Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo siêu vật liệu không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 54 (2) (2016) 258-265 DOI: 10.15625/0866-708X/54/2/6519 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SIÊU VẬT LIỆU KHƠNG PHỤ THUỘC VÀO PHÂN CỰC SĨNG ĐIỆN TỪ Nguyễn Thị Hiền1, 2, *, Vũ Đình Q1, Trịnh Thị Giang1, Nguyễn Thanh Tùng1, Vũ Đình Lãm1 Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, 18 Hồng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, Phường Tân Thịnh, Tp Thái Nguyên * Email: ncshien@gmail.com Đến Tòa soạn: 11/7/2015; Chấp nhận đăng: 28/11/2015 TĨM TẮT Gần đây, để thu vật liệu có độ từ thẩm âm vật liệu chiết suất âm nhà nghiên cứu thường sử dụng siêu vật liệu có cấu trúc dạng vịng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator - SRR) hay cặp kim loại (cut-wire-pair - CWP) kết hợp với lưới dây kim loại liên tục Tuy nhiên, hạn chế việc sử dụng cấu trúc phụ thuộc mạnh vào phân cực sóng điện từ chiếu đến Trong báo cáo này, sử dụng cấu trúc biến đổi CWP - cấu trúc cặp đĩa có tính đối xứng cao để hạn chế nhược điểm Ô sở cấu trúc gồm cặp đĩa kim loại cách lớp điện môi,tương tác với từ trường ngồi tạo độ từ thẩm âm (µ < 0) Bằng cách mở rộng bán kính đĩa đĩa chạm vào nhau, tính chiết suất âm thu (n < 0) Kết mở khả điều chỉnh tính chất vật liệu tác động ngoại vi thay kim loại vật liệu thích hợp Cấu trúc tối ưu tạo chiết suất âm không phụ thuộc vào phân cực sóng tới tìm kiếm gồm đĩa liên tiếp chạm vào dọc theo hai trục x(H) y(E) Kết bước quan trọng để tiến gần đến ứng dụng thực tế tượng chiết suất âm không phụ thuộc phân cực Các kết nghiên cứu sử dụng mơ phỏng, thực nghiệm tính tốn nghiên cứu trùng khớp với Từ khóa: siêu vật liệu chiết suất âm không phụ thuộc phân cực, cấu trúc cặp đĩa, lưới đĩa GIỚI THIỆU Trong tự nhiên, tính chất vật lí vật liệu thường định tính chất nguyên tử cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử [1] Ý tưởng tồn nguyên tử nhân tạo xếp mạng tinh thể nhân tạo, cho phép người tạo tính chất lạ khơng tồn tự nhiên, từ lâu thu hút quan tâm nhà khoa học Với phát triển khoa học cơng nghệ, “siêu ngun tử” có tính chất đặc biệt, tạo cách tổ chức có chủ ý nhiều nguyên tử Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu khơng phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ khác loại, đời từ đầu năm 80 kỷ trước [2] Tuy nhiên, thú vị đời vật liệu điện từ nhân tạo - siêu vật liệu (Metamaterials – MMs) MMs xây dựng dựa “giả nguyên tử”, mạch cộng hưởng điện từ nhỏ nhiều lần bước sóng mà tính chất đặc biệt MMs xuất Bằng cách thay đổi tính chất mạng tinh thể (quy luật xếp) “giả nguyên tử” cách đồng thời, nhà khoa học thu tính chất bất thường không tồn vật liệu tự nhiên Một tính chất tìm kiếm MMs khả tạo mơi trường có chiết suất âm Ý tưởng tồn vật liệu có chiết suất âm đề xuất vào năm 1968 Veselago [3], dựa kết hợp đồng thời vật liệu có độ từ thẩm âm độ điện thẩm âm dải tần số Tuy nhiên, sau 30 năm kể từ đề xuất Veselago, mơ hình vật liệu có chiết suất âm đưa John B Pendry vào năm 1999 [4] Mơ hình dựa cấu trúc vịng cộng hưởng hở (split-ring resonator) Sau năm 2000, D R Smith cộng [5] lần chứng minh thực nghiệm tồn vật liệu chiết suất âm Để khai thác khả ứng dụng tính chất đặt biệt vật liệu này, nhà khoa học giới ngày tập trung nghiên cứu cách mạnh mẽ Mục đích nhà khoa học sớm đưa siêu vật liệu vào ứng dụng thực tế thiết bị hoạt động vùng tần số sóng điện từ Tuy nhiên, trước đưa vật liệu vào ứng dụng rộng rãi, tồn đọng nhiều vấn đề cần giải cách thỏa đáng Như cách để chế tạo cách đơn giản, dễ dàng có tính đối xứng cao, giảm tiêu hao, điều khiển tính chất vật liệu tác động ngoại vi (quang, nhiệt, điện, từ…) hay mở rộng vùng tần số hoạt động vật liệu Trong số việc tìm kiếm cấu trúc đẳng hướng không phụ thuộc vào phân cực chủ đề thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu [6,7] Trong báo này, chúng tơi sử dụng cấu trúc cặp đĩa có tính đối xứng cao để tạo vật liệu từ có độ từ thẩm âm khơng phụ thuộc vào phân cực Sau đó, cách mở rộng bán kính đĩa đĩa liên tiếp chạm vào nhau, tính chiết suất âm thu Kết đưa gợi ý điều chỉnh tính chất vật liệu tác động ngoại vi Cấu trúc tối ưu để tạo vùng chiết suất âm khơng phụ thuộc vào phân cực sóng tới tìm kiếm nghiên cứu gồm đĩa liên tiếp chạm vào dọc theo hai trục x(H) y(E) (với số mạng ax = ay) Kết bước quan trọng để tiến gần đến ứng dụng thực tượng chiết suất âm không phụ thuộc phân cực THIẾT KẾ, THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG Như biết, có hai cấu trúc quen thuộc sử dụng để tạo độ từ thẩm âm, cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh (split-ring resonator – SRR) cấu trúc cặp kim loại ( cut - wire pair – CWP) Tuy nhiên, cấu trúc CWP có số ưu điểm rõ rệt so với cấu trúc SRR truyền thống Hình dạng cấu trúc CWP đơn giản nhiều so với SRR, đặc biệt với cách phân cực cho phép sóng điện từ chiếu vng góc với mặt phẳng mẫu từ trường cần vng góc với mặt bên cặp kim loại nên tạo độ từ thẩm âm với lớp cấu trúc Dựa cấu trúc CWP, với biến đổi nhỏ, cấu trúc cặp đĩa (dish pair – DP) thiết kế Hình 1(a) Mục đích cải tiến cấu trúc DP sử dụng tính đối xứng hình trịn để tạo đẳng hướng (khơng phụ thuộc vào phân cực) sóng điện từ chiếu đến Đặc biệt hơn, báo cáo này, sử dụng ưu điểm tính đối xứng cấu trúc DP, kết hợp với dây liên tục tạo đơn giản cách mở rộng bán kính hình trịn hình trịn liên tiếp chạm vào nhau, để tạo cấu trúc lưới đĩa (dish - net – DN) có chiết suất âm Ơ sở cấu trúc lưới đĩa Hình 1(c) Ngồi ra, Hình 259 Nguyễn Thị Hiền, Vũ Đình Q, Trịnh Thị Giang, Nguyễn Thanh Tùng, Vũ Đình Lãm 1(a) 1(c) cịn rõ phân cực sóng điện từ chiếu đến mẫu nhằm thu hiệu ứng mong muốn ban đầu Các mẫu có cấu trúc DP DN chế tạo sử dụng mạch in (printed circuit board) với lớp đồng (có chiều dày tm = 0,036 mm) phủ hai mặt, lớp điện mơi có chiều dày td = 0,4 mm, số điện môi 4,1 Hằng số mạng theo trục x(H), y(E) bán kính hình trịn ax = 11 mm, ay = mm, R = mm Hình 1(b) 2(b) mẫu DP DN chế tạo Các thông số lựa chọn nhằm phù hợp với phép đo phổ truyền qua với dải tần đo từ 12 – 17 GHz Phép đo thực hệ network analyzer đặt khơng khí Trong nghiên cứu này, phần mềm mô thương mại CST Microwave Studio sử dụng để thiết kế mô hình hóa tính chất vật liệu Nhờ đó, ta thu thông tin thông số tán xạ (truyền qua, phản xạ pha chúng) đặc trưng dòng lượng Cuối cùng, thông số tán xạ thu kết hợp với phương pháp tính tốn Chen [8] cho ta biết giá trị tham số điện từ hiệu dụng ε, µ n (a) (b) (c) (d) Hình a) Ơ sở cấu trúc cặp đĩa (DP) phân cực sóng điện từ, b) Mẫu chế tạo có cấu trúc cặp đĩa, c) Ơ sở cấu trúc lưới đĩa (DN) phân cực sóng điện từ, d) Mẫu chế tạo có cấu trúc lưới đĩa Các tham số cấu trúc ax = 11 mm, ay = mm, td = 0,4 mm, tm = 0,036 mm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kết nghiên cứu cấu trúc cặp đĩa (dish pair - DP) 260 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ Các kết nghiên cứu trước với cấu trúc SRR CWP cho thấy chúng tương tác với sóng điện từ xảy hai cộng hưởng khác nhau: cộng hưởng từ cộng hưởng điện Cộng hưởng điện tạo độ điện thẩm âm (ε < 0), cộng hưởng từ tạo độ từ thẩm âm (µ < 0) Do DP cấu trúc biến đổi CWP nên hoàn toàn có khả thu vùng có độ từ thẩm âm điện thẩm âm tương tác với sóng điện từ Tuy nhiên, việc tạo vùng có độ từ thẩm âm cịn nhiều hạn chế khó khăn so với việc tạo vùng có độ điện thẩm âm nên quan tâm nghiên cứu nhiều Cũng lí nên báo này, tập trung sâu nghiên cứu vùng có độ từ thẩm âm cấu trúc DP dải tần số mô phỏng, chế tạo đo đạc (12 GHz – 18 GHz) nhằm mục đích tiến tới việc tạo vật liệu chiết suất âm khơng phụ thuộc vào phân cực Trên Hình 2(a) kết mô thực nghiệm phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa tương tác với sóng điện từ Dễ dàng nhận thấy rằng, kết mô trùng khớp với kết thực nghiệm có đỉnh khơng truyền qua tần số 14,2 GHz Để khẳng định vùng không truyền qua cộng hưởng từ cho độ từ thẩm âm, nối tắt hai đầu cặp đĩa (connected dish pair – CDP) để loại bỏ tụ điện (C) Kết cho thấy vùng không truyền qua cộng hưởng cấu trúc DP thay đường truyền qua cấu trúc nối tắt (Hình 2(a)) Theo kết nghiên cứu trước [9], khẳng định vùng không truyền qua DP cộng hưởng từ Mặt khác, kết tính tốn độ từ thẩm thơng qua giá trị mơ cấu trúc DP CDP đưa Hình 2(b) khẳng định thêm cộng hưởng từ cho độ từ thẩm âm vị trí cộng hưởng (a) (b) Hình a) Phổ truyền qua thực nghiệm, mô cấu trúc DP cấu trúc DP bị nối tắt b) Phần thực độ từ thẩm cấu trúc DP DP bị nối tắt tính tốn từ số liệu mơ Vùng độ từ thẩm âm MMs thường miêu tả mơ hình mạch LC Sự tương tác cộng hưởng LC với từ trường gây cộng hưởng từ Theo tài liệu nghiên cứu [10 - 12], cách biến đổi tính tốn tương tự, tần số cộng hưởng từ cấu trúc DP biểu diễn công thức: (1.1) f 2π L C π c εμ Công thức (1.1) cho thấy, tần số cộng hưởng từ phụ thuộc vào tham số cấu trúc chiều dày lớp điện môi td kim loại tm, số điện môi ε, đặc biệt phụ thuộc mạnh vào bán kính R đĩa c1là tỉ số diện tích có điện tích phân bố diện tích tồn đĩa Các kết khảo sát dựa mơ tính tốn (dựa theo công thức 1.1) phụ thuộc tần số vào bán kính R đưa Hình 3(b) Các kết mơ trùng khớp với 261 Nguyễn Thị Hiền, Vũ Đình Q, Trịnh Thị Giang, Nguyễn Thanh Tùng, Vũ Đình Lãm kết tính tốn cho thấy tần số cộng hưởng từ giảm bán kính R tăng Kết gợi ý rằng, cách điều khiển tham số cấu trúc, đặc biệt bán kính R ta thu vùng có độ từ thẩm âm mong muốn Ngoài ra, kết nghiên cứu phổ truyền qua cấu trúc DP phụ thuộc vào R Hình 3(a) cịn cho thấy bán kính R tăng từ mm đến 4,05 mm, vị trí R = 4,05 mm đường truyền qua có dáng điệu khác hẳn so với đường lại Cụ thể xuất vùng truyền qua quanh tần số 15,3 GHz Điều chúng tơi giải thích rõ ràng nghiên cứu trình bày mục 3.2 a) b) Hình Sự phụ thuộc a) phổ truyền qua b) tần số cộng hưởng từ qua mơ tính tốn vào bán kính R đĩa cấu trúc cặp đĩa ax = 11 mm, ay = mm (hình nhỏ nằm hình 3(b) mơ hình mạch điện LC cấu trúc DP) 3.2 Các kết nghiên cứu cấu trúc lưới đĩa (dish - net - DN) Để tìm hiểu nguyên nhân khác biệt đường truyền qua vị trí R = 4,05 mm nói trên, trước tiên tìm hiểu thay đổi mặt cấu trúc vị trí R Dễ dàng nhận thấy rằng, R = 4,05 mm hai hình trịn liên tiếp chạm vào theo phương E điện trường Từ phần tử từ DP tạo độ từ thẩm âm (hình 1(a) R thay đổi từ mm đến 3,7 mm) chuyển thành cấu trúc lưới đĩa DN (Hình 2(a) R = 4,05 mm) Các hình trịn chạm vào cấu trúc DN tạo dây kim loại liên tục dọc theo trục y(E) cho vùng có độ điện thẩm âm tần số plasma tương tác với thành phần điện trường E sóng điện từ chiếu tới Vùng độ điện thẩm âm kết hợp với vùng độ từ thẩm âm thành phần từ DP cung cấp, kết thu vùng chiết suất âm Các kết tính tốn tham số hiệu dụng: độ điện thẩm, từ thẩm chiết suất cấu trúc DN đưa Hình 4(b) Hình 4(b) cho thấy, kết tính tốn hồn tồn phù hợp với nhận định trên, tồn vùng quanh tần số 15,3 GHz đồng thời có độ từ thẩm âm điện thẩm âm nên chiết suất thu âm với độ tổn hao thấp [12] Điều giải thích cho việc quan sát thấy vùng truyền qua có đỉnh 15,3 GHz phổ truyền qua cấu trúc DN (R = 4,05 mm) nói Kết mơ thực nghiệm cấu trúc DN đưa Hình 4(a) cho thấy, số liệu thực nghiệm trùng khớp với mơ phỏng, có chút sai khác vị trí đỉnh truyền qua giải thích sai số trình chế tạo, đo đạc 262 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu khơng phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ a) b) Hình a) Phổ truyền qua thực nghiệm mô b) Phần thực độ điện thẩm, độ từ thẩm chiết suất tính tốn qua số liệu mơ cấu trúc DN có ax = 11 mm, ay = mm, R = 4,05 mm Một điều thú vị nhận thấy qua kết nghiên cứu ảnh hưởng bán kính R cấu trúc DP giá trị R nhỏ thu vùng có độ từ thẩm âm, R lớn đến mức hai đĩa liên tiếp chạm vào vùng chiết suất âm tạo Điều cho ta gợi ý rằng, ta thay đồng vật dẫn có hệ số dãn nở phụ thuộc mạnh vào tác động ngoại vi (như nhiệt, điện, quang ), tác dụng ngoại vi sử dụng để chuyển đổi hai trạng thái – từ thẩm âm chiết suất âm cấu trúc, ta điều khiển tính chất vật liệu tác động ngoại vi a) b) Hình a) Ô sở cấu trúc DN ax = ay góc quay phân cực b) Phổ truyền qua mô cấu trúc DN ax = ay = mm phụ thuộc vào góc phân cực Tuy nhiên, cấu trúc DN mà vừa khảo sát chưa tối ưu để đạt chiết suất âm với góc phân cực sóng điện từ Hằng số mạng theo trục ax ay khác nên dễ dàng nhận thấy đối xứng thõa mãn với thành phần từ (các đĩa tròn), thành phần điện (các dây liên tục hình trịn tiếp xúc tạo ra) chưa thỏa mãn Với mục đích tạo cấu trúc không phụ thuộc vào phân cực, hai thành phần phải đối xứng với thành phần sóng điện từ Điều thực đơn giản cho số mạng ax = ay Hình 5(a) sở cấu trúc DN có ax = ay Các kết nghiên cứu phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ phổ truyền qua phần thực chiết suất với mẫu DN có ax = ay = mm đưa Hình 5(b) Kết cho thấy rằng, tính chất chiết suất âm đạt quanh vùng 15 GHz phổ truyền qua cấu trúc DN khơng thay đổi góc phân cực 263 Nguyễn Thị Hiền, Vũ Đình Q, Trịnh Thị Giang, Nguyễn Thanh Tùng, Vũ Đình Lãm thay đổi từ 00 đến 450 Do tính chất đối xứng nên kết giữ nguyên với góc phân cực thay đổi hướng thành phần E H sóng điện từ chiếu tới KẾT LUẬN Trong báo cáo này, sử dụng cấu trúc biến đổi CWP – cấu trúc cặp đĩa có tính đối xứng cao để tạo cộng hưởng từ cho độ từ thẩm âm mà không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ chiếu đến Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng từ vào bán kính đĩa mơ tính tốn cho kết trùng khớp với Kết tần số cộng hưởng từ giảm bán kính tăng giải thích mơ hình mạch điện LC Bằng cách mở rộng bán kính đĩa đĩa liên tiếp chạm vào nhau, tính chiết suất âm thu Điều đưa gợi ý điều khiển tính chất siêu vật liệu tác động ngoại vi Cấu trúc tối ưu cho vùng chiết suất âm không phụ thuộc vào phân cực sóng tới tìm kiếm gồm đĩa liên tiếp chạm vào dọc theo hai trục x y Kết bước quan trọng để tiến gần đến ứng dụng thực tượng chiết suất âm không phụ thuộc phân cực Lời cảm ơn Cơng trình thực với hỗ trợ đề tài Khoa học Công nghệ Bộ giáo dục đào tạo B2015-TN05-01 đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam mã số 103.022013.54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ashcroft N W., Mermin N D - Solid State Physics, (Saunders College, Philadelphia, 1976), There No Corresp Rec This Ref (1981) 673 Khanna S N., Jena P - Assembling crystals from clusters, Phys Rev Lett 69 (1992) 1664 Veselago V G - The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and µ, Sov Phys Usp 10 (1968) 509 Pendry J., Holden A., Robbins D., and Stewart W - Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 47 (1999) 2075 Smith D., Padilla W., Vier D., Nemat-Nesser S and Chultz S - Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity, Phys Rev Lett 84 (2000) 4184 Chen C C., IshikawaA., TangY H., ShiaoM H., Tsai D P and Tanaka T - Uniaxialisotropic Metamaterials by Three-Dimensional Split-Ring Resonators, Adv Opt Mat (2015) 138 Viet D T., Hieu N V., Lam V D and Tung N T - Isotropic metamaterial absorber using cut-wire-pair structures, Appl Phys Express (2015) 032001 Chen X., Grzegorczyk T M., Wu B I., Pacheco J., and Kong J A - Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials, Phys Rev E 70 (2004) 016608 Tung N T., Lievens P., Lee Y P and Lam V D - Computational studies of a cut-wire pair and combined metamaterials, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (2011) 033001 10 Zhou J., Economon E N., Koschny T., and Soukoulis C M - Unifying approach to lefthanded material design, Opt Lett 31 (2006) 3620 11 Hien N T., Le L N., Trang P T., Tung B S., Viet D T., Lee Y P., Lam V D., Tung N 264 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ T - Characterizations of a thermo-tunable broadband fishnet metamaterial at THz frequencies, Com Mat Sci.103 (2015) 189 12 Tung B S., Tung N T., Lam V D - Thermally tunable magnetic metamaterials at THz frequencies, J Opt 15 (2013) 075101 13 Tung N T, Peter L., Lee Y P., Lam V D - Computational studies of a cut-wire pair and combined metamaterials, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (2011) 033001 ABSTRACT STUDY, DESIGN AND FABRICATION OF POLARIZATION-INDEPENDENT METAMATERIALS Nguyen Thi Hien1, 2, *, Vu Đinh Qui1, Trinh Thi Giang1, Nguyen Thanh Tung1, Vu Đinh Lam1 Institute of Materials Science, VAST, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi Thai Nguyen University of Sciences, Tan Thinh Ward, Thai Nguyen city * Email: ncshien@gmail.com Conventionally, to obtain the negative permeability and negative refraction metamaterials, the split-ring resonator (SRR) and cut-wire-pair (CWP) were applied However, the properties of these structuresare strongly dependent on the polarization of electromagnetic waves In this report, we used a high symmetry structure –the so-called dish pair structurewhich based on the CWP structure, with the aim of removing this drawback Each unit cell consists of two identical dishes, symmetrically arranged in a dielectric spacer, providing the negative permeability when interacting with the electromagnetic wave By expanding the radius of the dish until two adjacent dish close each other, the negative refractive index can be obtained This is important effect to have a tunable MMs by interacting with the external field The results of studies using the simulation, experimental and calculation quite coincide The obtained structuredoes not depend on the polarization of the incident wave This result is very important for practical applications using the isotropic negative refraction metamaterials Keywords: isotropic negative refraction metamaterial, dish pair, dish net 265 .. .Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu khơng phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ khác loại, đời từ đầu năm 80 kỷ trước [2] Tuy nhiên, thú vị đời vật liệu điện từ nhân tạo - siêu vật liệu. .. - DP) 260 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo siêu vật liệu không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ Các kết nghiên cứu trước với cấu trúc SRR CWP cho thấy chúng tương tác với sóng điện từ xảy hai... cao để tạo cộng hưởng từ cho độ từ thẩm âm mà không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ chiếu đến Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng từ vào bán kính đĩa mơ tính tốn cho kết trùng khớp với Kết tần