Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu điều khiển đặc tính hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa (Metamaterials)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý "Nghiên cứu điều khiển đặc tính hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa (Metamaterials)" trình bày các nội dung chính sau: Lý thuyết cơ bản về vật liệu biến hóa nói chung và vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ nói riêng; Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm phương pháp tính toán, mô phỏng và thực nghiệm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu điều khiển đặc tính hấp thụ sóng điện từ của vật liệu biến hóa (Metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN VÂN NGỌC Nguyễn Vân Ngọc NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) VẬT LÝ CHẤT RẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN 2021 Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Vân Ngọc NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. BÙI SƠN TÙNG 2. TS. BÙI XUÂN KHUYẾN Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Sơn Tùng và TS. Bùi Xuân Khuyến. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm. HỌC VIÊN NGUYỄN VÂN NGỌC
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi Sơn Tùng và TS. Bùi Xuân Khuyến. Các thầy đã dành thời gian, tâm huyết, 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 các thầy cô và cán bộ tại Học Viện Khoa học và Công nghệ đã giảng dạy, trang bị những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô, anh, chị trong nhóm nghiên cứu Metagroup – IMS của GS. TS. Vũ Đình Lãm đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ và động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân đã luôn giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Văn Việt, người đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn này. HỌC VIÊN NGUYỄN VÂN NGỌC
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... 1 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... 4 MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 9 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA ........................... 9 1.1.1. Khái niệm ........................................................................................ 9 1.1.2. Lịch sử hình thành ......................................................................... 11 1.1.3. Một số hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa trong nước .... ....................................................................................................... 13 1.2. VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ....................... 18 1.2.1. Cơ chế hấp thụ dựa trên lý thuyết giao thoa................................. 18 1.2.2. Cơ chế hấp thụ dựa trên lý thuyết môi trường hiệu dụng ............. 20 1.3. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ............................................................................................................. 21 1.3.1. Ứng dụng của MA trong cảm biến ................................................ 21 1.3.2. Ứng dụng của MA trong pin mặt trời ........................................... 23 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 25 2.1. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ........................................................... 25 2.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN .......................................................... 28 2.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................... 29 2.3.1. Phương pháp chế tạo .................................................................... 29 2.3.2. Phương pháp đo đạc ..................................................................... 30 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 32 3.1. ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG THAM SỐ CẤU TRÚC 32 3.1.1. MA hoạt động trong vùng GHz (5 – 10 GHz) ................................... 32 3.1.2. MA hoạt động trong vùng THz (15 – 18 THz) .................................. 39 3.2. ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG SỰ ĐỊNH HƯỚNG VÀ PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ .............................................................. 41
3.2.1. Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc tới của sóng điện từ ............. 41 3.2.2. Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc phân cực của sóng điện từ ... 45 3.3. ĐIỀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ BẰNG ĐIỆN ÁP NGOÀI..... 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 61 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 61 KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 62 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.......................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 64
1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Chữ viết Tiếng Việt tắt/ Ký hiệu Absorption A Độ hấp thụ Computer Simulation CST Công nghệ mô phỏng bằng Technology máy tính Cut wire CW Dây bị cắt Electric field E Điện trường Electromagnetically Induced EIT Truyền qua cảm ứng điện từ Transparency Finite Intergrate Technique FIT Kỹ thuật tích phân hữu hạn Fractional band width FBW Độ rộng dải tần Frequency Domain Solver FDS Giải theo miền tần số Full width at half maximum FWHM Độ bán rộng Impedance Z Trở kháng Magnetic field H Từ trường Metamaterial MM Vật liệu biến hóa Metamaterial Absorber MA Vật liệu biến hóa hấp thụ Microelectromechanical MEMS Hệ vi cơ điện tử System Multi input / Multi output MIMO Truyền thông đa hướng Permeability μ Độ từ thẩm
2 Permittivity ɛ Độ điện thẩm Polarization Conversion PC Chuyển đổi phân cực Printed Circuit Board PCB Bảng mạch in Reflection R Độ phản xạ Scanning Electron Microscope SEM Kính hiển vi điện tử quét Silicon on insulator SOI Silicon trên điện môi Split-disk Metamaterial SDM Vật liệu biến hóa dạng đĩa tách Split-Ring Resonant SRR Vòng cộng hưởng phân rãnh Transient Solver TS Giải theo miền thời gian Transmission T Độ truyền qua Wave vector k Véc-tơ sóng
3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Tham số cấu trúc của MA1.................................................................... 32 Bảng 2. Tham số cấu trúc của MA2.................................................................... 42 Bảng 3. Thông số mạch hiệu dụng cho đi-ốt biến dung SMV2019-079LF........ 50
4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc một ô cơ sở cơ bản của vật liệu biến hóa. .............................. 9 Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ɛ và μ......................................... 10 Hình 1.3. (a) Cấu trúc vật liệu chiết suất âm; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu chiết suất âm [6]. .................................................................................... 12 Hình 1.4.(a) Cấu trúc MA được N. I. Landy đề xuất năm 2008; (b) Phổ hấp thụ, truyền qua và phản xạ [10]. ................................................................................. 13 Hình 1.5. Siêu thấu kính [12]. ............................................................................. 14 Hình 1.6. Thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ. (a) Mặt cắt ngang của ô cơ sở vật liệu biến hóa hấp thụ IR bao gồm một dải Au dày 50 nm trên màng Au dày được ngăn cách bởi một lớp MgF2 dày 30 nm. (b) Ảnh chụp siêu vật liệu được chế tạo có tổng diện tích 26 × 26 mm2 và (c) Ảnh SEM. (d) Thiết lập phép đo phản xạ FT-IR bằng cách thay đổi góc tới θ [13]. .............................................. 15 Hình 1.7. (a) Hình ảnh sơ đồ của thiết bị tích hợp MEMS. Hình ảnh cận cảnh (phía dưới bên phải) cho thấy ba lớp chồng lên nhau của tấm SOI. (b) Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa EIT, bao gồm một dây bị cắt và một cặp dây bị cắt [13].. 16 Hình 1.8. Mô tả sự chuyển đổi phân cực bất đối xứng của vật liệu biến hóa lai siêu mỏng. Ánh sáng phân cực tuyến tính đối với sự lan truyền tới và lui có thể được biến đổi thành phân cực vuông góc và phản xạ một cách hiệu quả tương ứng [28]. ............................................................................................................................. 17 Hình 1.9. Mô hình giao thoa triệt tiêu. ............................................................... 19 Hình 1.10. (a) Sơ đồ của bốn loại vật liệu biến hóa đĩa tách (SDM). Lần lượt là (i) SDM 1, (ii) SDM-2, (iii) SDM-3 và (iv) SDM-4. (b) Mặt cắt ngang của SDM [49]. ............................................................................................................................. 22 Hình 1.11. (a) Cấu trúc vật liệu biến hóa tích hợp trong pin mặt trời. (b) Kết quả mô phỏng của cấu trúc [50]. ................................................................................ 24 Hình 2.1. Phần mềm mô phỏng CST. ................................................................. 25 Hình 2.2. Giao diện phần mềm CST. .................................................................. 27 Hình 2.3. Quy trình chế tạo mẫu sử dụng phương pháp quang khắc.................. 29 Hình 2.4. Hệ thiết bị quang khắc dùng trong chế tạo vật liệu biến hóa tại Viện Khoa học vật liệu................................................................................................. 29 Hình 2.5. Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Viện Khoa học vật liệu. ..... 31 Hình 3.1. Cấu trúc ô cơ sở của MA1. (a) Cấu trúc dấu cộng, (b) cấu trúc vòng cộng hưởng và (c) cấu trúc MA1 kết hợp từ 2 cấu trúc trên. .............................. 33 Hình 3.2. Độ hấp thụ của MA có cấu trúc (a) dấu cộng, (b) vòng cộng hưởng và (c) kết hợp cả 2 cấu trúc trên (MA1)................................................................... 34 Hình 3.3. Sự thay đổi độ hấp thụ của MA1 khi thay đổi khoảng cách d. ........... 35
5 Hình 3.4. Phân bố dòng bề mặt trên cấu trúc MA1 tại tần số (a) 6,8 GHz; (b) 8,4 GHz và (c) 8,8 GHz............................................................................................. 36 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào góc tới (khi d = 1 mm)................. 37 Hình 3.6. Sự biến đổi của phổ hấp thụ khi (d = 0,5 mm) góc tới thay đổi. ........ 38 Hình 3.7. Cấu trúc ô cơ sở của MA2. ................................................................. 39 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ MA2 vào khoảng cách d. ................... 40 Hình 3.9. Phân bố điện trường tại các tần số hấp thụ (a) 15,9 THz và (b) 16,7 THz. ............................................................................................................................. 41 Hình 3.10. Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MA3. ..................... 42 Hình 3.11. Ảnh hưởng của góc tới lên phổ hấp thụ của MA3. ........................... 43 Hình 3.12. Phổ hấp thụ của MA3 khi phân cực sóng điện từ thay đổi. .............. 46 Hình 3.13. Thiết kế của ô đơn vị được đề xuất với các tham số tối ưu L = 29,5; a = 27; b = 12; d = 5; s = 1,2; m = 0,5; h = 0,5; t = 1,2 và t m = 0,035 mm. (b) Cấu hình đo tương ứng bằng cách sử dụng Máy phân tích mạng vectơ ZNB20 (1 – 18 GHz). ................................................................................................................... 49 Hình 3.14. Trong chế độ hấp thụ, các kết quả mô phỏng của (a) hệ số phản xạ phân cực đồng trục và phân cực vuông góc; (b) hấp thụ đối với MM tích hợp ở điện áp phân cực 0 V và (c)-(d) các tham số tương ứng của cấu trúc MM tương đương với hai rãnh cắt trên bề mặt...................................................................... 52 Hình 3.15. Trong chế độ PC, (a) mô phỏng hệ số phản xạ Rvu và Ruu; (b) PCR cho MM lai ở điện áp phân cực ngược -19 V. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm (c)Rvu, Ruu và (d) PCR của cấu trúc MM tương đương với 3 rãnh cắt trên bề mặt. ............................................................................................................................. 53 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của (a) hệ số phản xạ phân cực đồng trục Ruu và phân cực vuông góc Rvu; (b) PCR tương ứng của MM tích hợp khi điện áp phân cực thay đổi từ 0 V đến -19 V. Kết quả thực nghiệm của (c) hệ số phản xạ và (d) PCR ở điện áp phân cực ngược 0 V và -4 V. .............................. 54 Hình 3.17. (a) Sơ đồ của chuyển đổi phân cực y sang x. (b) Độ lớn của hệ số phản xạ u và v. Các pha phản xạ của hệ số phản xạ (c) phân cực đồng trục và (d) phân cực vuông góc khi vector điện của sóng điện từ tới dọc theo trục u và v. ......... 56 Hình 3.18. Sự phân bố của dòng điện cảm ứng bề mặt tại các lớp trên và dưới ở các tần số cộng hưởng là (a) 3,5 GHz; (b) 5,5 GHz trong trường hợp chế độ hấp thụ (không có điện áp phân cực) và (c) 4 GHz cho chế độ PC (ở điện áp phân cực -19 V). ................................................................................................................. 57 Hình 3.19. Phân bố mật độ tổn hao tại (a) 3,5 GHz;(b) 5,5 GHz trong chế độ hấp thụ (không có điện áp phân cực) và (d) 4 GHz cho chế độ PC (điện áp phân cực của -19 V). ........................................................................................................... 58
6 Hình 3.20. Khảo sát thêm trong phạm vi THz đối với (a) chế độ hấp thụ bằng cách sử dụng cấu trúc MM đề xuất đã giảm kích thước và (b) PC bằng cách sử dụng MM cải tiến với kích thước nhỏ hơn................................................................... 59
7 MỞ ĐẦU Từ vật lý và hóa học cơ bản, chúng ta biết rằng mọi vật chất đều được cấu thành từ các nguyên tử và phân tử. Các nguyên tử và thành phần tạo thành quyết định tính chất vật lý của vật chất, bao gồm cả các đặc tính quang học. Trải qua hàng nghìn năm, con người đã nghiên cứu các vật liệu khác nhau để sử dụng trong nhiều ứng dụng từ kiến trúc, giao thông vận tải, y học đến điện tử, quang học và khám phá không gian. Cuối cùng giai đoạn mà các vật liệu sẵn có trong tự nhiên không còn đủ khả năng đáp ứng các ứng dụng khoa học và công nghệ cũng đã đến. Do đó, sự xuất hiện của vật liệu biến hóa (Metamaterial – MM) cung cấp một giải pháp khả thi cho những vấn đề này. MM là vật liệu nhân tạo đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngày nay. MM được thiết kế hợp lý từ những “giả nguyên tử” (cấu trúc cộng hưởng) có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động nhằm thể hiện các đặc tính khác lạ không xuất hiện từ các nguyên tố cấu thành nên chúng. Với kích thước rất nhỏ, MM có cách thức tương tác với sóng điện từ hoàn toàn khác so với các vật liệu thông thường. Vì vậy, lý thuyết môi trường hiệu dụng được sử dụng để xem xét mối tương quan này. Nhờ đó, đặc tính của MM cũng được thể hiện qua độ điện thẩm và độ từ thẩm hiệu dụng. Lưu ý rằng, hai thông số này của MM hoàn toàn có thể điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc của ô cơ sở. Nhờ vậy, các tính chất khác lạ như đảo ngược định luật Snell, chiết suất âm, hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ hay nghịch đảo hiệu ứng Doppler có thể đạt được một cách dễ dàng nhằm phục vụ cho các ứng dụng thực tế. Với những đặc tính nổi trội và các ứng dụng tuyệt vời của các MM mà trong đó đặc biệt phải kể đến là vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (Metamaterial Absorber – MA) đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước. Mặc dù vậy, việc tìm ra cấu trúc vật liệu cho độ hấp thụ tối ưu, khả năng điều khiển được các đặc tính điện từ trong vùng tần số từ GHz đến THz hiện vẫn là thách thức mà các nhà nghiên cứu cần phải triển khai trên cả
8 phương diện lý thuyết và thực nghiệm. Điều này khiến cho các ứng dụng sử dụng MM như bộ lọc tần số hay cảm biến đa chức năng còn đang bị hạn chế. Do đó, mục tiêu nghiên cứu của luận văn hướng đến khả năng điều khiển các đặc tính hấp thụ của MM như tần số và biên độ trong vùng tần số GHz để đáp ứng các nhu cầu cấp thiết về ứng dụng trong quân sự, dân sự và chăm sóc sức khỏe. Cụ thể, luận văn cần đạt được các kết quả: - Đề xuất cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng GHz và THz. - Khảo sát và nghiên cứu cách thức điều khiển tần số và biên độ hấp thụ của vật liệu biến hóa theo các yếu tố: tham số cấu trúc, góc tới của sóng điện từ, sự phân cực của sóng điện từ và tác động ngoại vi. Nội dung luận văn bao gồm 4 phần: Chương 1. TỔNG QUAN Trình bày lý thuyết cơ bản về vật liệu biến hóa nói chung và vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ nói riêng. Các ứng dụng và các phương pháp điều khiển tần số và biên độ hấp thụ sóng điện từ của MA. Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm phương pháp tính toán, mô phỏng và thực nghiệm. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trình bày các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đưa ra kết luận và kiến nghị về hướng nghiên cứu trong tương lai.
9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA 1.1.1. Khái niệm Tính chất của vật liệu dạng khối về cơ bản được xác định bởi các nguyên tố và các liên kết hóa học trong vật liệu. Con người chưa bao giờ ngừng tìm hiểu nhằm kiểm soát các đặc tính của vật chất. Ví dụ, hơn 3000 năm trước, tổ tiên của chúng ta đã biết cách tổng hợp hợp kim để cải thiện tính chất cơ học của kim loại. Độ dẫn điện của silicon có thể cao hơn với mức độ pha tạp nhẹ, đặt nền tảng cho toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn hình thành vào khoảng năm 1960. Khoa học và công nghệ nano gần đây nghiên cứu tính chất điện, quang, nhiệt và cơ học của các vật liệu từ cấp độ nguyên tử hay phân tử. Tất cả những nỗ lực này đã mở rộng đáng kể phạm vi vật liệu mà con người có thể tiếp cận. Hình 1.1. Cấu trúc một ô cơ sở cơ bản của vật liệu biến hóa.
10 Trong những thập kỷ trước, MM đã xuất hiện và mở ra một hướng đi hoàn toàn mới nhằm nâng cao khả năng thiết kế vật liệu với các tính chất mong muốn của con người [1]. Khác với các ví dụ đã nói ở trên, tính chất vật lý của MM ít phụ thuộc vào các đặc tính nội tại của các thành phần tạo thành mà nó được quyết định bởi các cấu trúc tạo nên MM. Các cấu trúc nhân tạo này có chức năng như các nguyên tử và phân tử trong vật liệu truyền thống. Thông qua các tương tác với sóng điện từ, chúng có thể tạo ra các đặc tính vật lý thú vị không có trong các vật liệu tổng hợp hóa học hay tự nhiên. Trong điện từ học, độ điện thẩm 𝜀 và độ từ thẩm 𝜇 là hai thông số cơ bản đặc trưng cho tính chất điện từ của một môi trường. Về mặt vật lý, độ điện thẩm và độ từ thẩm mô tả ảnh hưởng của một trường điện từ lên môi trường vật chất. Hình 1.2. Giản đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ɛ và μ. Hình 1.2 biểu diễn một giản đồ cho phép phân loại các vật liệu theo tham số điện từ: độ điện thẩm và độ từ thẩm. Vùng I ở góc phần tư phía trên bao gồm các vật liệu có đồng thời độ điện thẩm và độ từ thẩm dương tương ứng với hầu
11 hết các vật liệu điện môi. Góc phần tư thứ II bao gồm kim loại, vật liệu sắt điện và chất bán dẫn được pha tạp có thể biểu hiện độ điện thẩm âm ở các tần số nhất định (dưới tần số plasma). Góc phần tư thứ IV bao gồm một số vật liệu ferit có độ từ thẩm âm, tuy nhiên, các đáp ứng từ tính của chúng nhanh chóng biến mất trên vùng tần số vi sóng. Vùng thú vị nhất là góc phần tư thứ III, trong đó độ điện thẩm và độ từ thẩm đồng thời mang dấu âm. Loại vật liệu này chưa từng được tìm thấy trong tự nhiên. Về cơ bản, sự khúc xạ của sóng điện từ tại mặt phân cách giữa hai môi 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑛𝑟 trường được mô tả bởi định luật Snell: = , trong đó mối liên hệ giữa góc 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑟 𝑛𝑖 tới 𝜃𝑖 và góc khúc xạ 𝜃𝑟 phụ thuộc trực tiếp vào chiết suất 𝑛 = √𝜀𝜇. Tuy nhiên, sự xuất hiện của MM đã thay đổi hoàn toàn quan điểm này. Trong đó, độ điện thẩm và độ từ thẩm hiệu dụng của vật liệu được điều khiển dễ dàng bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc. Điều này giúp cho MM có thể tạo ra môi trường có chiết suất âm [1], đảo ngược hiệu ứng Doppler [2] và phát xạ Cherenkov [3] – những đặc tính không thể quan sát được từ các thành phần nguyên tố tạo thành. 1.1.2. Lịch sử hình thành Vật liệu biến hóa xuất hiện lần đầu tiên từ đề xuất của Veselago về sự tồn tại của một loại vật liệu có chiết suất âm dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ điện thẩm và độ từ thẩm âm vào năm 1968 [1]. Như đã đề cập ở trên, loại vật liệu này chưa từng được tìm thấy trong tự nhiên, vì vậy, lý thuyết này đã đứng trước sự ngờ vực của mọi người trong thời gian dài sau đó. Phải mãi đến gần 30 năm sau, khi Pendry và cộng sự đưa ra mô hình lưới dây kim loại nhằm hạ thấp tần số plasma về vùng GHz vào năm 1996 [4], đề xuất của Veselago mới lại nhận được sự quan tâm của giới nghiên cứu. Nhờ vậy, chỉ sau một thời gian ngắn, vào năm 1999, Pendry và cộng sự lại tiếp tục đưa ra mô hình về vật liệu có độ từ thẩm âm dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (Split-Ring Resonant – SRR) cũng trong vùng tần số GHz [5]. Hai mô hình này đã mở ra khả năng đưa vật liệu có chiết suất âm đến gần hơn với thực tiễn. Điều này được chứng minh rất nhanh sau đó vào năm 2000, Smith và cộng sự đã lần đầu tiên chứng minh bằng thực
12 nghiệm về sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm [6]. Cấu trúc được kết hợp bởi các SRR và lưới dây kim loại sắp xếp tuần hoàn như mô tả trong Hình 1.3. Hình 1.3. (a) Cấu trúc vật liệu chiết suất âm; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu chiết suất âm [6]. Cùng năm đó, Pendry cũng chỉ ra rằng vật liệu biến hóa có chiết suất âm có khả năng ứng dụng trong chế tạo siêu thấu kính [7]. Điều này cũng đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm vào năm 2005 bởi nhóm của Zhang cùng các cộng sự [8]. Ngay sau đó, trước sự ngạc nhiên của cộng đồng nghiên cứu, Pendry đưa ra mô hình và chứng minh bằng thực nghiệm về sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng điện từ bằng vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số GHz vào năm 2006 [9]. Trước sự phát triển nhanh chóng của vật liệu biến hóa, các ứng dụng khác nhau liên tiếp được đề xuất nghiên cứu. Đáng chú ý phải kể đến vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (MA) được N. I. Landy đề xuất năm 2008 [10]. Cấu trúc được
13 biểu diễn trong Hình 1.4 bao gồm vòng cộng hưởng kép và thanh kim loại tương ứng ở hai mặt trước và sau, cùng với lớp điện môi ở giữa. Hình 1.4.(a) Cấu trúc MA được N. I. Landy đề xuất năm 2008; (b) Phổ hấp thụ, truyền qua và phản xạ [10]. 1.1.3. Một số hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa trong nước a. Vật liệu biến hóa có chiết suất âm Được đề xuất và nghiên cứu đầu tiên là vật liệu biến hóa có chiết suất âm. Với những đặc tính khác thường như đảo ngược hiệu ứng Doppler [2], phát xạ Cherenkov [3] hay nghịch đảo định luật Snell [11], vật liệu biến hóa có chiết suất âm nhận được sự quan tâm đặc biệt sau công bố lần đầu tiên của Veselago. Sự kết hợp độ từ thẩm và độ điện thẩm cùng âm trên một dải tần số tạo ra vật liệu có chiết suất âm với 3 vectơ của sóng điện từ E, H, k tuân theo quy tắc bàn tay trái ra đời. Những tính chất kỳ diệu này hứa hẹn những tiềm năng ứng dụng như siêu thấu kính [12].
14 Hình 1.5. Siêu thấu kính [12]. b. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MA là vật liệu biến hóa có khả năng hấp thụ năng lượng sóng điện từ chiếu tới bề mặt vật liệu. Cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên MA hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ cộng hưởng. Hướng nghiên cứu hiện đang được các nhà khoa học quan tâm là thiết kế MA có cấu trúc đơn giản và dễ dàng trong chế tạo. MA mở ra rất nhiều hướng nghiên cứu với các ứng dụng tiềm năng như cảm biến [14], ứng dụng trong pin mặt trời hiệu suất cao [15] hay tàng hình ảnh nhiệt trong lĩnh vực quốc phòng [16]. Để hiện thực hóa những ứng dụng này, bên cạnh việc tìm kiếm các cấu trúc tối ưu, cách thức điều khiển đặc tính hấp thụ của MA cũng rất được quan tâm [17].