Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.

Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác trường gần lên tính chất truyền qua của vật liệu biến hóa.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu hướng dẫn TS Bùi Sơn Tùng TS Bùi Xn Khuyến Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực có sai sót tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm HỌC VIÊN NGUYỄN BÁ TƯỞNG LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Bùi Sơn Tùng TS Bùi Xuân Khuyến Các thầy dành thời gian, tâm huyết, ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô cán Học viện Khoa học Công nghệ giảng dạy, trang bị kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy cơ, anh, chị nhóm nghiên cứu Metagroup – IMS GS TS Vũ Đình Lãm đặc biệt TS Nguyễn Thị Hiền Th.S Nguyễn Vân Ngọc hết lòng giúp đỡ, chia sẻ động viên tinh thần suốt thời gian làm luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân, anh chị em đồng nghiệp giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn HỌC VIÊN NGUYỄN BÁ TƯỞNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa 1.1.1 Cấu trúc cộng hưởng điện vật liệu biến hóa 11 1.1.2 1.2 Cấu trúc cộng hưởng từ vật liệu biến hóa 11 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa có chiết suất âm 13 1.2.1 Vật liệu có độ điện thẩm âm 16 1.2.2 Vật liệu có độ từ thẩm âm 18 1.2.3 Vật liệu có chiết suất âm 20 1.3 Tương tác trường gần vật liệu biến hóa 22 1.4 Hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ vật liệu biến hóa 24 1.5 Ứng dụng vật liệu biến hóa 28 1.5.1 Siêu thấu kính dựa chiết suất âm 28 1.5.2 1.5.3 Ứng dụng EIT-MM cảm biến 29 Truyền dẫn lượng không dây 31 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 Phương pháp mô 33 2.2 Phương pháp tính tốn 35 2.3 Phương pháp thực nghiệm 36 2.3.1 2.3.2 Phương pháp chế tạo 36 Phương pháp đo đạc 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 3.1 Ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu biến hóa có chiết suất âm 41 3.2 Ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua EIT-MM hoạt động vùng tần số GHz (12 – 16 GHz) 47 3.3 Ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua EIT-MM hoạt động vùng tần số THz (4 – THz) 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 KẾT LUẬN 59 KIẾN NGHỊ 60 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Chữ viết Tiếng Việt tắt/ Ký hiệu Negative-refractive index NRI Chiết suất âm Negative-refractive index NRI-MM Vật liệu biến hóa có chiết suất metamaterial âm Asymmetric split-ring ASR Vòng cộng hưởng bất đối xứng Centimetre-Gram-Second CGS Hệ đơn vị dựa centimet, System gam giây Cut-wire CW Dây bị cắt Electric field Điện trường E Electromagnetically-induced EIT Truyền qua cảm ứng điện từ Transparency Electromagnetically-induced EIT-MM Vật liệu biến hóa có hiệu ứng Transparency Metamaterial truyền qua cảm ứng điện từ Electromagnetic EM Điện từ Frequency Domain Solver (F) F Giải thuật theo miền tần số Finite Integration Technique FIT Kỹ thuật tích phân hữu hạn Magnetic field Từ trường H Wave vector Véc-tơ sóng k Left-handed Metamaterial LHM Vật liệu biến hóa có chiết suất âm kép Metamaterial MM Vật liệu biến hóa Printed Circuit Board PCB Bảng mạch in Split-ring Resonator SRR Vịng cộng hưởng có rãnh Transient Solver (T) T Giải thuật theo miền thời gian Wireless Power Transfer WPT Truyền lượng không dây Refractive index Chiết suất 𝒏 Permittivity Độ điện thẩm 𝜺 Permeability Độ từ thẩm 𝝁 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1.So sánh cấu trúc nguyên tử vật liệu thông thường vật liệu biến hóa: (a) Vật liệu truyền thống cấu tạo từ nguyên tử (b) vật liệu biến hóa hình thành từ cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi “nguyên tử nhân tạo” [11] 10 Hình 1.2 (a) Cấu trúc dây bị cắt (CW) phân bố dòng điện tần số cộng hưởng (b) Cấu trúc căp dây bị cắt (CWP) phân bố dòng điện tần số cộng hưởng 11 Hình 1.3 Nguyên lý tạo cộng hưởng từ SRR 12 Hình 1.4 Sự biến đổi từ cấu trúc SRR thành cấu trúc CWP [44] 13 Hình 1.5 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ 15 Hình 1.6 (a) Cấu trúc lưới dây kim loại mỏng xếp tuần hoàn (b) độ điện thẩm hiệu dụng lưới dây bạc theo tần số với r=5µm, a=40mm độ dẫn bạc σ=6,3×107 S/m [2,14] 17 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc vịng cộng hưởng có rãnh cấu trúc SRR dãy tuần hoàn [3] 18 Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động SRR để tạo µ < [3] 19 Hình 1.9 Dạng tổng qt độ từ thẩm hiệu dụng cho mơ hình SRR với giả thiết vật liệu khơng có tổn hao [3] 20 Hình 1.10 Giản đồ giải thích phần thực âm chiết suất Các mũi tên cho thấy vị trí độ điện thẩm ε độ từ thẩm μ mặt phẳng phức 21 Hình 1.11 (a) Hiệu ứng lai hóa [15] (b) moment hình xuyến [16] sinh tương tác trường gần cấu trúc cộng hưởng vật liệu biến hóa 24 Hình 1.12 (a) Giản đồ lượng môi trường EIT; (b) Phổ hấp thụ môi trường EIT; (c) Chiết suất môi trường EIT với tán sắc mạnh tần số ứng với cực tiểu độ hấp thụ [18] 25 Hình 1.13 (a) Cấu trúc vật liệu MM; (b) Phần thực phần ảo đầu dò điện trường Ex đặt khoảng cách 10 nm cách đầu CW dọc (mũi tên màu đỏ) [22] 27 Hình 1.14 Nguyên tắc hoạt động siêu thấu kính dựa vật liệu biến hóa có chiết suất âm [32] 28 Hình 1.15 (a) Cấu trúc sở cảm biến dựa hiệu ứng EIT, (b) Các tham số cấu trúc (c) Phổ truyền qua cảm biến [33] 30 Hình 1.16 (a), (b) Phổ truyền qua hai cộng hưởng EIT chiết suất khác (c) Sự thay đổi tần số hai cộng hưởng EIT chiết suất khác chất phân tích [33] 31 Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động truyền lượng không dây dựa vật liệu biến hố: (a) khơng sử dụng vật liệu biến hố (b) có sử dụng vật liệu biến hoá 32 Hình 2.1 Phầm mềm mô CST 33 Hình 2.2 Sự phân bố điện – từ trường dòng điện cảm ứng bề mặt vật liệu biến hóa tần số cộng hưởng quan sát CST 34 Hình 2.3 Hệ thiết bị quang khắc dùng chế tạo vật liệu biến hóa vùng tần số GHz Viện Khoa học vật liệu 37 Hình 2.4 Quy trình chế tạo mẫu sử dụng phương pháp quang khắc 38 Hình 2.5 Hệ thiết bị Vector Network Analyzer Rohde & Schwarz ZNB20 Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 38 Hình 2.6 Minh họa sơ đồ bố trí hệ đo phổ truyền qua vùng tần số từ – 18 GHz 39 Hình 2.7 Minh họa phổ truyền qua thực nghiệm (đường màu đỏ) so sánh với phổ truyền qua mô (đường màu đen) mẫu vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần số GHz [44] 40 Hình 3.1 (a) Ơ sở trúc lưới đĩa hai lớp (b) Minh họa ô sở NRI-MM phủ mực in dẫn điện có thành phần graphene 41 Hình 3.2 (a) Phổ truyền qua mô phỏng, (b) phần thực chiết suất (c) phần thực độ từ thẩm độ điện thẩm cấu trúc khơng có lớp mực in dẫn điện có lớp mực in dẫn điện (với điện trở lớp mực in dẫn điện thay đổi từ 0,1 Ω/sq đến Ω/sq) 43 Hình 3.3 Phân bố dịng điện hai đỉnh lai hóa (a) 14,57 GHz (b) 15,04 GHz cấu trúc khơng có mực in dẫn điện 45 Hình 3.4 Phân bố dịng điện hai đỉnh lai hóa cấu trúc có lớp mực in dẫn điện với điện trở lớp mực in tương ứng (a) R = 0,1 Ω/sq (b) R = Ω/sq 46 Hình 3.5 Hình minh họa ô đơn vị EIT-MM 47 Hình 3.6 Hình ảnh mẫu EIT-MM chế tạo 49 Hình 3.7 Ảnh hưởng khoảng cách d ASR đến (a) độ truyền qua (b) pha truyền sóng EIT-MM 50 Hình 3.8 Mơ thực nghiệm (a) phổ truyền qua (b) pha truyền sóng EIT-MM với d = 0,5 mm 51 Hình 3.9 Phân bố dòng điện bề mặt EIT-MM với:(a) d = 3,5 mm 13,82 GHz (đáy không truyền qua); (b) d = 0,5 mm 13,73 GHz (đỉnh truyền qua đầu tiên); (c) d = 0,5 mm 14,69 GHz (đỉnh truyền qua thứ hai); (d) d = 0,5 mm 13,36 GHz (đáy không truyền qua thứ nhất); (e) d = 0,5 mm 14,03 GHz (đáy không truyền qua thứ hai) (f) d = 0,5 mm 15,09 GHz (đáy không truyền qua thứ ba) 52 Hình 3.10 Phổ mơ thực nghiệm (a) độ trễ (b) chiết suất nhóm EIT-MM với d = 0,5 mm 54 Hình 3.11 Thiết kế sở EIT-MM đề xuất hoạt động vùng tần số THz 55 Hình 3.12 Phổ truyền qua EIT-MM khơng có dịch chuyển vịng (s = 0), MM có cấu trúc vịng MM có cấu trúc CWs 56 Hình 3.13 Phổ truyền qua EIT-MM với khoảng cách s khác 57 Hình 3.14 Độ trễ EIT-MM với dịch chuyển s khác vòng tròn cộng hưởng 58 MỞ ĐẦU Như biết, vật chất cấu thành từ nguyên tử phân tử Các ngun tử có vai trị định tính chất vật lý vật chất, bao gồm đặc tính điện từ Từ lịch sử hình thành tới nay, người nghiên cứu vật liệu khác để sử dụng nhiều ứng dụng kiến trúc, giao thông vận tải, y học, điện tử, quang học khám phá vũ trụ Tuy nhiên, ngày vật liệu sẵn có tự nhiên khơng cịn khả đáp ứng phát triển nhanh chóng ứng dụng khoa học cơng nghệ Do đó, xuất vật liệu biến hóa (Metamaterials – MMs) giải pháp khả thi cho vấn đề đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật hành Về mặt vật lý, MMs cấu thành từ “ngun tử nhân tạo” có kích thước nhỏ nhiều lần bước sóng hoạt động Các “nguyên tử nhân tạo” thực chất cấu trúc cộng hưởng tạo thành từ vật liệu điện mơi kim loại, xếp tuần hồn (hoặc khơng tuần hồn) tùy theo mục đích, nhằm tạo hiệu ứng điện từ mong muốn Với tính chất đặc biệt khả ứng dụng to lớn, MMs ngày quan tâm nhiều lĩnh vực ứng dụng khác như: cảm biến, liên lạc qua vệ tinh (Satcom) viễn thông, hàng không quốc phòng, quang học thiết bị y tế Vì kích thước MMs nhỏ bước sóng hoạt động nhiều lần nên lý thuyết môi trường hiệu dụng sử dụng để xem xét mối tương quan điện từ chúng với mơi trường Do đó, đặc tính MMs thể qua độ điện thẩm độ từ thẩm hiệu dụng Đáng ý, hai thơng số MMs hồn tồn điều chỉnh linh hoạt cách thay đổi tham số cấu trúc ô sở Nhờ vậy, tính chất khác lạ đảo ngược định luật Snell, chiết suất âm, hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ hay nghịch đảo hiệu ứng Doppler đạt cách dễ dàng nhằm phục vụ cho ứng dụng thực tế Trong số đặc tính trội MMs, vật liệu biến hóa có chiết suất âm vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học ngồi nước Trong đó, ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu vùng tần số từ GHz đến THz ưu tiên mà nhà nghiên cứu triển khai phương diện lý thuyết thực nghiệm Vì vậy, luận văn hướng đến mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu biến hóa có chiết suất âm vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ Cụ thể, luận văn cần đạt kết quả: - Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần cấu trúc cộng hưởng vật liệu biến hóa có chiết suất âm - Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần cấu trúc cộng hưởng vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ Nội dung luận văn bao gồm phần: Chương TỔNG QUAN Trình bày lý thuyết vật liệu biến hóa nói chung với tính chất chiết suất âm hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ vật liệu biến hóa Kết hợp với vài ứng dụng vật liệu biến hóa có chiết suất âm hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ vật liệu biến hóa Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Giới thiệu phương pháp nghiên cứu sử dụng luận văn bao gồm phương pháp tính tốn, mơ thực nghiệm Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trình bày kết đạt trình nghiên cứu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đưa kết luận kiến nghị hướng nghiên cứu tương lai 52 Hình 3.9 Phân bố dòng điện bề mặt EIT-MM với:(a) d = 3,5 mm 13,82 GHz (đáy không truyền qua); (b) d = 0,5 mm 13,73 GHz (đỉnh truyền qua đầu tiên); (c) d = 0,5 mm 14,69 GHz (đỉnh truyền qua thứ hai); (d) d = 0,5 mm 13,36 GHz (đáy không truyền qua thứ nhất); (e) d = 0,5 mm 14,03 GHz (đáy không truyền qua thứ hai) (f) d = 0,5 mm 15,09 GHz (đáy không truyền qua thứ ba) Trong vùng EIT, dòng điện bề mặt cảm ứng ASR CW Đối với đỉnh truyền qua (13,73 GHz), dòng bề mặt ASR hoạt động giống lưỡng cực truyền thống Mặt khác, lưỡng cực bên trái bên phải CW đối song, giống với dòng điện CW Các dòng điện ngược thể chất chế độ tối CW Đối với đỉnh truyền qua thứ hai (14,69 GHz), trường CW dường chiếm ưu so với trường ASR Điều thú vị hướng dòng CW bị đảo ngược so với hướng cho đỉnh thể tương tác sáng – sáng Đối với đáy không truyền qua (13,36 GHz), trường chủ yếu kích thích ASR tần số nằm vùng tương tác sáng – sáng ASR Đối với đáy không truyền qua thứ hai (14,03 GHz), ASR CW có đóng góp vào dịng bề mặt cảm ứng EIT-MM Kết cho thấy tần số chịu ảnh hưởng tương tác sáng – sáng sáng – tối Tương tự, đáy không truyền qua thứ ba (15,09 GHz), dòng điện bề mặt tạo ASR CW Tuy 53 nhiên, hướng dòng CWs bị đảo ngược so với đáy không truyền qua thứ hai, điều khẳng định ảnh hưởng chế độ tối tần số Hiện tượng tán sắc mạnh thường xảy vật liệu lân cận đỉnh truyền qua hiệu ứng EIT Trong trình thay đổi pha độ truyền qua giảm, chiết suất vật liệu thay đổi nhanh chóng, dẫn đến vận tốc nhóm giảm mạnh sóng lan truyền bên vật liệu Do đó, sóng bị nén theo khơng gian bên thời gian truyền qua bị trễ so với thời gian truyền khơng khí Khả làm chậm sóng hữu ích thú vị thành phần thiết bị liên quan đến điều biến tín hiệu Do đó, luận văn nghiên cứu tiềm EIT-MM đề xuất nhằm ứng dụng làm chậm sóng điện từ cách đánh giá hai đại lượng điển hình độ trễ chiết suất nhóm (group index) Độ trễ vật liệu định nghĩa [51]: 𝜏𝑔 = − 𝑑𝜑(𝜔) 𝑑(𝜔) , (3.1) 𝜑 pha truyền sóng Bên cạnh đó, chiết suất nhóm đại lượng đặc trưng liên quan trực tiếp đến vận tốc truyền sóng, tính theo cơng thức [51]: 𝑛𝑔 = 𝑐 𝑣𝑔 𝑐 𝑐 𝑑𝜑(𝜔) 𝑡 𝑡 𝑑(𝜔) = × 𝜏𝑔 = − × (3.2) với 𝑐 vận tốc truyền sóng khơng gian tự do, 𝑣𝑔 𝜏𝑔 vận tốc nhóm độ trễ EIT-MM, t độ dày EIT-MM Hình 3.10 trình bày kết mơ thực nghiệm độ trễ chiết suất nhóm EIT-MM với 𝑑 = 0,5 mm Kết mô thực nghiệm tương đồng Độ trễ tối đa xấp xỉ 1,1 ns 0,7 ns chiết suất nhóm tương ứng đạt mức tối đa 750 500 cho vùng truyền qua thứ thứ hai Những kết thu thể EIT-MM phát 54 triển có tiềm ứng dụng cho linh kiện thiết bị điện tử khai thác hiệu ứng làm chậm sóng Hình 3.10 Phổ mô thực nghiệm (a) độ trễ (b) chiết suất nhóm EIT-MM với d = 0,5 mm 3.3 Ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua EIT-MM hoạt động vùng tần số THz (4 – THz) Hình 3.11 mơ tả thiết kế ô sở EIT-MM đề xuất phân cực sóng điện từ sóng tới EIT-MM dãy sở tuần hồn theo hướng x y bao gồm hai lớp: lớp điện mơi polyimide liên tục phía sau lớp cấu trúc kim loại bạc phía trước Độ dẫn điện bạc 6,3 × 107 S/m, số điện môi polyimide 3,5 hệ số tổn hao 0,0027 Chiều dày lớp polyimide 𝑡𝑑 = 0,2 µm Lớp bạc phía trước có độ dày 𝑡𝑚 = 0,1 µm, bao gồm cấu trúc vịng cộng hưởng hình trịn tâm bốn dây bị cắt (CW) xung quanh Bán kính ngồi vịng 𝑟1 = 𝑟2 = 12 µm Chiều dài rộng CW thẳng đứng 𝑙1 = 20 µm 𝑤1 = µm CW nằm ngang 𝑙2 = 24 µm 𝑤2 = µm Khoảng cách CW thẳng vịng trịn 𝑑1 = µm; CW ngang vịng 𝑑2 = µm Để tạo EIT đa dải tần, vị trí vịng thay đổi với độ dịch chuyển theo phương ngang 𝑠 55 Hình 3.11 Thiết kế sở EIT-MM đề xuất hoạt động vùng tần số THz Mô thực cách sử dụng phần mềm CST Điều kiện biên ô sở áp dụng để lặp lại sở tuần hồn theo hướng x y Sóng điện từ tới lan truyền theo phương pháp tuyến với mặt phẳng EIT-MM có điện trường (E) từ trường (H) phân cực theo hướng y x tương ứng Hình 3.12 trình bày phổ truyền qua EIT-MM khơng có dịch chuyển vịng (𝑠 = 0), MM có cấu trúc vịng MM có cấu trúc CWs Có thể thấy rằng, với cấu trúc có vịng trịn CW riêng lẻ, MM tạo vùng truyền qua nằm hai vùng cộng hưởng Tuy nhiên, hai cấu trúc kết hợp để tạo cấu trúc EIT, MM thể vùng EIT băng tần kép với đỉnh truyền qua 90% 91% tương ứng 4,8 THz 7,7 THz Xung quanh đỉnh truyền qua, phổ truyền qua tán sắc mạnh Đây đặc tính điển hình hiệu ứng EIT 56 Hình 3.12 Phổ truyền qua EIT-MM khơng có dịch chuyển vịng (s = 0), MM có cấu trúc vịng MM có cấu trúc CWs Để tăng số lượng vùng EIT, tính đối xứng EIT-MM bị phá vỡ cách dịch chuyển vịng trịn cộng hưởng phía thể Hình 3.11 Phổ truyền qua EIT-MM với dịch chuyển khác vòng tròn thể Hình 3.13 Khi bất đối xứng EIT-MM tạo ra, cộng hưởng hình thành tương tác trường gần cấu trúc vòng tròn với CW dẫn đến xuất vùng truyền qua Khi độ dịch chuyển 𝑠 vịng trịn lớn tương tác trường gần mạnh khiến cho vùng truyền qua trở nên rõ ràng Cuối cùng, 𝑠 = µm, EIT-MM đa dải tần tạo với năm đỉnh truyền qua 90%, 80%, 65%, 74% 85% 4,5 THz; 5,1 THz; 7,0 THz; 7,5 THz 7,7 THz 57 Hình 3.13 Phổ truyền qua EIT-MM với khoảng cách s khác Hình 3.14 minh họa độ trễ EIT-MM đa dải tần cấu trúc đối xứng (𝑠 = 0) bất đối xứng (𝑠 = 4) Đối với EIT-MM đối xứng, hiệu ứng EIT xuất với tán sắc mạnh xung quanh hai đỉnh truyền qua dẫn đến tăng cường độ trễ đỉnh Độ trễ đạt đến giá trị 1,2 ps 1,1 ps tương ứng 4,8 THz 7,7 THz Đối với 𝑠 = µm, EIT-MM đa dải tần tán sắc mạnh, điều làm cho độ trễ lớn năm vị trí khác Độ trễ 1,04 ps, 0,96 ps, 1,31 ps, 1,75 ps 1,49 ps tương ứng 4,5 THz, 5,1 THz, 7,0 THz, 7,5 THz 7,7 THz Các kết thu cho thấy EIT-MM đa dải tần phát triển có tiềm ứng dụng cho thành phần điều khiển sóng THz thiết bị làm chậm sóng vùng THz 58 Hình 3.14 Độ trễ EIT-MM với dịch chuyển s khác vòng tròn cộng hưởng 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu biến hóa (metamaterials)” thực Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam KẾT LUẬN Các kết luận văn tóm lược sau: Đã đề xuất nghiên cứu điều khiển tính chất truyền qua NRI-MM dựa tương tác trường gần cách tích hợp lớp mực in dẫn điện có thành phần graphene lên lớp cấu trúc cộng hưởng dạng lưới đĩa Khi điện trở lớp mực in dẫn điện tăng dần từ 0,1 Ω/sq đến Ω/sq, cường độ cộng hưởng từ lớp bị suy giảm Hệ hiệu ứng lai hóa tương tác trường gần bị suy yếu, khiến cho dải tần số truyền qua hẹp dần độ truyền qua thấp Đã chế tạo EIT-MM vùng tần số GHz khảo sát ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu Khi cấu trúc EIT-MM bất đối xứng, tương tác trường gần sáng-sáng sáng-tối kích hoạt, tạo hiệu ứng EIT băng tần kép với đỉnh truyền qua 13,7 14,7 GHz Độ trễ tối đa xấp xỉ 1,1 ns 0,7 ns chiết suất nhóm tương ứng đạt mức tối đa 750 500 Đã đề xuất cấu trúc EIT-MM vùng tần số THz nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất vật liệu Ở trạng thái cấu trúc đối xứng, EIT-MM tạo hiệu ứng EIT băng tần kép với đỉnh truyền qua 90% 91% tương ứng 4,8 7,7 THz Khi cấu trúc bất đối xứng, hiệu ứng EIT đa dải tần sinh với năm đỉnh truyền qua 90%, 80%, 65%, 74% 85% 4,5 THz; 5,1 THz; 7,0 THz; 7,5 THz 7,7 THz Độ trể THz EITMM 1,04 ps, 0,96 ps, 1,31 ps, 1,75 ps 1,49 ps 60 KIẾN NGHỊ Các nghiên cứu ảnh hưởng tương tác trường gần lên tính chất truyền qua vật liệu biến hóa đem lại hiểu biết cách biến đổi điều khiển tính chất vật liệu, qua thấy rõ lợi triển vọng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác vật liệu biến hóa so với vật liệu truyền thống Đồng thời, kết luận văn tảng cho nghiên cứu để ứng dụng, tích hợp vật liệu biến hóa thiết bị linh kiện điện tử thông minh hệ Bên cạnh đó, kết nghiên cứu luận văn tảng định hướng việc tiếp tục nghiên cứu, chế tạo khai thác tính chất truyền qua vật liệu biến hóa, định hướng cho nhiều ứng dụng vùng tần số cao vùng THz, hồng ngoại quang học 61 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ I Bài báo Quốc tế thuộc danh mục SCIE: Man Hoai Nam, Vu Thi Hong Hanh, Nguyen Ba Tuong, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Liang Yao Chen and Young Pak Lee, “Multi-band electromagnetically-induced-transparency metamaterial based on the near-field coupling of asymmetric split-ring and cut-wire resonators in the GHz regime”, Crystals 11, 164 (2021) II Bài báo Quốc gia: Nguyen Thi Hien, Nguyen Thi Anh Hong, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Nguyen Xuan Ca, Nguyen Van Ngoc, Nguyen Ba Tuong and Vu Dinh Lam, “Multiband metamaterial absorber base on high-order magnetic resonance in a ring structure”, Communications in Physics 31(2), 199-210 (2021) III Bài báo kỷ yếu Hội nghị Quốc tế: Nguyen Ba Tuong, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Thi Mai, Tran Van Huynh, Nguyen Thanh Tung, and Vu Dinh Lam, “Multi-band electromagnetically-induced transparency metamaterial based on the near-field coupling of ring and cut-wire resonators in the THz frequencies”, The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2021), November 4-6, 2021 – Hanoi, Vietnam, 231-235 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Veselago V.G., 1968, The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ϵ and μ, Physics-Uspekhi, 10(4), 509-514 Pendry J.B., Holden A.J., Stewart W.J., and Youngs I., 1996, Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures, Physical review letters, 76(25), 4773 Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., and Stewart W.J., 1999, Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, IEEE transactions on microwave theory and techniques, 47(11), 2075-2084 Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., and Schultz S., 2000, Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity, Physical review letters, 84(18), 4184 Ziolkowski R.W., 2003, Pulsed and CW Gaussian beam interactions with double negative metamaterial slabs, Optics Express, 11(7), 662-681 Chen J., Wang Y., Jia B., Geng T., Li X., Feng L., and Zhuang S., 2011, Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies, Nature Photonics, 5(4), 239-242 Cui T.J., Li L., Liu S., Ma Q., Zhang L., Wan X., and Cheng Q., 2020, Information metamaterial systems, Iscience, 23(8), 101403 Yu P., Besteiro L.V., Huang Y., Wu J., Fu L., Tan H.H., and Wang Z., 2019, Broadband metamaterial absorbers, Advanced Optical Materials, 7(3), 1800995 Hassan M.M., Sium F.S., Islam F., and Choudhury S.M., 2021, A review on plasmonic and metamaterial based biosensing platforms for virus detection, Sensing and Bio-Sensing Research, 33, 100429 10 Prakash D., and Gupta N., 2022, Applications of metamaterial sensors: a review, International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 14(1), 19-33 11 Đỗ Thành Việt, 2015, Nghiên cứu chế tạo tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng viba vật liệu meta (metamaterials), Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 12 Kafesaki M., Tsiapa I., Katsarakis N., Koschny T., Soukoulis C.M., and Economou E.N., 2007, Left-handed metamaterials: The fishnet structure and its variations, Physical Review B, 75(23), 235114 13 Ramakrishna S.A., and Grzegorczyk T.M., 2008, Physics and Applications of Negative refractive index Materials, CRC Press, Boca Raton 63 14 Cai W., and Shalaev V., 2010, Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications, Springer, New York 15 Nguyen T.H., Bui S.T., Nguyen X.C, Vu D.L and Bui X.K., 2020, Tunable broadband-negative-permeability metamaterials by hybridization at THz frequencies, RSC Advances, 10, 28343 16 Mallick S., Chourasia N., Singh R., and Chowdhury D.R., 2022, Demonstration of toroidal metasurfaces through near-field coupling of brightmode resonators, Applied Physics Express, 15, 012005 17 Zhang C., Xue T., Zhang J., Li Z., Liu L., Xie J., Yao J., Wang G., Ye X., and Zhu W., 2022, Terahertz meta-biosensor based on high-Q electrical resonance enhanced by the interference of toroidal dipole, Biosensors and Bioelectronics, 214, 114493 18 Garrido Alzar C.L., Martinez M.A.G., and Nussenzveig P., 2002, Classical analog of electromagnetically induced transparency, American Journal of Physics, 70(1), 37-41 19 Vafapour Z., and Alaei H., 2017, Achieving a high Q-factor and tunable slow-light via classical electromagnetically induced transparency (Cl-EIT) in metamaterials, Plasmonics, 12(2), 479-488 20 Zheng S., Ma M., Lv Y., Fu T., Peng L., and Zhao Q., 2022, Dual-band electromagnetically induced transparent metamaterial with slow light effect and energy storage, Journal of Physics D: Applied Physics 21 Papasimakis N., Fedotov V.A., Zheludev N.I., and Prosvirnin S.L., 2008, Metamaterial analog of electromagnetically induced transparency, Physical Review Letters, 101(25), 253903 22 Zhang S., Genov D.A., Wang Y., Liu M., and Zhang X., 2008, Plasmoninduced transparency in metamaterials, Physical review letters, 101(4), 047401 23 Rufangura P., and Sabah C., 2018, Perfect metamaterial absorber for applications in sustainable and high-efficiency solar cells, Journal of Nanophotonics, 12(2), 026002 24 Watts C.M., Liu X., and Padilla W.J., 2012, Metamaterial electromagnetic wave absorbers, Advanced materials, 24(23), 98-120 25 Prakash, D., and Gupta N., 2022, Applications of metamaterial sensors: a review, International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 14(1) 1933 64 26 Cong L., Tan S., Yahiaoui R., Yan F., Zhang W., and Singh R., 2015, Experimental demonstration of ultrasensitive sensing with terahertz metamaterial absorbers: A comparison with the metasurfaces, Applied Physics Letters, 106(3), 031107 27 Zhang Y., Lin P., and Lin Y.S., 2021, Tunable split-disk metamaterial absorber for sensing application, Nanomaterials, 11(3), 598 28 Sun K., Fan R., Zhang X., Zhang Z., Shi Z., Wang N., and Guo Z., 2018, An overview of metamaterials and their achievements in wireless power transfer, Journal of Materials Chemistry C, 6(12), 2925-2943 29 Rong C., Lu C., Zeng Y., Tao X., Liu X., Liu R., and Liu M., 2021, A critical review of metamaterial in wireless power transfer system, IET Power Electronics, 14(9), 1541-1559 30 Lee W., and Yoon Y.K., 2020, Wireless power transfer systems using metamaterials: A review, IEEE Access, 8, 147930-147947 31 Shan D., Wang H., Cao K., and Zhang J, 2022, Wireless power transfer system with enhanced efficiency by using frequency reconfigurable metamaterial, Scientific Reports, 12, 331 32 Pendry J.B., 2000, Negative refraction makes a perfect lens, Physical review letters, 85(18), 3966 33 Zhu L., Li H., Dong L., Zhou W., Rong M., Zhang X., and Guo J., 2021, Dual-band electromagnetically induced transparency (EIT) terahertz metamaterial sensor, Optical Materials Express, 11(7), 2109-2121 34 Zhou Y., Liu C., and Huang Y., 2020, Wireless power transfer for implanted medical application: A review, Energies, 13(11), 2837 35 Zhang Z., Zhang B., Deng B., Wei X., and Wang J., 2018, Opportunities and challenges of metamaterial-based wireless power transfer for electric vehicles, Wireless Power Transfer, 5(1), 9-19 36 Bakır M., Karaaslan M., Karadağ F., Ünal E., Akgöl O., Alkurt F.Ö., and Sabah C., 2018, Metamaterial-based energy harvesting for GSM and satellite communication frequency bands, Optical Engineering, 57(8), 087110 37 Pham T.S., Ranaweera A.K., Lam V.D., and Lee J.W., 2016, Experiments on localized wireless power transmission using a magneto-inductive wave twodimensional metamaterial cavity, Applied Physics Express, 9(4), 044101 38 Wang B., Teo K.H., Nishino T., Yerazunis W., Barnwell J., and Zhang J., 2011, Experiments on wireless power transfer with metamaterials, Applied Physics Letters, 98(25), 254101 65 39 Wang B., Teo K.H., Nishino T., Yerazunis W., Barnwell J., and Zhang J., 2011, Wireless power transfer with metamaterials, Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 3905-3908 40 https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss/ 41 https://www.comsol.com/ 42 https://www.cst.com/ 43 Weiland T., 1977, A discretization model for the solution of Maxwell's equations for six-component fields, Archiv Elektronik und Uebertragungstechnik, 31, 116-120 44 Nicolson A.M., and Ross G.F., 1970, Measurement of the intrinsic properties of materials by time-domain techniques, IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 19(4), 377-382 45 Chen X., Grzegorczyk T.M., Wu B.I., Pacheco Jr J., and Kong J.A., 2004, Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials, Physical review E, 70(1), 016608 46 Tung B.S., Khuyen B.X., Linh P.T., Tung N.T., Manh D.H., and Lam V.D., 2020, Polarization-insensitive electromagnetically-induced transparency in planar metamaterial based on coupling of ring and zigzag spiral resonators, Modern Physics Letters B, 34(10), 2050093 47 Tung N.T., Tung B.S., Janssens E., Lievens P., and Lam V.D., 2014, Broadband negative permeability using hybridized metamaterials: Characterization, multiple hybridization, and terahertz response, Journal of Applied Physics, 116(8), 083104 48 Tung N.T., Viet D.T., Tung B.S., Hieu N.V., Lievens P., Lam V.D., 2012, Broadband negative permeability by hybridized cut-wire pair metamaterials, App Phys Express, 5(11), 112001 49 Nguyen H.T., Bui T.S., Yan S., Vandenbosch G.A., Lievens P., Vu L.D., and Janssens E., 2016, Broadband negative refractive index obtained by plasmonic hybridization in metamaterials, Applied Physics Letters, 109(22), 221902 50 Nguyen T.H., Le D.H., Bui S.T., Bui X.K., Nguyen X.C., and Vu D.L., 2020, Plasmonic hybridization in symmetric metamaterial for broadband negative refractive index: simulation, experiment and characterization, Journal of Physics D: Applied Physics, 53(17), 175501 51 Tung B.S., Khuyen B.X., Kim Y.J., Hwang J.S., Lam V.D., Chen L.Y., and Lee Y., 2021, Manipulation of the near-field coupling in metamaterial for multiband absorber, Waves in Random and Complex Media, 31(6), 2290-2300 66 52 Tung B.S., Khuyen B.X., Kim Y.J., Lam V.D., Kim K.W., and Lee Y., 2017, Polarization-independent, wide-incident-angle and dual-band perfect absorption based on near-field coupling in a symmetric metamaterial, Scientific reports, 7(1), 1-7 53 Liu N., Langguth L., Weiss T., Kästel J., Fleischhauer M., Pfau T., and Giessen H., 2009, Plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency at the Drude damping limit, Nature materials, 8(9), 758-762 54 Lu H., Liu X., and Mao D., 2012, Plasmonic analog of electromagnetically induced transparency in multi-nanoresonator-coupled waveguide systems, Physical Review A, 85(5), 053803