Tiến Sĩ Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 15
1.1 Giới thiệu chung về vật liệu Meta 15
1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta . 17
1.3 Một số ứng dụng của Vật liệu Meta 20
1.4 Mô hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu Meta 22
1.5 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ (MPA) 26
1.5.1 Các loại vật liệu hấp thụ sóng vi ba . 26
1.5.2 Các cơ chế hấp thụ của vật liệu . 31
1.5.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ 34
1.6 Mục tiêu nghiên cứu của luận án . 36
CHƯƠNG 2. PHưƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 38
2.1 Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta . 38
2.1.1 Phương pháp nghiên cứu . 38
2.1.1.1 Phương pháp mạch điện tương đương . 38
2.1.1.2 Phương pháp mô phỏng 39
2.1.1.3 Phương pháp thực nghiệm 43
2.1.1.4 Phương pháp tính toán 44
2.1.1.5 Phương pháp lý thuyết hiệu dụng . 45
2.1.2 Chế tạo MPA . 46
2.2 Quy trình nghiên cứu MPA hoạt động trong vùng tần số GHz . 49
2.2.1 Lựa chọn cấu trúc và vật liệu . 49
2.2.2 Công nghệ chế tạo . 51
2.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu . 51
2.2.2.2 Quy trình chế tạo mẫu 52
2.2.3 Phương pháp mô phỏng . 50
2.2.4 Phương pháp đo đạc . 54
2.2.5 Phương pháp tính toán . 55
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA 60
3.1 MPA cấu trúc chữ I 60
3.1.1 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 60 3.1.2 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ - cấu trúc chữ I 67
3.1.3 Ảnh hưởng của phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ . 68
3.2 MPA cấu trúc CW . 69
3.2.1 Cấu trúc ô cơ sở . 69
3.2.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 69
3.3 MPA cấu trúc dấu cộng 71
3.3.1 Cấu trúc ô cơ sở . 71
3.3.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 72
3.3.3 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 73
3.4 MPA cấu trúc đĩa tròn 74
3.4.1 Cấu trúc ô cơ sở . 74
3.4.2 Tính chất hấp thụ sóng điện từ 74
3.4.3 Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ . 75
3.4.4 Ảnh hưởng sự phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ 79
3.5 MPA cấu trúc vòng tròn . 81
3.6 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ . 82
3.7 Kết luận 86
CHƯƠNG 4. MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG . 87
4.1 Cấu trúc MPA eSRR hai đỉnh hấp thụ . 87
4.2 Cấu trúc MPA hai thanh kim loại so le hấp thụ dải rộng . 90
4.3 MPA siêu ô cơ sở 92
4.4 Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động ở vùng tần số GHz . 96
4.5 Kết luận 98
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng vật liệu và năng lượng
mới. Việc nghiên cứu để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn và rẻ hơn thay thế cho các
vật liệu truyền thống đang là vấn đề cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm
mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính chất đặc biệt, tốt hơn so với vật liệu tự
nhiên, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Từ đầu năm 2000, vật liệu Meta
(metamaterials - viết tắt là MMs) xuất hiện như một hướng nghiên cứu rất tiềm
năng trong khoa học vật liệu mới. Vật liệu Meta được tạo thành từ sự sắp xếp tuần
hoàn của những phần tử cơ bản nhân tạo, được thiết kế với mục đích tạo ra những
tính chất điện từ bất thường, không tồn tại trong các vật liệu tự nhiên.
Hiện nay có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về vật liệu Meta. Hướng nghiên
cứu đầu tiên và rộng rãi nhất là vật liệu Meta chiết suất âm (negative refractive
metamaterial). Vật liệu Meta chiết suất âm được chế tạo thành công lần đầu tiên
năm 2000 bởi Smith và các cộng sự tại trường Đại học Duke (Hoa Kỳ), đã chứng
minh sự tồn tại của môi trường chiết suất âm được tiên đoán từ năm 1968. Vật liệu
Meta chiết suất âm có nhiều tính chất vật lý thú vị như: tia khúc xạ nằm cùng phía
với tia tới, ba véc tơ (⃗ ⃗⃗ ⃗ ) của sóng điện từ lan truyền trong môi trường chiết
suất âm tạo thành tam diện nghịch (left-handed behavior), véc tơ năng lượng
Poynting và véc tơ sóng ⃗ ngược chiều nhau Cho tới nay, rất nhiều tính chất
đặc biệt khác của vật liệu Meta chiết suất âm được phát hiện và chứng minh bằng
thực nghiệm. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu Meta chiết suất
âm là siêu thấu kính (super lens), được đề xuất bởi Pendry vào năm 2000 và sau đó
được Zhang và các cộng sự chế tạo thành công năm 2005.
Gần đây, một ứng dụng độc đáo khác nữa được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh
vực vật liệu Meta đó là vật liệu “tàng hình” (electromagnetic cloaking). Vật liệu
Meta “tàng hình” được đề xuất và chứng minh tại vùng GHz bởi Schurig và các
cộng sự năm 2006. Bằng cách điều chỉnh các tham số điện từ hiệu dụng một cách
hợp lý, đường đi của tia sáng trong môi trường vật liệu Meta bị uốn cong theo ý
muốn. Nhờ đó, vật thể bị giấu bên trong lớp vỏ vật liệu Meta hoàn toàn trở nên “tàng hình” ở một bước sóng nhất định. Ngoài ra, hàng loạt ứng dụng quan trọng
khác của vật liệu Meta cũng được các nhà khoa học đề xuất và tập trung đi sâu
nghiên cứu, như bộ lọc tần số, bộ cộng hưởng, cảm biến Vì những tính chất đặc
biệt và khả năng ứng dụng to lớn như vậy, vật liệu Meta ngày càng được các nhà
khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của
PGS. TS. Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam là một trong những nhóm tiên phong trong nghiên cứu về vật
liệu Meta và đã thu được một số kết quả nhất định.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án tiến sĩ này, chúng tôi tập trung vào một
tính chất mới được phát hiện và nghiên cứu của vật liệu Meta trong vài năm gần đây,
đó là vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ. Vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối
sóng điện từ có bản chất vật lý khác biệt, và tính năng vượt trội so với các loại vật
liệu hấp thụ truyền thống khác, ví dụ như, tần số hấp thụ được thiết kế và xác định
chính xác trước khi chế tạo, hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới, chiều dày vật
liệu mỏng, chỉ khoảng 1/10 bước sóng, cơ chế hấp thụ tổng quát có thể ứng dụng từ
vùng MHz tới THz
Mục tiêu của luận án tập trung giải quyết ba vấn đề chính: i) Đưa ra được phương
pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. ii)
Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba và iii)
Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta ở vùng sóng viba bằng cách
mở rộng dải tần hấp thụ.
Với mục tiêu đó, luận án được chia thành 4 chương như sau.
Chương I: Tổngquan - giới thiệu chung về vật liệu Meta và sự hấp thụ sóng điện từ sử dụng vật liệu
Meta. Các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu vật
liệu Meta sẽ được giới thiệu và phân tích trong
Chương II.
Chương III trình bày về quy trình tối ưu hóa để tìm kiếm một cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ đơn giản, không
phân cực, có thể dễ dàng chế tạo. Đặc tính hấp thụ của cấu trúc vật liệu Meta tối ưu
được chứng minh làm rõ bằng cách đo đặc tính truyền qua và so sánh với kết quả
mô phỏng. Dựa trên cấu trúc tối ưu tìm được, chúng tôi nghiên cứu làm rõ bản chất
của các tương tác phức tạp bên trong quá trình hấp thụ, từ đó cải thiện hiệu suất hấp thụ và mở rộng bề rộng vùng hấp thụ của vật liệu Meta là nội dung
Chương IV. Các tính chất của cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ sẽ được chứng minh và làm rõ bằng cả
phương pháp thực nghiệm và mô phỏng ở vùng tần số GHz.