên được minh họa trên Hình 1.5), đây cũng là một đặc tính vượt trội so với các
vật liệu tự nhiên.

11


Hình 1. 5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hồn hảo của vật liệu biến hóa với

mơi trường hoạt động.
Dựa trên các tham số tán xạ [S11( ), S21( )] của độ phản xạ R =│S11( )│2
và độ truyền qua T =│S21( )│2, Độ hấp thụ (A) của vật liệu có thể được tính bằng
cơng thức A = 1 - │S11(𝜔)│2 - │S21(𝜔)│2, trong đó hệ số truyền qua 𝑆21 = 0, do
sóng điện từ khơng thể truyền qua lớp kim loại liên tục tại mặt sau của lớp điện
môi. Trở kháng hiệu dụng của cấu trúc được xác định thông qua công thức [37]:
2
(1+𝑆11 )2 − 𝑆21

𝑍(𝜔) = √(1−𝑆

11 )

2− 𝑆2
21

(1+𝑆 )2

= √(1−𝑆11 )2

(1.2)

11

Do vậy, nghiên cứu cần đề xuất các cấu trúc mới hay cơ chế hấp thụ để chế
tạo được vật liệu biến hóa có hệ số phản xạ 𝑆11 = 0 với các tính chất mong muốn.
1.2.

Vật liệu biến hóa đa đỉnh và hấp thụ dải rộng
Sau các nghiên cứu đầu tiên của Pendy, rất nhiều nghiên cứu khác đã tạo ra

vật liệu MA hoạt động từ tần số MHz cho đến vùng ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên
các loại vật liệu MA này đều được tạo ra từ các cộng hưởng điện từ vì vậy vùng
tần số hoạt động thường rất hẹp (đơn đỉnh) và khó điều chỉnh. Vì vậy, việc tăng
hay mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu MA để dễ dàng ứng dụng trong
thực tế là rất cần thiết. Nhìn chung, có một số phương pháp thơng dụng sau để tạo

12


ra được MA dải rộng: tích hợp điện trở, sử dụng cấu trúc đa lớp và kết hợp nhiều
cấu trúc cộng hưởng trong mặt phẳng ơ cơ sở [37-40].

Hình 1. 6. Vật liệu biến hóa hấp thụ dải kép. (a) Cấu trúc ô cơ sở, (b) Phổ hấp
thụ mô phỏng, (c) Mẫu chế tạo, (d) Kết quả đo phổ hấp thụ [40].
Tiêu biểu cho các phương pháp này, vào năm 2017, Khuyến và cộng sự đã
đề xuất mơ hình của MA dải kép hoạt động ở vùng tần số UHF bằng cách tích
hợp tụ điện, như quan sát trên Hình 1.6 [40]. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
đã xác nhận sự tồn tại của hai đỉnh hấp thụ tại 224,9 MHz (ứng với tụ điện C 1 =
40 pF) và 284,2 MHz (ứng với tụ điện C2 = 25 pF). Độ hấp thụ tương ứng tại hai
đỉnh đạt được tương ứng là 99,9% và 98,5%. Đặc biệt, mơ hình cấu trúc này có

13


chiều dày nhỏ hơn 513 và 406 lần bước sóng hoạt động tại hai tần số hấp thụ và
có thể hoạt động ổn định khi góc tới của sóng điện từ lên đến 50o.
Kim và cộng sự đã đề xuất một mơ hình MA khác nhằm hấp thụ sóng điện
từ dải rộng từ 1 – 4 GHz, như trình bày trên Hình 1.7 [37]. Mơ hình này dựa trên
thiết kế ô cơ sở bao gồm các cấu trúc cộng hưởng hình vng có kích thước khác

nhau, và được liên kết bằng các chip điện trở (150, 75, 22 và 19 kΩ). Kết quả thu
được độ hấp thụ sóng điện từ trên 97% đạt được trong vùng tần số từ 0,99–3,03
GHz đối với mô phỏng, và trong vùng tần số từ 0,88–3,15 GHz đối với thực
nghiệm. Các kết quả này có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực viễn thơng.

Hình 1. 7. Cấu trúc ô cơ sở của MA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau khi
tích hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm [37].

Dựa trên các kết quả đạt được, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang
tập trung phát triển MA cho nhiều thiết bị phức tạp và hữu ích như: vi nhiệt kế,
chụp ảnh nhiệt, nhận dạng qua tần số vơ tuyến (RFID tags), camera có độ phân
giải cao và cảm biến sinh học, hoặc các ứng dụng trong quân sự, như trình bày
trên Hình 1.8 và Hình 1.9 [41-44].

14