Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ hoạt động ở vùng khả kiến

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là thiết kế được vật liệu biến hóa (metamaterial) có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến dựa trên các thành phần kim loại và điện môi, có độ truyền qua tại đỉnh lớn hơn 70%. Nghiên cứu được các tính chất và đặc trưng điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ được thiết kế. 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 Vật lý: Nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ hoạt động ở vùng khả kiến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Sơn Tùng TS. Nguyễn Thị Hiền THÁI NGUYÊN - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Sơn Tùng 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. HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ VIỆT NINH
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi Sơn Tùng 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 Viện Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Thái nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Lương Thế Vinh 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 NGUYỄN THỊ VIỆT NINH
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN ....................................................................................3 1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa ............................................................................3 1.2. Ứng dụng của vật liệu biến hóa............................................................................6 1.2.1. Vật liệu hấp thụ .................................................................................................6 1.2.2. Cảm biến sinh học .............................................................................................7 1.2.3. Truyền dẫn năng lượng không dây ...................................................................8 1.2.4. Siêu thấu kính .................................................................................................10 1.3. Lý thuyết môi trường hiệu dụng ........................................................................12 1.4. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa .......................................................14 1.4.1. Cấu trúc cộng hưởng điện ...............................................................................14 1.4.2. Cấu trúc cộng hưởng từ ...................................................................................17 1.5. Vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ...............................21 1.6. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ...............................................................................................................24 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................24 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................25 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................26 2.1. Phương pháp tính toán .......................................................................................26 2.2. Phương pháp mô phỏng .....................................................................................27 2.3. Xử lý và phân tích số liệu ..................................................................................31 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................35 3.1. Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa trên vật liệu kim loại ................................................................................................35
iv 3.1.1. Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại hoạt động ở vùng quang học ................................................35 3.1.2. Nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại ở vùng khả kiến ...........................37 3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa trên vật liệu điện môi ...............................................................................................40 3.2.1. Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi hoạt động ở vùng quang học ...............................................40 3.2.2. Nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi ở vùng khả kiến ..........................42 3.2.3. Nghiên cứu khả năng làm chậm ánh sáng và cảm biến của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến ...............................48 KẾT LUẬN ..............................................................................................................52 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................................................53 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ..............................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục ký hiệu ε : Độ điện thẩm µ : Độ từ thẩm  eff : Độ điện thẩm hiệu dụng eff : Độ từ thẩm hiệu dụng n : Chiết suất neff : Chiết suất hiệu dụng Z : Trở kháng R : Độ phản xạ T : Độ truyền qua A : Độ hấp thụ γ : Tần số dập tắt, ωp : Tần số plasma p (eff ) : Tần số plasma hiệu dụng σ : Độ dẫn của vật liệu C : Điện dung L : Độ tự cảm Q : Điện tích M : Độ hỗ cảm E : Vector điện trường H : Vector từ trường k : Vector sóng tanδ : Hệ số tổn hao của điện môi 2. Danh mục viết tắt FOM : Hệ số phẩm chất SRR : Vòng cộng hưởng có rãnh ERR : Vòng cộng hưởng điện CWP : Cặp dây bị cắt CW : Thanh kim loại bị cắt TE : Sóng phân cực với vector điện trường
vi vuông góc với mặt phẳng tới TM : Sóng phân cực với vector từ trường vuông góc với mặt phẳng tới CB : Mô hình dạng kết hợp FN : Mô hình dạng lưới cá DP : Mô hình cặp đĩa hình tròn CDP : Mô hình cặp đĩa hình tròn bị nối tắt DN : Mô hình lưới đĩa hình tròn PIM : Phối hợp trở kháng hoàn toàn : Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng MPA điện từ WPT : Truyền dẫn năng lượng không dây MIW : Sự lan truyền của sóng cảm ứng từ InSb : Indium Antimonide YIG : Yttrium Iron Garnet NPM : Vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm BSA : Bovine Serum Albumin Rh6G : Rhodamine 6G DTTCI : 3,3′-diethylthiatricarbocyanine iodide
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [21]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ
viii Hình 1.11. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây là r và khoảng cách giữa các dây là a. (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số. Độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 S/m [39]. ............16 Hình 1.12. (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR); .......................................16 Hình 1.13. (Bên trái) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µeff < 0 và (Bên phải) đường tán sắc của độ từ thẩm [42]. ................................................18 Hình 1.14. (a) Cấu trúc SRR kép và phân cực của sóng điện từ. (b) Sự biến đổi từ cấu trúc SRR thành cấu trúc CWP [44]. ..................................................19 Hình 1.15. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (b) mô hình mạch LC tổng quát cho một ô cơ sở của cấu trúc CWP. Mô hình mạch điện dao động trong trường hợp (c) cộng hưởng từ và (d) cộng hưởng điện [45]. .....................................20 Hình 1.16 (a) Cấu hình tương tác với hai chùm phát laser khác nhau trong hiệu ứng EIT lượng tử. (b) Tính chất hấp thụ của môi trường khi không có (nét đứt) và có hiệu ứng EIT (nét liền) [46]. ...........................................22 Hình1.17. (a) Cấu trúc EIT-MM sử dụng tương tác sáng-tối. (b) Phần thực và phần ảo của điện trường tại đầu dò đặt cách thanh kim loại dọc 10 nm [18]. ......23 Hình 1.18. (a) Cấu trúc EIT-MM sử dụng tương tác sáng-sáng. (b) Phổ truyền qua của cấu trúc thanh kim loại (CW), vòng công hưởng có rãnh (SRR), EIT-MM tạo bởi hai thành phần này và giá trị chiết suất nhóm của EIT-MM [51]. ...................................................................................24 Hình 1.19. Cấu hình tương tác của hiệu ứng EIT lượng tử với hai nguồn phát laser khác nhau. .......................................................................................24 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa............................................26 Hình 2.2. Giao diện phần mềm CST (Computer Simulation Technology). .............28 Hình 2.3. a) Thành phần từ trường và điện trường trong cấu trúc mắt lưới (fishnet) tại tần số cộng hưởng. b) Dòng điện trong hai thanh kim loại chứng tỏ vị trí cộng hưởng là cộng hưởng từ. c) Phân bố tiêu tán năng lượng trong cấu trúc đĩa tròn ở bước sóng cộng hưởng [77,78,79]. ........30
ix Hình 3.1. Cấu trúc ô cơ sở của EIT-MM nhìn theo (a) góc nghiêng, (b) trực diện và (c) mặt bên cạnh. Điện môi SiO2 và kim loại vàng được biểu thị bằng màu xanh dương và màu tím tương ứng. Sóng điện từ chiếu tới được phân cực như trong hình vẽ. ...........................................................36 Hình 3.2. Giá trị phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của vàng và SiO2. ..........37 Hình 3.4. Cấu trúc ô cơ sở của EIT-MM. Điện môi SiO2 và điện môi Si được biểu thị bằng màu nâu và màu xanh dương tương ứng. Sóng điện từ chiếu tới được phân cực như trong hình vẽ. ............................................41 Hình 3.5. Giá trị phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của Si và SiO2. ...............41 Hình 3.6. Phổ truyền qua của cấu trúc EIT-MM trong trường hợp đối xứng khi d2 = 0...42 Hình 3.7. Phân bố điện trường tại bước sóng cộng hưởng 636 nm. .........................43 Hình 3.8. (a) Phổ truyền qua của cấu trúc EIT-MM và (b) độ phẩm chất của đỉnh truyền qua khi d2 thay đổi. ......................................................................44 Hình 3.9. Phân bố điện trường lần lượt tại các tần số (a) 471 THz, (b) 481 THz và (c) 495 THz. ........................................................................................45 Hình 3.10. (a) Sự phụ thuộc của phổ truyền qua và (b) hệ số phẩm chất Q-factor của cấu trúc vào khoảng cách giữa 2 thanh d1. .......................................47 Hình 3.11. (a) Phổ truyền qua, (b) pha, (c) chiết suất nhất nhóm và (d) độ trễ nhóm của cấu trúc EIT tối ưu. .................................................................49 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của (a) phổ truyền qua và (b) tần số của đỉnh truyền qua vào giá trị chiết suất n của môi trường xung quanh. ...............................50
1 MỞ ĐẦU Chúng ta đang sống trong thời đại cách mạng khoa học và công nghệ vật liệu. Ngày nay, nghiên cứu các vật liệu và nguồn năng lượng mới, rẻ hơn và cho hiệu suất cao hơn là một nhiệm vụ cấp thiết. Gần đây, vật liệu biến hóa (metamaterials - MMs), nổi lên là một vật liệu mới có nhiều tiềm năng ứng dụng. MMs là vật liệu nhân tạo được thiết kế để có thể tạo ra các hiệu ứng và tính chất mong muốn. Điểm nổi bật của MMs nằm ở chỗ ta có thể thu được những tính chất thú vị không tồn tại trong vật liệu tự nhiên ví dụ như sự khúc xạ âm [1,2], nghịch đảo hiệu ứng Doppler [3] và nghịch đảo hiệu ứng Cherenkov [4]. Dự đoán đầu tiên về sự tồn tại của MMs được đề xuất bởi Veselago [5], trong đó ông đã nghiên cứu lý thuyết các tính chất điện từ dị thường của một môi trường có cả độ từ thẩm và độ điện thẩm đều có giá trị âm. Mất một thời gian khá lâu sau đó, Smith và các cộng sự [6] đã kiểm chứng bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh kết hợp với cấu trúc lưới dây để tạo ra MMs có chiết suất âm. Kể từ đó, các nghiên cứu về MMs đã tăng lên một cách nhanh chóng, định hướng cho nhiều ứng dụng tiềm năng như áo choàng tàng hình, siêu thấu kính, bộ lọc và cảm biến. Năm 2008, một cột mốc trong nghiên cứu về MMs đã được Landy và các cộng sự tạo ra [7]. MM hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (metamaterial perfect absorber - MPA), lần đầu tiên được tạo ra bằng cách điều khiển độc lập các đáp ứng điện và từ của cấu trúc MMs. MPA này có độ dày nhỏ hơn khoảng 30 lần bước sóng hấp thụ, tức là mỏng hơn nhiều so với các vật liệu hấp thụ trước đây. Kể từ phát hiện của Landy, rất nhiều loại MPA đã được tạo ra và hoạt động ở các tần số khác nhau như vùng MHz [8,9], GHz, [10,11], THz [12,13], hồng ngoại [14,15] và quang học [16,17]. Một hướng nghiên cứu khác rất quan trọng của MMs được biết đến đó là MM có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ [electromagnetically-induced transparency metamaterial (EIT-MM)], cũng được phát hiện ra trong thời gian này. Một trong những EIT-MM đầu tiên được đề xuất bởi Zhang và các cộng sự trong năm 2018 [18]. Bằng cách khai thác tương tác trường gần của các cấu trúc cộng hưởng trong MMs. Mode tối được kích thích và sau đó giao thoa triệt tiêu với mode sáng được kích thích trực tiếp bởi trường ngoài. Hệ quả là một vùng truyền qua xuất
2 hiện tại vùng hấp thụ ban đầu đã được gây ra bởi mode sáng. Công trình này đã mở ra một hướng mới sử dụng phương pháp cổ điển, đơn giản hơn phương pháp lượng tử, để tạo ra hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ. Nhờ đó, ứng dụng của hiệu ứng EIT trong thực tế như điều khiển tín hiệu siêu nhanh, bộ lọc và cảm biến có thể đạt được trong tương lai không xa. Đáng tiếc là các phương pháp nghiên cứu tạo ra EIT đều có nhược điểm riêng như giới hạn về tần số, độ truyền qua thấp và công nghệ chế tạo. Để vượt qua được các khó khăn kể trên, chúng tôi sẽ nghiên cứu tương tác trường gần giữa các cấu trúc cộng hưởng trong MMs nhằm tạo ra hiệu ứng EIT với các mục tiêu của luận văn là: - Thiết kế được vật liệu biến hóa (metamaterial) có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến dựa trên các thành phần kim loại và điện môi, có độ truyền qua tại đỉnh lớn hơn 70%. - Nghiên cứu được các tính chất và đặc trưng điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ được thiết kế. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu vật liệu biến hóa (metamaterial) có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Đề tài sẽ được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa 2 phương pháp: mô phỏng và và tính toán. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn: Luận văn là một công trình nghiên cứu cơ bản. Các nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các thành phần điện môi, kim loại đến tính chất của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng quang học. Tìm ra thiết kế vật liệu tối ưu. Nghiên cứu các tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ như phân bố điện trường, phân bố từ trường. Nghiên cứu các đăc trưng điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ như phổ truyền qua, chiết suất nhóm và độ trễ nhóm. Luận văn được chia thành chương như sau: Chương I: Tổng quan Chương II: Phương pháp nghiên cứu Chương III: Kết quả và thảo luận
3 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật liệu biến hóa Về mặt cấu trúc điện từ, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) được cấu thành từ các “nguyên tử nhân tạo”, thực chất là các cấu trúc cộng hưởng điện từ có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Khởi nguồn vào năm 1968, lĩnh vực nghiên cứu MMs đã hình thành từ một ý tưởng về môi trường có chiết suất âm [có đồng thời độ từ thẩm âm (µ
4 Trong đó, D và B là độ cảm ứng điện và cảm ứng từ. Xét với trường hợp trường điện từ tự do (mật độ dòng điện j = 0) và (mật độ điện tích ρ = 0), hệ phương trình Maxwell được rút gọn thành: 1 B E   , (1.7) c t 1 D H  , (1.8) c t .D  0, (1.9) .B  0. (1.10) Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [21]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ
5 k.H  0. (1.15) Để xác định hướng của dòng năng lượng truyền đi trong một môi trường, chúng ta có thể căn cứ vào vector Poynting S (không phụ thuộc vào dấu của ε và μ): S c E  H. (1.16) 4 Từ phương trình (1.12) và (1.13), nếu cả ε và μ cùng mang dấu dương, ba vector E, H, k sẽ tạo thành một tam diện thuận (tuân theo quy tắc bàn tay phải). Vector sóng k hướng ra từ nguồn phát xạ (tức là hai vector S và k song song với nhau như quan sát trong góc phần tư thứ nhất của Hình 1.1). Trong trường hợp ε và μ đồng thời âm, ba vector E, H, k sẽ tạo thành một tam diện nghịch (tuân theo quy tắc bàn tay trái). Khi đó vector sóng k hướng vào nguồn phát xạ (hai vector k và S đối song như quan sát trong góc phần tư thứ ba của Hình 1.1). Đây chính là ý tưởng khởi nguồn để tạo ra thế hệ vật liệu nhân tạo có chiết suất âm đầu tiên. Bằng cách sắp xếp linh hoạt các “giả nguyên tử”, sự truyền sóng điện từ bên trong môi trường tạo bởi MMs có thể được điều khiển theo ý muốn. Hình 1.2 trình bày một số cấu trúc ô cơ sở hai chiều và ba chiều điển hình của vật liệu MMs chiết suất âm. Dựa trên việc tái cấu trúc các ô cơ sở (sắp xếp tuần hoàn hoặc không tuần hoàn của các cấu trúc cộng hưởng đơn vị được cấu thành từ vật liệu kim loại - điện môi), hiệu ứng chiết suất âm, độ từ thẩm âm hoặc điện thẩm âm trong các vùng tần số khác nhau sẽ dễ dàng đạt được. Hình 1.2. (A)-(C) Các mô hình cấu trúc ô cơ sở khác nhau cấu tạo từ kim loại – điện môi của vật liệu biến hóa [22].
6 1.2. Ứng dụng của vật liệu biến hóa Hiện nay, các nghiên cứu về MMs không còn giới hạn ở vật liệu có độ điện thẩm âm, độ từ thẩm âm và chiết suất âm, mà còn mở rộng ra rất nhiều lĩnh vực và định hướng cho các ứng dụng hiện đại khác như hấp thụ, cảm biến sinh học và dẫn truyền năng lượng không dây (wireless power transfer - WPT)… [23-28]. Sau đây luận văn sẽ trình bày một số hướng ứng dụng hiện nay của vật liệu biến hóa 1.2.1. Vật liệu hấp thụ Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu biến hóa là khả năng hấp thụ hoàn toàn sóng điện từ (MPA). MPA lần đầu tiên được đề xuất bởi Landy và các cộng sự [7]. Mẫu chế tạo MPA được tạo thành từ các ô cơ sở được sắp xếp một cách tuần hoàn. Hình 1.3 biểu diễn cấu trúc ô cơ sở và phổ hấp thụ của MPA này. Cấu trúc bao gồm 3 lớp: mặt trước và mặt sau tương ứng là vòng cộng hưởng điện (ERR) và CW làm từ kim loại đồng, ở giữa là lớp điện môi làm từ FR-4. Các tham số cấu trúc khác có thể được tham khảo trong tài liệu [7]. Hình 1.3. (Trái) a) Cấu trúc ERR, b) Cấu trúc CW và c) Ô cơ sở của MPA dựa trên 2 cấu trúc cộng hưởng cùng với sự phân cực của sóng tới. (Phải) Phổ hấp thụ mô phỏng (nét liền), thực nghiệm (chấm tròn) và tính toán theo hàm Gauss dựa trên kết quả thực nghiệm (nét đứt, xám). Hình đính kèm là kết quả mô phỏng độ hấp thụ tại tần số cộng hưởng tại các giá trị góc tới khác nhau [7]. Bằng cách giữ cố định vòng cộng hưởng điện (ERR), đồng thời tối ưu các tham số hình học của CW và độ dày điện môi, tính chất từ của MPA được điều khiển riêng biệt. Nhờ đó mà độ từ thẩm µ, và độ điện thẩm ε, của MPA có thể được tối ưu một cách độc lập. Sau một quá trình tối ưu hóa, điều kiện phối hợp trở kháng
7  z  1 sẽ được thỏa mãn. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy một đỉnh  hấp thụ với độ hấp thụ 96% xuất hiện tại tần số 11.5 GHz. Từ đó đến nay MPA đã được nghiên cứu và chế tạo thành công từ vùng MGh cho đến cho đến vùng ánh sáng nhìn thấy. 1.2.2. Cảm biến sinh học Cảm biến sinh học rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chẩn đoán dịch bệnh, kiểm soát môi trường, kiểm định chất lượng thực phẩm, … Gần đây vật liệu biến hóa nổi lên như là một hướng đi mới cho công nghệ cảm biến sinh học. Khác với công nghệ cảm biến sinh học dựa trên phương pháp huỳnh quang, cảm biến dựa trên MMs sẽ không cần phải đánh dấu khiến cho chúng trở nên linh động hơn và tiết kiệm hơn về chi phí cũng như thời gian phân tích mẫu. Cấu trúc MMs có thể ứng dụng làm cảm biến tần số dao động riêng của phân tử được minh hoạ trên Hình 1.4 [29]. Mô phỏng và thực nghiệm đã chứng tỏ, cấu trúc MM kiểu ba lớp: Ag-Silicon-Ag có thể tăng cường đáng kể tín hiệu dao động của phân tử protein albumin Bò (bovine serum albumin – BSA) và cho phép quan sát rõ tín hiệu này trên phổ truyền qua chuẩn hóa. Đặc biệt, biên độ của tín hiệu có giá trị khoảng 25%, tức là gần như ngang bằng với biên độ của tín hiệu ứng với mẫu BSA dày, như quan sát trên Hình 1.4(b). Hình 1.4. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần số dao động riêng của phân tử. (b) Phổ truyền qua chuẩn hóa thực nghiệm ứng với lớp phân tử BSA siêu mỏng được phủ trên MM và trên đế sapphire [29].
8 1.2.3. Truyền dẫn năng lượng không dây Bên cạnh đó, sự phát triển của các thiết bị thông minh trong thông tin liên lạc đang đặt ra yêu cầu cấp thiết là thay thế được công nghệ truyền dẫn kết nối bằng dây đồng thời với việc tăng cường hơn nữa hiệu suất truyền dẫn cho công nghệ truyền năng lượng không dây [wireless power transfer (WPT)] WPT. Truyền dẫn năng lượng không dây có một lịch sử rất lâu từ thời kỳ của nhà khoa học Tesla năm 1983. Gần đây, nghiên cứu về WPT lại nổi lên một lần nữa do sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ mới. Một ví dụ điển hình là ứng dụng WPT trong công nghệ sạc không dây dành cho điện thoại thông minh và các thiết bị cầm tay khác. Nhìn chung, WPT có tiềm năng trong rất nhiều ứng dụng với các mức tiêu thụ năng lượng khác nhau: từ các thiết bị y tế được cấy ghép trong cơ thể con người, cho đến xe điện, và thậm chí là vệ tinh. Hình 1.5. (a) Bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs. (b) So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số. Chi tiết về các tham số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể được tham khảo trong tài liệu [23]. Bằng cách sử dụng MMs, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một giải pháp phù hợp cho vấn đề này. Hình 1.5(a) là sơ đồ cấu tạo và kết quả thực nghiệm của hệ WPT sử dụng cấu trúc MMs tạo ra trường định xứ [23]. Kết quả thực nghiệm trong Hình 1.5(b) cho thấy, trong trường hợp không có cấu trúc MM ở giữa, hiệu suất truyền
9 dẫn cực đại chỉ là 8,7%. Khi một tấm MM được tích hợp vào, hiệu suất cực đại đạt được là 29,5%. Với hai tấm MMs, hiệu suất bị giảm đi còn 2,4%. Tuy nhiên, khi tạo ra một lỗ trống, hai tấm MMs lại tăng cường giá trị cực đại của hiệu suất lên tới 54,9%, lớn hơn 1,8 và 6.4 lần so với trường hợp sử dụng một tấm và không có MM tương ứng. Trong mục này, luận văn sẽ giới thiệu tiềm năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong việc nâng cao hiệu suất truyền dẫn của WPT. Thí nghiệm mô hình WPT sử dụng vật liệu biến hóa lần đầu tiên được thực hiện bởi Wang và các cộng sự [30, 31]. Vì hầu hết hệ thống WPT thực tế dựa trên tương tác từ, ta chỉ cần sử dụng vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm là đủ. Hình 1.6. là mẫu chế tạo của vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm ở dạng 3 chiều và dạng phẳng. Để đảm bảo rằng vật liệu biến hóa đủ nhỏ, cấu trúc 2 vòng cộng hưởng dạng xoắn được sử dụng. Trong cấu trúc ô cơ sở này, 2 vòng cộng hưởng dạng xoắn bằng đồng nằm trên hai mặt của một lớp điện môi, Rogers RO4003C, và 2 vòng này được kết nối bằng 1 trục đồng. So với cấu trúc SRR truyền thống, cấu trúc này có thể tạo ra được độ tự cảm và điện dung hiệu dụng lớn hơn nhiều. Nhờ đó tần số cộng hưởng sẽ được hạ thấp. Mẫu vật liệu biến hóa dạng phẳng được tạo ra bằng cách bỏ các lớp cấu trúc ở giữa của mẫu vật liệu biến hóa 3 chiều, chỉ để lại 2 mặt phẳng song song với nhau. Hình 1.6. Mẫu chế tạo vật liệu biến hóa ở a) dạng 3 chiều và b) dạng phẳng [30].