Luận văn Thạc sĩ Quang học: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc kim loại - tinh thể quang tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này 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 SiO2 của tinh thể quang tử opal. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Quang học: 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 luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn 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 quá 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 công việc tại cơ quan trong suốt quá 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 tôi hoàn 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 CÔNG 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 SERS 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 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. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20] ....... 8 Hình 1. 5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hoàn hảo của vật liệu biến hóa với môi 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) mô 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. Mô 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 dò sóng tần số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [44]. .............................................................. 15 Hình 1. 10. (a), (b) Cấu trúc ô 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) Mô 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) quá 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 mô tả quá trình phún xạ ........................................................... 28 Hình 2. 4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét. .......................................... 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 vuông 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 công 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 quân 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 đòi hỏi công nghệ cao. Các thiết bị công nghệ này ở điều kiện Việt Nam còn rất hạn chế, đặc biệt là khi chế tạo trong vùng khả kiến thì hoàn toàn phải nhờ công 1
nghệ ở nước ngoài. 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 công 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 không 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 môi 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 môi 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 vòng cộng hưởng có rãnh [18]. Bằng cách kết hợp hai mô hình lưới dây kim loại và vòng 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 không 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 toàn diện tính chất truyền sóng điện từ của môi trường. Năm 2006, Pendry một lần nữa thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học khi đưa ra mô 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 môi được mô 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 công [23]. Hình 1. 3. Nguyên 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 hoàn hảo. Theo nguyên lý đó, lớp vỏ vật liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng 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 không 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 quân 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]. Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu biến hóa còn 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 không 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 phòng chắn bức xạ công 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 thông 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 không 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 hoàn toàn 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