Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa (Metamaterials) ứng dụng trong cảm biến NDIR phát hiện khí CO₂

Biến đổi khí hậu toàn cầu và nhu cầu giám sát chất lượng không khí ngày càng tăng đã đặt ra thách thức lớn trong việc phát triển các giải pháp phát hiện khí hiệu quả, đặc biệt là CO2. Khí CO2 đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp và là tác nhân chính gây hiệu ứng nhà kính. Các cảm biến khí truyền thống, bao gồm cả cảm biến NDIR phổ biến, thường gặp phải hạn chế về chi phí, kích thước, độ chọn lọc và độ nhạy, đặc biệt trong môi trường phức tạp. Để khắc phục những nhược điểm này, nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của vật liệu biến hóa (metamaterials), một loại vật liệu nhân tạo với các đặc tính điện từ và quang học vượt trội. Mục tiêu là phát triển thế hệ cảm biến NDIR tích hợp metamaterials tiên tiến, có khả năng phát hiện khí CO2 với độ chính xác cao và hiệu quả hơn.

Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu, quang học, công nghệ cảm biến, kỹ thuật điện tử, cũng như các chuyên gia trong giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh.

Luận án này đề xuất một hướng tiếp cận cải tiến để nâng cao hiệu suất của cảm biến hồng ngoại không tán sắc (NDIR) trong việc phát hiện khí CO2 thông qua việc tích hợp vật liệu biến hóa (metamaterials). Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu cấp thiết về giám sát khí CO2 trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh và môi trường, nơi các cảm biến hiện có còn hạn chế về chi phí, kích thước và đặc biệt là độ chọn lọc trong môi trường có nhiều loại khí khác nhau. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc làm rõ cơ chế tương tác giữa metamaterials và bức xạ hồng ngoại, sau đó tiến hành mô phỏng và tính toán chi tiết để thiết kế các cấu trúc metamaterials tối ưu. Các cấu trúc này được thiết kế để điều khiển và chuyển đổi phổ bức xạ hồng ngoại dải rộng thành dải hẹp, tập trung vào bước sóng hấp thụ đặc trưng của CO2 (4.26 µm). Mục tiêu cuối cùng là thử nghiệm chế tạo và tích hợp thành công các metamaterials này vào cảm biến NDIR. Giá trị ứng dụng của nghiên cứu nằm ở khả năng tạo ra một thế hệ cảm biến khí CO2 mới với độ nhạy và độ chọn lọc vượt trội, giảm thiểu nhiễu từ các khí khác, đồng thời cho phép thu nhỏ kích thước và giảm công suất tiêu thụ của nguồn phát hồng ngoại. Những cải tiến này sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho các cảm biến khí CO2 hiệu quả và kinh tế hơn, góp phần vào sự phát triển của công nghệ giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh.