Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Thiết kế và mô phỏng vật liệu Meta có kích thước siêu nhỏ hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm tối ưu kích thước cấu trúc ô cơ sở siêu nhỏ của MPAs hoạt động trong vùng tần số thấp dựa trên sự tích hợp với linh kiện điện tử ngoại vi (tụ điện, cuộn cảm). - Đề xuất các mô hình điều khiển đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của MPAs ở dải tần số thấp. 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: Thiết kế và mô phỏng vật liệu Meta có kích thước siêu nhỏ hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN TIẾN LÂM THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VẬT LIỆU META CÓ KÍCH THƯỚC SIÊU NHỎ HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG VÙNG TẦN SỐ LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. Vũ Thị Hồng Hạnh 2. TS. Bùi Xuân Khuyến THÁI NGUYÊN - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Thị Hồng Hạnh và TS. Bùi Xuân Khuyến. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Học viên Trần Tiến Lâm i
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Vũ Thị Hồng Hạnh và TS. Bùi Xuân Khuyến. 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 cũng xin chân thành cảm ơn GS. TS. Vũ Đình Lãm (Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), TS. Bùi Sơn Tùng, TS. Nguyễn Thị Hiền, CN. Nguyễn Vân Ngọc đã giúp đỡ và trao đổi các ý tưởng khoa học liên quan đến các công trình của luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong Nhóm nghiên cứu Metamaterials tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tại nghiên cứu tại Viện. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Ban giám hiệu cùng Thầy Cô trong Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã dày công trang bị tri thức, tạo mọi điều kiện thuận lợi cùng môi trường mô phạm hiện đại giúp cho tôi trưởng thành hơn trong quá trình học tập. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã luôn ở bên cạnh động viên tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Học viên Trần Tiến Lâm ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .............................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. v MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 5 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa ..................................................... 5 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu biến hóa ........................... 8 1.3. Định nghĩa và phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ .................................................................................................... 11 1.4. Cơ chế hấp thụ của vật liệu biến hóa .................................................... 13 1.5. Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ .......................... 14 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................... 17 2.1. Phương pháp mô phỏng ........................................................................ 18 2.2. Phương pháp chế tạo ............................................................................. 20 2.3. Phương pháp đo đạc .............................................................................. 22 Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN NGOẠI VI LÊN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA .................... 24 3.1. Tích hợp MPA với tụ điện và cuộn cảm ............................................... 24 3.2. Điều khiển dải tần số hấp thụ của vật liệu biến hóa trong vùng tần số WIMAX/WLAN ....................................................................................... 31 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 37 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................. 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 40 iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính CW Cut - Wire Dây bị bắt MM Metamaterial Vật liệu biến hóa MPA Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối SRR Split - Ring Resonator Vòng cộng hưởng có rãnh TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: So sánh cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa ......... 7 Hình 1.2: Sơ đồ mô tả các tín hiệu phát (a) và tín hiệu thu (b) từ hai phía của môi trường ................................................................................ 8 Hình 1.3: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở vùng tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và truyền qua tương ứng............................................. 9 Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa có chiết suất âm ...................................................................... 10 Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình. Nhờ cách sắp xếp các lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau (hình a) một cách hợp lý xung quanh vật thể, ánh sáng có thể bị bẻ cong không phản xạ (hình b) vì vậy vật thể trở nên "tàng hình" ......................... 11 Hình 1.6: (a) Các thành phần cấu thành nên vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (từ trái sang phải): vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), thanh kim loại bị cắt (CW) và cấu trúc kết hợp MPA; (b) So sánh phổ hấp thụ trong trường hợp mô phỏng (đỏ), thực nghiệm (xanh lục) và tính toán (nét đứt) và độ hấp thụ thay đổi theo góc tới của sóng điện từ. ................................... 12 Hình 1.7: Một số ứng dụng nổi bật của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trong thực tế, từ trái sang phải: Cảm biến y sinh, vi nhiệt kế và ảnh nhiệt ................................................................... 15 Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn ............................... 17 Hình 2.2: Hình ảnh minh họa phần mềm thương mại CST .......................... 19 Hình 2.3: Quy trình và hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa tại IMS ............ 20 Hình 2.4: Các bước chế tạo vật liệu biến hóa ............................................... 21 Hình 2.5: Một số mẫu chế tạo bằng phương pháp quang khắc mạch in tiêu chuẩn với các cấu trúc hình dạng khác nhau.......................... 22 v
Hình 2.6: Hệ đo Vector Network Analyzer Rodge & Schawarz ZNB20 đặt tại Viện Khoa học vật liệu. Ký hiệu θ là góc tới của sóng điện từ đến bề mặt mẫu MPAs ...................................................... 23 Hình 3.1: (a) Sơ đồ thiết kế của ô cơ sở MPA được đề xuất. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ mô phỏng theo sự biến đổi của (b) tụ điện và (c) cuộn cảm được tích hợp tại các rãnh của cấu trúc MPA đề xuất ................................................................................................ 25 Hình 3.2: Phổ hấp thụ mô phỏng theo góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân cực (a) TE và (b) TM, trong trường hợp chỉ tích hợp tụ điện C = 200 pF........................................................... 26 Hình 3.3: Phổ hấp thụ mô phỏng theo góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân cực (a) TE và (b) TM, trong trường hợp chỉ tích hợp cuộn cảm L = 200 nH...................................................... 26 Hình 3.4: Mô phỏng sự phân bố 3 chiều cho năng lượng từ trường cảm ứng và năng lượng tổn hao tại tần số (a) - (b) 106,3 MHz và (c) - (d) 1,9 GHz .......................................................................................... 27 Hình 3.5: Thiết kế cấu trúc ô cơ sở (bên trái) và mẫu chế tạo (bên phải) của MPA tích hợp với hai loại tụ điện để đạt được hấp thụ đỉnh kép tại 106 MHz và 123 MHz ....................................................... 28 Hình 3.6: So sánh phổ mô phỏng và thực nghiệm trong các trường hợp góc tới TE: (a) 5o, (b) 15o, (c) 30o, (d) 45o và (e) 55o.................... 29 Hình 3.7: Mô hình điều khiển độ hấp thụ của BMPA đa lớp. D1 và D2 tương ứng là đường kính của đĩa tròn tại vị trí trên cùng và dưới cùng của hình nón cụt. t1 và L tương ứng là chiều dày của đế điện môi (FR-4) và chiều cao của mực nước tích hợp vào không gian giữa các ô cơ sở .......................................................... 31 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ cao (L) của môi trường nước được tích hợp vào trong cấu trúc BMPA ............................. 32 vi
Hình 3.9: Phân bố mật độ dòng điện cảm ứng tại tần số 4.7 GHz trong trường hợp L = 3 mm .................................................................... 33 Hình 3.10: Phân bố năng lượng (a) điện trường cảm ứng và (b) từ trường cảm ứng tại tần số 4.7 GHz trong trường hợp L = 3 mm.............. 34 Hình 3.11: Phổ hấp thụ mô phỏng với (a) sự thay đổi của góc tới và (b) góc phân cực của sóng điện từ trong trường hợp L = 1 mm ......... 35 vii
MỞ ĐẦU Những năm gần đây, cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong việc tìm kiếm và nghiên cứu vật liệu mới diễn ra rất sôi động trong nước cũng như trên toàn thế giới. Mục tiêu của cuộc cách mạng này hướng đến việc tìm ra các loại vật liệu mới với hiệu năng sử dụng cao, dễ dàng sản xuất thương mại với chi phí rẻ và có tính chất điện từ vượt trội hơn so với vật liệu truyền thống. Trong quá trình nghiên cứu, xuất phát từ các mô hình tính toán lý thuyết, các nhà khoa học đã tìm ra và kiểm chứng một loại vật liệu nhân tạo mới có tên là vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) mà tính chất điện từ của chúng được điều khiển bằng cách sắp xếp các cấu trúc cộng hưởng (giả nguyên tử) khác nhau [27]. Hiện nay đã có rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về MMs, điển hình như tại Việt Nam đang triển khai nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm đối với các MMs chiết suất âm, MMs trong suốt cảm ứng điện từ và MMs và dẫn truyền năng lượng không dây dựa trên MMs. Ngoài ra, một trong số các hướng nghiên cứu có tiềm năng lớn là vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers - MPAs). Vật liệu này được đề xuất và chế tạo lần đầu tiên vào năm 2008 bởi Landy và các cộng sự. Landy đã chỉ ra rằng, nếu đồng thời điều khiển được ɛeff = µeff và duy trì cộng hưởng điện (hoặc từ) mạnh thì MMs sẽ hấp thụ gần như tuyệt đối sóng điện từ trong một thể tích không gian siêu nhỏ (chiều dày có thể giảm xuống λ/30 so với bước sóng hấp thụ). Khám phá này đã vượt qua các giới hạn về kích thước vật liệu hấp thụ truyền thống (λ/4) nên đang được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển cho các ứng dụng quốc phòng an ninh, y sinh [36]. Bên cạnh đó, MPAs còn có rất nhiều ưu điểm như mỏng nhẹ, dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ dàng điều khiển tính chất điện từ dựa trên tác động ngoại vi cũng như dễ dàng tích hợp với các thiết bị điện tử như bộ lọc tần số [1], cảm biến y sinh [35]. 1
Với các tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng cao trong thực tế, vật liệu biến hóa đã thu hút được sự quan tâm không nhỏ của các nhà nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước. Thống kê cho thấy số lượng các bài báo và công trình nghiên cứu khoa học trong nước và quốc tế tăng lên nhanh chóng trong thời gian gần đây. Tại Việt Nam, các nhóm nghiên cứu về vật liệu biến hóa đã và đang dần tiếp cận các mô hình mới của MPAs ở dải tần số thấp cho định hướng ứng dụng trong thông tin liên lạc - viễn thông. Trong đó, tiên phong là nhóm nghiên cứu MMs tại Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (IMS - MetaGroup) của GS. TS. Vũ Đình Lãm đã phát triển cùng bề dày kinh nghiệm trong mô phỏng - chế tạo và đo đạc. Những năm gần đây, chính phủ các nước phát triển cũng đã ưu tiên sử dụng công nghệ cao vào các lĩnh vực giáo dục, nông nghiệp, y tế, … đặc biệt là công nghệ viễn thông. Nhận thấy tầm quan trọng và xu hướng phát triển của MMs, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 66/2014/QĐ-TTg và 13/2017/QĐ-TTg về việc phê duyệt và sửa đổi, bổ sung danh mục công nghệ cao được ưu tiên đầu tư phát triển và danh mục sản phẩm công nghệ cao được khuyến khích phát triển, trong đó có Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, quang điện tử, quang tử và siêu vật liệu biến hóa (Metamaterials). Trong đó, công nghệ giao tiếp trường gần hiện đang chiếm phần lớn thời gian và tâm huyết của các nhà nghiên cứu và phát triển ứng dụng nhằm tìm ra những giải pháp mới cho các thiết bị đa năng với kích thước nhỏ gọn mà vẫn duy trì được hiệu suất hoạt động ổn định trong phạm vi rộng. Do đó, vật liệu biến hóa hiện đang là giải pháp tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng tại vùng tần số thấp. Đã có rất nhiều các đề xuất hiệu quả nhằm thu nhỏ kích thước ô cơ sở của MPAs định hướng cho các ứng dụng trong vùng tần số Rada và vô tuyến như: công nghệ nhận dạng bằng tần số vô 2
tuyến (RFID) chụp ảnh và phân bố năng lượng 2-D, dẫn truyền năng lượng không dây đối với các thiết bị điện tử [3, 4, 21, 37, 38, 41]. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng thực tế tại vùng tần số thấp, việc thu nhỏ cấu trúc MPAs vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu do hoạt động của chúng được quyết định bởi các cộng hưởng nội tại (hình dạng của cấu trúc cộng hưởng). Trong khi đó, kết quả tính toán các mô hình cấu trúc cho thấy khó có thể duy trì được các đặc tính, tính chất mong muốn khi kích thước của ô cơ sở trở nên nhỏ hơn. Sự phụ thuộc của tần số hoạt động vào góc tới của sóng điện từ cũng là một trở ngại không nhỏ đối với mô hình vật liệu biến hóa trong khi thực tế đòi hỏi các thiết bị phải hoạt động ổn định với góc tới lớn của sóng điện từ (tối thiểu nằm trong khoảng từ 30o - 50o). Do đó, các nghiên cứu gần đây đã bước đầu tập trung phát triển nhằm giải quyết vấn đề này. Kết quả thu được từ những mô hình mới đã cho thấy lợi thế về kích thước nhỏ của MPAs (chiều dài λ/94 đến λ/816) và hoạt động ổn định của chúng với góc tới lớn (có thể tới 50o) tại vùng tần số vô tuyến (0.1 - 0.4 GHz) [9]. Hướng đến khả năng tương thích các thiết bị điện tử hiện đại (đồng hồ thông minh, máy nghe nhạc, điện thoại di động…), chúng tôi vẫn đang nghiên cứu cải tiến nhằm đạt được các mô hình hiệu quả hơn có thể đồng thời duy trì được kích thước siêu nhỏ của ô cơ sở và hoạt động ổn định trong phạm vi rộng của sóng điện từ tại vùng tần số cao hơn từ 0.7 - 6 GHz (bao gồm cả vùng LTE/ Bluetooth/ WiMAX). Với lý do trên, luận văn này tập trung giải quyết vấn đề sau: “Thiết kế và mô phỏng vật liệu Meta có kích thước siêu nhỏ hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX”. Kết quả thu được của luận văn hứa hẹn sẽ góp phần đáng kể trong việc tìm ra và hiện thực hóa các thiết bị điện tử mới và tiên tiến dựa trên vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số vô tuyến. 3
Luận văn sẽ được thực hiện dựa trên việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết, mô hình hóa và chế tạo cùng với các phép kiểm chứng bằng thực nghiệm. Mục tiêu nghiên cứu: - Làm rõ cơ chế hoạt động của các mô hình MPAs hoạt động trong vùng tần số thấp. - Tối ưu kích thước cấu trúc ô cơ sở siêu nhỏ của MPAs hoạt động trong vùng tần số thấp dựa trên sự tích hợp với linh kiện điện tử ngoại vi (tụ điện, cuộn cảm). - Đề xuất các mô hình điều khiển đặc trưng hấp thụ sóng điện từ của MPAs ở dải tần số thấp. Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan Trình bày khái niệm về vật liệu biến hóa, các đặc trưng cơ bản và ứng dụng của loại vật liệu này. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Tóm tắt các phương pháp nghiên cứu đối với vật liệu biến hóa bao gồm các phương pháp tính toán, mô phỏng, chế tạo và đo đạc. Chương 3: Kết quả và thảo luận Trình bày các kết quả nghiên cứu đối với một số mô hình MPAs điển hình, làm rõ cơ chế hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng như cơ chế điều khiển biên độ và tần số hấp thụ dựa trên các tác động (tích hợp vật liệu) ngoại vi. 4
Chương 1 TỔNG QUAN Để có cái nhìn tổng quan hơn về vật liệu biến hóa, trong chương này, tác giả sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về vật liệu biến hóa, nguyên tắc để tạo ra vật liệu biến hóa, lịch sử hình thành và một số hướng nghiên cứu chính về vật liệu biến hóa tần số thấp trong thời gian gần đây. Đặc biệt, mang lại cái nhìn khách quan về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ và mô hình tương tác trường gần nhằm mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu biến hóa. 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật trong thời gian gần đây, con người đã tạo ra những vật liệu nhân tạo mà trong đó, các nguyên tử được sắp xếp một cách có chủ ý nhằm điều khiển các tính chất điện, từ và quang học của vật liệu. Loại vật liệu nhân tạo này được đặt tên là “Metamaterials - MMs” hay “Vật liệu biến hóa”. Vật liệu biến hóa có thể có những tính chất tương tự như các loại vật liệu truyền thống hay xuất hiện những tính chất hoàn toàn mới chưa từng được quan sát trong tự nhiên. Chúng hứa hẹn sẽ là một nguồn vật liệu mới với những tính chất đặc biệt không tồn tại trong vật liệu tự nhiên. Từ đó, MMs đã làm thay đổi quan niệm trước đây cho rằng: các tính chất vật lý của vật liệu được quyết định bởi tính chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể trong vật liệu, những tính chất được mặc định và không thể thay đổi. Trong khi đó, MMs được hình thành từ các thành phần riêng biệt với những hình thái đặc trưng kết hợp với nhau để tạo nên các “giả nguyên tử” (meta-atom) quyết định tính chất chung của cả khối vật liệu. Các nguyên tử trong vật liệu biến hóa được đặt trên các ô cơ sở có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động. Trong một môi trường “đồng nhất” như vậy, sóng điện từ khi được chiếu đến vật liệu sẽ tương tác với từng thành phần vi mô cấu thành, tạo ra các mô men cảm ứng điện từ và từ đó 5
trực tiếp ảnh hưởng đến độ điện thẩm và độ từ thẩm ở cấp độ vĩ mô của MMs. Bằng việc sắp xếp vị trí và thay đổi độc lập các tham số của các thành phần cấu thành vật liệu, ta có thể tùy ý điều khiển tính chất điện từ của vật liệu biến hóa và tạo ra những hiện tượng thú vị chưa từng có trong tự nhiên như tính chiết suất âm [34], nghịch đảo định luật Snell [40], nghịch đảo hiệu ứng Dopler [2], vv. Sự tương quan giữa cấu trúc của vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa được thể hiện trong Hình 1.1. Theo đó, vật liệu biến hóa về cơ bản có cấu trúc tương tự như vật liệu truyền thống, tuy nhiên, các “nguyên tử” cấu thành nên vật liệu biến hóa (thường được mô hình hóa bằng mạch dao động riêng LC) có thể được điều biến, sắp xếp lại trật tự một cách có chủ đích để tạo ra những tính chất mới không có sẵn trong vật liệu truyền thống [27]. Về bản chất, vật liệu biến hóa không phải là vật liệu đồng nhất ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, kích thước của các thành phần tạo thành cũng như khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với vùng bước sóng hoạt động. Do đó, dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory - EMT), ta có thể coi vật liệu biến hóa như một khối đồng nhất với các thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng đặc trưng cho toàn khối [12]. Việc coi vật liệu biến hóa là các thành phần riêng lẻ hay một khối đồng nhất thực chất là hai mặt của cùng một vấn đề được liên kết với nhau bởi thuật toán truy hồi (retrieval algorithms). Trong nghiên cứu vật liệu biến hóa, ta giả thiết rằng tương tác của môi trường không đồng nhất với sóng điện từ có thể được mô tả chỉ bằng hai thông số dạng phức ε và μ. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích thước của các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng hoạt động, từ đó tương tác của sóng tới với môi trường được tính bằng trung bình của các thành phần tạo thành trong không gian. Khi sóng điện từ tương tác với vật liệu, ta chỉ xem xét ba thành phần: phản xạ (Reflection - R), hấp thụ (Absorption - A) và truyền qua (Transmission - T). Ở đây, chúng ta bỏ qua các thành phần nhiễu xạ và tán xạ. Như vậy, ta thấy tổng năng lượng của ba tín hiệu phản xạ, truyền qua và hấp thụ phải bằng tổng năng 6
lượng của tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R + T + A = 1 (100%). Từ đó, khi biết được hai trong ba giá trị này thì có thể tính toán được giá trị còn lại. Trong thực tế, việc xác định R và T rất dễ dàng thông qua các hệ số phản xạ S11 và truyền qua S21 bằng cách sử dụng các ăng ten ghi nhận tín hiệu đặt ở các vị trí thích hợp (với 𝑅 = |𝑆11 |2 và 𝑇 = |𝑆21 |2 ). Nhờ vậy, độ hấp thụ được tính toán theo công thức: 𝐴 =1−𝑅−𝑇 (1.1) Hình 1.1: So sánh cấu trúc giữa vật liệu truyền thống và vật liệu biến hóa Cùng với đó, các hệ số phản xạ S11 và truyền qua S21 là các hệ số biểu diễn mối liên hệ giữa các tín hiệu ghi nhận được với tín hiệu phát ra theo ma trận sau: 7
𝑏 𝑆 𝑆12 𝑎1 (1.2) ( 1 ) = ( 11 )( ) 𝑏2 𝑆21 𝑆22 𝑎2 Suy ra 𝑏1 = 𝑆11 𝑎1 + 𝑆12 𝑎2 , (1.3) 𝑏2 = 𝑆21 𝑎1 + 𝑆22 𝑎2 , Trong đó, a1 và a2 là các tín hiệu phát, b1 và b2 là tín hiệu thu. Chỉ số 1 và 2 trong công thức ứng với hai phía của môi trường, tương ứng như trong Hình 1.2. Hình 1.2: Sơ đồ mô tả các tín hiệu phát (a) và tín hiệu thu (b) từ hai phía của môi trường Thông thường, để khảo sát sự tương tác của sóng điện từ với vật liệu thì sóng điện từ chỉ được chiếu đến từ một phía (giả sử chỉ chiếu từ phía môi trường 1 nên a2 = 0), hệ phương trình (1.10) trở thành: 𝑏1 𝑏2 (1.4) 𝑆11 = ; 𝑆21 = 𝑎1 𝑎1 Như vậy, hệ số phản xạ và truyền qua là tỷ số giữa tín hiệu thu được trên toàn bộ tín hiệu phát ra lần lượt ở cùng phía và khác phía với nguồn phát. 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu biến hóa Nhà khoa học Victor Veselago là người đầu tiên đặt nền móng cho sự phát triển của vật liệu biến hóa vào năm 1968 [34]. Bằng các tính toán lý thuyết, ông đã chứng minh sự tồn tại một loại vật liệu có chiết suất âm vào năm 1968 dựa 8
trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (μ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số. Sau hơn 30 năm, vào năm 1996 Pendry đã đưa ra mô hình lưới dây kim loại để hạ thấp tần số plasma về vùng GHz [24]. Đến năm 1999, ông tiếp tục đưa ra mô hình vật liệu có độ từ thẩm âm nhân tạo đầu tiên dựa trên cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator - SRR) [25]. Chỉ một năm sau đó, vào năm 2000, Smith và nhóm nghiên cứu của ông đã lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm (n < 0) bằng cách kết hợp hai mô hình trên của Pendry, như quan sát trên Hình 1.3 [29]. Cũng vào năm 2000, Pendry đã chứng minh có thể sử dụng vật liệu biến hóa có chiết suất âm để tạo ra siêu thấu kính [23]. Hình 1.3: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở vùng tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và truyền qua tương ứng [29] 9
Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa có chiết suất âm Điểm khác biệt cơ bản giữa siêu thấu kính và thấu kính thông thường ở chỗ nó là thấu kính phẳng và nhờ vào chiết suất âm nên nó hoạt động giống như một thấu kính hội tụ. Đặc biệt, cũng nhờ vào tính chiết suất âm, siêu thấu kính có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành phần dập tắt (evanescent wave) của sóng tới (Hình 1.4). 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 có chiết suất âm đã được Zhang và các cộng sự chứng minh thành công bằng thực nghiệm [8]. Năm 2006, Pendry 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 có tần số hoạt động tại vùng GHz [26]. Trong nghiên cứu này, vật liệu biến hóa có thể thay đổi chiết suất bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc của ô cơ sở nên nó có thể uốn cong đường đi của sóng điện từ xung quanh một vật thể. Vì không có sự phản xạ sóng từ vật nên đối với người quan sát vật này là “tàng hình” (Hình 1.5). 10
Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của áo choàng tàng hình. Nhờ cách sắp xếp các lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác nhau (hình a) một cách hợp lý xung quanh vật thể, ánh sáng có thể bị bẻ cong không phản xạ (hình b) vì vậy vật thể trở nên "tàng hình" [26] Đặc biệt vào năm 2008, hiện tượng hấp thụ toàn bộ năng lượng sóng điện từ trong MMs đã được khám phá lần đầu tiên bởi Landy và cộng sự [14]. Đến nay, các công trình nghiên cứu về vật liệu biến hóa đang ngày càng tăng nhanh trên toàn dải phổ sóng điện từ (từ MHz tới THz) và mang lại nhiều ý nghĩa quan trọng [9, 18, 19, 31]. Nhờ vậy, tiến trình đưa vật liệu biến hóa vào các ứng dụng trong đời sống ngày càng trở nên rõ ràng và khả thi hơn. 1.3. Định nghĩa và phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới và không có thành phần phản xạ hoặc truyền qua. Do MPA được tạo ra dựa trên cấu trúc cộng hưởng điện - từ nên nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần số cộng hưởng, độ truyền qua và phản xạ gần như bằng không [14]. 11
Hình 1.6: (a) Các thành phần cấu thành nên vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (từ trái sang phải): vòng cộng hưởng có rãnh (SRR), thanh kim loại bị cắt (CW) và cấu trúc kết hợp MPA; (b) So sánh phổ hấp thụ trong trường hợp mô phỏng (đỏ), thực nghiệm (xanh lục) và tính toán (nét đứt) và độ hấp thụ thay đổi theo góc tới của sóng điện từ [14]. Như đã trình bày ở trên, MPA được đề xuất bởi Landy và cộng sự vào năm 2008 có cấu trúc ô cơ sở bao gồm một vòng cộng hưởng có rãnh ở mặt trước, một thanh kim loại (CW) ở mặt sau và được ngăn cách bởi lớp điện môi [Hình 1.6 (a)] [14]. Trên phổ hấp thụ của MPA này có xuất hiện một đỉnh hấp thụ đạt giá trị 96% ở tần số 11.48 GHz trong mô phỏng và 88% thu được từ thực nghiệm, như quan sát trên Hình 1.3-1(b). Mặc dù trong cấu trúc này, vật liệu có độ hấp thụ tốt nhưng đây là một cấu trúc khá phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi với sai số tham số cấu trúc dưới 1%. Do vậy, khi áp dụng cấu trúc của Landy cho vùng tần số cao hơn với kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu đòi hỏi độ chính xác cao càng trở nên khó khăn. Ngoài ra, với tỷ lệ chiều dày của mẫu so với bước sóng tại tần số hấp thụ là λ/30 thì vẫn là trở ngại lớn khi áp dụng mô hình này ở dải tần số MHz. 12