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

Biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đang thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về các hệ thống giám sát chất lượng không khí hiệu quả, đặc biệt là khí thải nông nghiệp và nồng độ CO2. Hiện tại, các giải pháp cảm biến CO2 gặp phải nhiều hạn chế về chi phí, kích thước và độ chính xác, cản trở ứng dụng rộng rãi, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển. Cảm biến NDIR, dù có độ chọn lọc và tin cậy cao, vẫn còn cồng kềnh và lãng phí năng lượng. Luận án này nghiên cứu vật liệu biến hóa (Metamaterials – MMs) như một giải pháp đột phá để khắc phục những hạn chế đó, hướng tới phát triển cảm biến khí CO2 tiên tiến, nhỏ gọn và hiệu suất cao.

Các nhà khoa học, kỹ sư, và nghiên cứu sinh trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến, quang học, công nghệ cảm biến hồng ngoại, cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực giám sát môi trường và nông nghiệp công nghệ cao.

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng vật liệu biến hóa (Metamaterials – MMs) nhằm nâng cao hiệu suất của cảm biến NDIR phát hiện khí CO2. Bối cảnh xuất phát từ những thách thức của biến đổi khí hậu và nhu cầu giám sát chính xác khí thải nông nghiệp, đòi hỏi các cảm biến CO2 không chỉ bền vững mà còn nhỏ gọn và hiệu quả về chi phí. Luận án giải quyết hạn chế của cảm biến NDIR truyền thống – vốn sử dụng nguồn phát băng rộng và bộ lọc quang gây lãng phí năng lượng và kích thước lớn – bằng cách tích hợp MMs.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc làm rõ cơ chế tương tác của MMs với bức xạ hồng ngoại, sau đó tiến hành mô phỏng và tính toán để thiết kế cấu trúc MMs có khả năng lọc lựa hồng ngoại tại bước sóng 4,26 µm đặc trưng cho sự hấp thụ của khí CO2. Các công cụ mô phỏng như CST Microwave Studio và COMSOL Multiphysics được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế. Mục tiêu cuối cùng là thử nghiệm chế tạo các lớp vật liệu MMs này để tích hợp vào cảm biến NDIR, thay thế bộ lọc quang học bằng metasurface có độ chọn lọc cao hoặc tạo ra nguồn phát vi nhiệt dải hẹp thông qua cơ chế hấp thụ hoàn toàn.
Giá trị ứng dụng của công trình là rất lớn, cung cấp giải pháp cho việc phát triển các cảm biến khí CO2 thế hệ mới với hiệu suất quang học được cải thiện, kích thước thu nhỏ và chi phí giảm đáng kể. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống IoT và nông nghiệp công nghệ cao, nơi mà việc giám sát nồng độ CO2 chính xác và liên tục là yếu tố then chốt để tối ưu hóa năng suất và quản lý môi trường.