Lịchsửhìnhthành vàpháttriểncủavật liệuhấpthụsóngvi ba
Vậtliệuhấpthụsóngviba(MAM)vàvậtliệuhấpthụsóngrada(RAM)đãđượcnghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong các lĩnh vực thương mại, kỹ thuật phòng tối vàkỹ thuật làm giảm tín hiệu phản xạ từ vật thể quanh các trạm radar quan sát Gần đây,những ứng dụng ngày càng phổ biến của các công nghệ sử dụng sóng vi ba đang thúcđẩy sự phát triển của các loại vật liệu hấp thụ.
Trong phần này, chúng tôi đưa ra tổngquanngắngọnvềlịchsửpháttriểncủaMAM/RAMlàmcơsởchoviệcnghiêncứu,tìmhiểucáclo ại vậtliệu vàcấutrúchấpthụ đượcgiớithiệu trongcácphầntiếptheo.
Vào những năm 1930, vật liệu hấp thụ sóng vi ba, đặc biệt là vật liệu hấp thụtrong dải tần số sóng radar (8-12 GHz) đã bắt đầu được nghiên cứu, phát triển và côngbố trong một số các công trình khoa học [98, 135] Các tấm hấp thụ được thiết kế dựatrênsựkếthợpchặtchẽgiữavậtliệuvớicáccơchếtổnhaokhácnhaunhằmtốiưuhóasự hấp thụ trên một dải tần rộng Do đó, chúng có thể có hình dạng và cấu trúc khácnhautrảirộngtừcáccấutrúckimtựthápdàyđếncáclớpphủmỏngdạngđơnlớpvàđalớp.Côngtrì nhnghiên cứuđầutiênvềcáclớp hấpthụgồmhaithànhphầnthancarbon(carbon black - C), và TiO 2 , đã được đăng ký sáng chế ở Pháp năm 1936 [109]. Hiệntượnghấpthụđượcquansáttrongloạivậtliệunàylàloạicộnghưởngmộtphầntưbướcsóng,sửdụn gthanCarbonđểtăngđộdẫn(thànhphầntổnhaođiệntrở)vàTiO2đểtănghằngsốđiện môi(thànhphầntổnhaođiệnmôi)nhằmgiảmđộdàylớphấpthụ.
Trong Chiến tranh thế giới lần thứ 2, tại Đức, vật liệu “Wesh” dạng compositecủa bột hỗn hợp carbonyl Fe và cao su tổng hợp đã được chế tạo thành công, cho khảnăng hấp thụ mạnh tại tần số cộng hưởng 3 GHz trên lớp hấp thụ có độ dày 7,6 mm.CấutrúchấpthụđalớpJaumanncũngđượcthiếtkếthànhcông,độtổnhaophảnxạthuđượckho ảng-20dBtrongdảitầnsốrấtrộngtừ2-15GHz[133].Tuynhiên,cácloạivậtliệu này có thời gian sống khá ngắn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và dođó gây cản trở lớn trong việc triển khai ứng dụng trong thực tế Cũng trong thời giannày, Halpern (phòng thí nghiệm bức xạ MIT, Mỹ) đã nghiên cứu và phát triển vật liệu”HARP”dùngchosơnHalpern(HARP-
HalpernAntiRadiationPaint)dựatrênvậtliệuthan carbon và hệ hạt kim loại Fe có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong dải tầnsố sóng rada (X -band) vớiRLđạt khoảng -15 dB đến -20 dB [53, 54] Ngoài ra, cấutrúchấpthụdạngmàn chắncộnghưởngSalisburycũngđượcpháttriển[132].Cấutrúcban đầu được làm bằng vải phủ than chì, dán trên khung gỗ được hỗ trợ sản xuất bởicông ty cao su Hoa Kỳ (US Rubber), kéo theo sự ra đời của cấu trúc hấp thụ dạng kimtự tháp dài, là cấu trúc có đỉnh định hướng theo phương truyền sóng tới và bên trongđượcphủbởicáclớpSalisbury[114].Saunày,cấutrúchấpthụSalisburyđượccảitiến gồm một lớp hấp thụ điện môi hay một lớp polymer dẫn đặt trước bề mặt kim loại ởkhoảng cách phần tư bước sóng Cho đến khi tầm quan trọng của vật liệu ferrites đượcbiếtđến,ngoạitrừcáclớphấpthụJaumannvàcấutrúckimtựthápđảo,hầuhếtcácvậtliệuvàcấ utrúchấpthụđềuthuộcloạivậtliệuhấpthụsóngđiện từ dảihẹp.
Sau chiến tranh (1945-1950), các công trình nghiên cứu về MAM/RAM đượcthựchiệnchủyếutheohướngtìmkiếmcácvậtliệuhoặccấutrúchấpthụdảirộngnhằmmục đích ứng dụng trong kỹ thuật buồng tối Trong giai đoạn này, các vật liệu hấp thụ(chủyếulàcarbon,thanchì,oxitsắt,bộtsắt,bộtnhôm,đồng)trộnvớicácchấtkếtdính(thường là một số loại nhựa hoặc gốm, chất tạo độ xốp như xà phòng, chất xơ, vỏ bào)và việc suy giảm sóng điện từ băng thông rộng được tạo ra bằng cách sắp xếp các tấmvậtliệutheocáccấutrúchấpthụdạngkimtựtháphaydạngnónthiếtkếsẵn[54].
Nhữngnăm1950chứngkiếnsựpháttriểnvượtbậccủaMAM/ RAMbằngviệcsảnxuấtthươngmạiMAMsdựatrênvậtliệucarbon,cótêngọilà“Spondex”,bởic ôngtySpongeProductsCompany,EmersonandCumingvàtậpđoàncôngnghiệp
McMillan.Hệsốtổnhaophảnxạđạtxuốngđến-20dBtrongdảitầnsố2,4- 10GHzcholớphấpthụcóđộdày5,1cm.Cũngtrongthậpkỷnày,SeverinvàMeyerđãb ắtđầunghiên cứu về các thiết bị mạch tương tự (analog circuit devices) sử dụng các lý thuyếtmạch môtảcácthànhphầnhaycácquátrình xảyratrongcácchấthấpthụ[101],từđódẫn đến việc chế tạo ra các
MAM dựa trên các vòng nạp trở kháng, lá kim loại có rãnh,cáclưỡngcựcnạptrởkháng,cácdảivậtliệuđiệntrởhayvậtliệutừtínhvớicácđịnhhướng khácnhau,cấutrúcdạngmặtvàtừtínhcủacácvậtliệucộnghưởng.Điềunàymởras ựbắt đầuchom ộ t lĩnhv ực mớ i trong nghiên c ứu cácb ề m ặ t l ọc l ựa tầnsố(FrequencyS electiveSurfaces-FSS),trêncơsởcácvậtliệumeta(Metamaterial)[107].
Tronghaithậpkỷtiếptheo(1960-1970),cácloạivậtliệuhấpthụứngdụngtrongcác thiết bị mạch tương tự tiếp tục được nghiên cứu và phát triển Đặc biệt, độ dày củacác lớp hấp thụ giảm đi đáng kể khi sử dụng các lớp đệm ferrite [120, 140] Trong giaiđoạnnày,cáclớphấpthụJaumanncũngđượcchếtạothànhcôngsửdụngcôngnghệinlướitừsơn hấpthụchứacarbondạnghạthaydạngsợi,hoặcchứac á c hạtnanokimloạihay hợp kim Ni-Cr Cần lưu ý thêm rằng, dù chưa có thựcnghiệmnhưng đã có mộtphátm i n h l ý thuyết môtảhiệntượnghấpthụsóngđiệntừbằngplasma[44].
Vào những năm 1980, kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng trong các quá trình chếtạo cũng như thiết kế các vật liệu và cấu trúc hấp thụ Việc cải thiện khả năng hấp thụdải rộng của các lớp hấp thụ Jaumann được dự đoán có thể đạt được nếu sử dụng cáctấm trở kháng có độ nghiêng khác nhau và được sắp xếp phân tầng [44] Lý thuyết đườngtruyềnđượcsửdụngđểtínhtoánhệsốphảnxạtừcáctínhchấtcủavậtliệu,vàápdụngcả cho các mặt lọc lựa tần số được xem như các mạch tương đương [81].Những vậtliệu đượcsửdụngchocácMAM/RAM tronggiai đoạn nàycũng kháđadạng baogồm cả các vật liệu quen thuộc như than carbon, graphite, carbonyl – Fe, ferrite và các loạivậtliệumớinhưcácchấtđiệnmôinhântạo,vậtliệuchiralhaycácvậtliệupolymerdẫn,đượcđánh giálàvậtliệuhấpthụsóngvi batiềmnăngsaunày.
Từ những năm 1990 cho đến nay, MAM/RAM ngày càng thu hút được nhiều sựquan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Đã có nhiều các công nghệ tối ưu hóa cấutrúcJaumann,trongđócótốiưuhóabằngthuậttoánditruyền(geneticalgorithm).Mạchanalogvàbềmặtl ọclựatầnsốtiếptụclàlĩnhvựcđượcquantâmlớnnhất.Polymerdẫnvàvậtliệucompositeđượcsửd ụ n g rộngrãivớisợivàvảisợiphủpolymerdẫnhấpthụsóng điện từ Một loại vật liệu mới trong lĩnh vực polymer dẫn là RAM linh động cũngđược quan tâm nghiên cứu, trong đó tần số cộng hưởng của vật liệu hấp thụ điều chỉnhđượcthôngqua cácgiátrịđiệntrởvàđiện dungcủa vậtliệuhấpthụ[103].
Nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang đầu tư nghiên cứu chế tạo vật liệu hấpthụ sóng điện từ, tuy nhiên các công trình công bố còn rất hạn chế Trong những nămgần đây, xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với những diễn biến về an ninhquốc phòng của nước ta cho thấy việc nghiên cứu, phát triển các MAM/RAM là cầnthiếtvàcầnđẩynhanhquátrìnhđưacácvậtliệunàyvàoứngdụngthựctế.Vậtliệuhấpthụsóngđiệ ntừđượcbắtđầunghiêncứutừcuốinhữngnăm1990trêncácpolymedẫnđiệndocáccánbộViệnHó ahọc,ViệnHànlâmKhoahọcvàCôngnghệViệtNamthựchiện.NhómnghiêncứucủaGS.NguyễnĐứ cNghĩacũngđãchếtạothànhcôngvậtliệuhấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu polyanilin, polypyrol, gia cường cacbon black,CNT, oxit sắt từ; chếtạo cấutrúc hấp thụ khác nhau như dạng chóp nón, dạng đa lớp,vậtliệugradien thửnghiệmtạihiệntrườngthựctếtạiHọcviệnHảiquân(NhaTrang),đạtkếtquảrấ ttốt[5].TS.HoàngAnhSơnvàcộngsựđãchếtạovànghiêncứutínhchấtchắn sóng điện từ của vật liệu tổ hợp polymer và MWCNT (Multiwalled carbonnanotube) định hướng trong chế tạo lớp phủ chắn sóng điện từ Nhóm nghiên cứu củaGS.TS Nguyễn Việt Bắc, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự cũng đã thành côngtrongmộtsốnghiêncứukhảnănghấpthụsóngvibachốngnhiễuđiệntừcủamộtsốhệvậtliệunh ưcáclớpphủvậtliệucompositeferittetừtínhnềncaosu(2003),cáclớpphủpolyferocen và spinel ferrite trên nền kim loại (2011) TS Dương Ngọc Hiền và cộngsự, Viện Vật lý kỹ thuật – Đại học Bách khoa Hà Nội cũng có các nghiên cứu về tínhchất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polymer dẫn PPy, PANi và bột Al2O3và khảo sátđộ suy giảm cường độ sóng điện từ ở dải tần 7,5-12 GHz Một nhóm các cán bộ thuộcViện Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc Phòng) đã nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radarbăng tần X của một số vật liệu nano tổ hợp [1, 59] Cùng với các đề tài nghiên cứu cơbản, một số luận án tiến sĩ cũng đã được thực hiện và bảo vệ thành công trong lĩnh vựcchếtạo,nghiêncứucáchệvậtliệu hấpthụsóngđiệntừtrong dảitầnsốviba[3,6,7].
Cơsởlýthuyếtvàc ác ứng dụngcủasóngđ i ệ n từ
CácphươngtrìnhMaxwellđượcsửdụngnhưlàxuấtphátđiểmchocáctínhtoánchosựlantruyề ncủasóngđiệntừ,baogồmcảquátrìnhtruyềnsóngđiệntừtrongkhônggiantựdovàsựtươngtáctạimặtph âncáchgiữacácmôitrường.Quátrìnhtruyềnsóngđiện từ qua một môi trường vật chất nào đó có thể thay đổi phụ thuộc vào các tham sốvật lý nội tại như độ điện thẩm, độ từ thẩm và độ dẫn Trường điện từ được biểu diễnmột cách định lượng thông qua hệ phương trình Maxwell [72], bao gồm các biểu thứctoán học của các định luật Gauss, định luật Faraday và định luật Ampere. Các phươngtrìnhtừ 1.1đến1.4biểudiễndạngviphâncủa hệphươngtrìnhMaxwell.
Với𝐸⃗→,𝐻⃗→,𝐷⃗→,𝐵⃗→làcácvéc-tơtrườngđiệntừ;𝐽→,𝜌làvéc-tơmậtđộdòngđiệnvàmật độđiệntíchkhối.
Giảsử,haimôitrườngbấtkỳđượcphâncáchbởimộtdiệntíchS,trênđómậtđộđiện tích và dòng điện mặt lần lượt làσ S vàJ S , các véc-tơ điện trường và từ trường lầnlượtlà𝐸⃗→ 1 ,𝐷⃗→ 1 ,𝐻⃗→ 1 ,𝐵⃗→ 1 ,𝐸⃗→ 2 ,𝐷⃗→ 2 ,𝐻⃗→ 2 ,𝐵⃗→ 2 ,ta cóđiềukiệnb i ên đốivớicácthànhp hầntiếptuy ếnvàpháptuyếncủa véc-tơđiệntrườngvàvéc-tơtừtrườngnhư sau:
Với véc-tơ từ trường:
Khi môitrường1làchấtđiện môi, môitrường2làvậtdẫnlýtưởng thì:
Với véc-tơ điện trường:
Trongtrường hợptổng quát,haimôitrườngcó cácthamsốtùyý:
Trên thực tế, các điều kiện biên nói trên liên quan đến các ứng dụng trong kỹthuậttànghìnhvàcóvaitròquantrọngtrongviệcxácđịnhthiếtdiệnphảnxạhiệudụngsóngđiệntừ củamụctiêu.
Hình 1.1 Thành phần điện và từ của trường điện từtạisátmặt phâncáchgiữahaimôi trường.
Hình 1.2 Trường điện bằng không tại bề mặt và đạt cực đại tại một phần tưbướcsóngtrênmộtlớp vậtdẫn,trongkhi trườngtừđạtcựcđạitại bềmặt.
Các ứng dụng của sóng điện từ đang ngày càng được mở rộng từ dải bước sóngtừ vài centimet đến vài mét Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng trongdảitầnsốcaovàbướcsóngngắncàngtrởnênthuậnlợivàdođó,mởranhiềutiềmnăngcho các ứng dụng sóng điện từ trong dải bước sóng milimet hay dải tần số GHz Mộtđặc điểm quan trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuấthiện hiện tượng chồng chất sóng điện từ. Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đếnsự tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trongcáckỹthuậtphátthanhtruyềnhìnhvàthôngtinliênlạckhôngdây[46].Mặtkhác,nhiễuđiện từ không mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũngđang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong các ứng dụng thực tế Tương tác của cácsóng điện từ truyền từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũngnhư sự sai lệch thông tin trong truyền tải dữ liệu Để khắc phục tình trạng này, việc sửdụngcáccấutrúcchechắnhoặccácvậtliệu hấpthụsóngđiện từlàmộtgiảipháp.
Trongphổđiệntừ,vùngsóngvibađượcđịnhnghĩalàsóngđiệntừcótầnsốnằmtrongkhoảngtừ3 00MHz-300GHz,tươngứngvớibướcsóngtừ1mm-1m.Cácthiếtbịđiện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất vàđộchínhxáccaohơnsovớicácthiếtbịsửdụngkỹthuậttầnsốthấpthôngthường[121].Hơnnữa,tầnsốc ộnghưởngcủarấtnhiềucácnguyêntử,phântửvàhạtnhânnằmtrongvùng tần số sóng vi ba Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng vi ba trongcáclĩnhvựccôngnghệkỹthuậtkhácnhaunhưcảmbiếntừxa,chuẩnđoántrongyhọc, nấuănhoặcchếbiếnthựcphẩm.Mặtkhác,sóngvibakhôngbịuốncongbởitầngđiệnly,dođótrong cácứngdụnghàngkhôngvũtrụ,thôngtinliênlạcgiữacácvệtinhđượctruyềntảibằngsóngđiệntừ.Tu ynhiên,trênthựctếđểchếtạo,phântíchvàthiếtkếcáchệthốngsửdụngsóngvibakểtrênlàmộtthácht hứckhôngnhỏdocácứngdụngsóngngắnđòihỏicácthiếtbịđiệntử phảicókíchthướcnhỏhơn.
UHF 300-1000MHz -Hệthốnggiámsát tầmrất xa
- Hệthốnggiámsát sânbay Milimet 40-100+GHz -Thựcnghiệm
Ngoài ra, sóng vi ba được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hàng ngày như hệthống radar kiểm soát không lưu, radar theo dõi tên lửa, radar điểu khiển hỏa lực, radardự báo thời tiết, các mạng lưới truyền thông đường dài và thông tin liên lạc trong quânsự.TùytheocácứngdụngđưarabởitiêuchuẩnIEEE521-
Sựtánxạ vàphảnxạsóngđiệntừbởimôitrườngvậtchất
Khửphảnxạ bằngcấutrúc hìnhdạng
Kỹ thuật khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng dựa theo nguyên tắc sóng điện từbịphảnxạtạimặttiếpxúcgiữahaimôitrườngcótrởkhángkhácnhau(Z 0 Z).Việc giảm sự khác biệt trở kháng tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường (môi trường truyềnsóng và môi trường vật liệu) sẽ làm giảm hiện tượng phản xạ này Để tránh sự thay đổiđột ngột của trở kháng tại mặt phân cách, ta có thể sử dụng cấu trúc đa lớp được tạothành bằng cách ghép các lớp chống phản xạ có các giá trị trở khángZkhác nhau hoặctạo ra các bề mặt có cấu trúc gồm các hình kim tự tháp Ngoài ra, việc thiết kế các vậtthểgồmcácmặtphẳngsaochocóthểláicáctiaphảnxạkhôngtheohướngcủasóngtớihoặc sóng tới có thể bị phản xạ nhiều lần trên các mặt phẳng của vật thể (cấu trúc dạngkim tự tháp, cấu trúc có nhiều góc cạnh) Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhấthiệnnaytrongcácphòngtốivàphòngchốngnhiễuđiệntừ.
Kỹthuậtkhửphảnxạchủđộng
Trong kỹ thuật khử phản xạ chủ động, ta sử dụng máy phát sóng điện từ cao tần(làm bằng các vật liệu áp điện đặc biệt, ví dụ như thạch anh, khi đặt trong một điệntrường ngoài chúng sẽ dao động cơ học ở tần số cao) gắn trên bề mặt vật thể, phát rasóng có tần số bằng tần số sóng chiếu tới nhưng ngược pha với sóng tới Tuy nhiên,phươngphápnàyrấtkhóthực hiệnvàgầnnhư khôngkhảthi.
Kỹthuậtkhử phảnxạbịđộng
Giốngnhưtrongquanghọc,ánhsángchỉphảnxạtạimặtphâncáchgiữahaimôitrường có chiết suất khác nhau, sóng điện từ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môitrường có trở kháng khác nhau và các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằngcách giải phương trình Maxwell với điều kiện biên tại bề mặt phân cách giữa hai môitrường không khí và vật liệu Để thu được các điều kiện phản xạ tối thiểu tại đây, trướctiênchúngtaxuấtphát từbiểuthứcxácđịnhhệsốphảnxạtại mặtphâncáchcódạng: Γ= 𝑍−𝑍 𝑍+𝑍 0
Với𝐸⃗→,𝐻⃗→làcácvéc-tơđiệntrườngvàtừtrường;ε 0 ,μ 0l àhằngsốđiệnmôivàđộ từthẩmcủakhônggiantựdo(ε 0
Từcôngthức(1.13),hệsốphảnxạsẽgiảmvềkhông,tứclàsẽkhôngcóphảnxạ sóngđiệntừtạibềmặtvậtthể,khisửdụngcácvậtliệucócùngtrởkhángvớimôitrườngtruyền sóng (thường làm ô i t r ư ờ n g k h ô n g k h í ) ,Z=Z 0 377Ω Điềuk i ệ n n à y c ũ n g c ú thểđạtđượcbằngphươngphỏpphốihợptrởkhỏngđơnlớpkhivậtliệucú r= à r Súngphảnxạcũn gsẽbịtriệttiêukhiđộdàylớpphủchechắnsóngđiệntừthỏamãnđiều kiện d (2n1)
K ỹthuậ t k h ử p h ả n x ạ b ằ n g v ậ t l i ệ u h ấ p t h ụ
Nguyên tắc chung của kỹ thuật này là hấp thụ và chuyển hóa năng lượng sóngđiệntừ thànhnănglượngnhiệtthôngquacáccơchếtổn hao.
Cácvậtliệucóthểhấpthụsóngđiệntừtheonhiềucơchếkhácnhaunhưngtrongthựctếvậtliệuh ấpthụsóngđiệntừnóichung,vậtliệuhấpthụsóngvibavàsóngradarnói riêng chỉ được cấu thành từ ba vật liệu cơ bản đó là vật liệu dẫn, vật liệu điện môivà vật liệu từ tính Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu trình bày trên cơ sở cáccơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trên được chúng tôi giới thiệu cụ thể trongphầndướiđây.
Cáccơchếhấpthụsóngđiệntừtrongvùngtầnsốviba
C ơ c h ế t ổ n h a o t r o n g c á c c h ấ t d ẫ n đ i ệ n
Trong đó, Blà véc-tơ từ trường của sóng điện từ chiếu tới vật dẫn; d,k,ρvàDlần lượt tương ứng là kích thước, tham số điều chỉnh hình dạng, điện trở suất và khốilượngriêngcủa vậtliệudẫn.
Từ phương trình (1.17) ta thấy, trong các mẫu khối có độ dẫn điện cao và kíchthước lớn, tổn hao xoáy có cường độ khá lớn Với các hệ hạt rời rạc, tổn hao xoáy tổngcộng thường bé, nhưng hiệu suất tổn hao lại lớn hơn rất nhiều so với vật liệu khối Đặcbiệt, khi kích thước các hạt rất bé hơn bước sóngλcủa sóng tới và bé hơn độ thấm sâuSkin,thànhphầnsóngphảnxạgâybởihệhạtbécócườngđộrấtyếutươngứngvớimộtkhả năng hấp thụ mạnh của vật liệu Các MAM/RAM hấp thụ sóng điện từ trên cơ sởtổn hao xoáy thường là các hệ hạt nano kim loại hoặc carbon có độ dẫn điện cao đượctrộn đều trong chất mang như polymer, silicon, cao su, sợi vải, … Trong các lớpMAM/RAM này, khả năng hấp thụ do tổn hao tán xạ được tăng cường do sóng điện từbị phản xạ qua lại nhiều lần giữa các hạt dẫn điện Hơn nữa, các hạt nano kim loại cóthể hình thành nên vô số các vi tụ điện trong lòng vật liệu, vì thế nâng cao hằng số điệnmôi(đâythựcchấtlàmộtchấtđiệnmôinhântạo)vàcảithiệnđángkểkhảnănghấpthụcủavậtliệut hôngquacáccơchếhấpthụ khácnhau.
C ơ c h ế t ổ n h a o đ i ệ n m ô i
Vật liệu điện môi được định nghĩa là vật liệu cách điện, có khả năng phân cựcđiện khi đặt trong điện trường ngoài [22] Quá trình quay của các lưỡng cực điện làmcho các nguyên tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt Nhiệt lượng tổng cộngsinhraliênquantrựctiếpđếntínhchấtliênkếtcủacácnguyêntử,phântửvàtầnsốcủatrườngđiệnt ừ.
Mộttrongnhữngthôngsốquantrọngcủachấtđiệnmôilàthờigianhồiphục(𝑟)củacáclưỡng cựcđiện.Trongcácchấtđiệnmôiđồngnhất,thờigianhồiphụcbaogồmthời gian định hướng của các lưỡng cực điện và thời gian đảo hướng theo sự thay đổicựccủađiệntrường.Hằngsốđiệnmôisẽđạttớigiớihạnkhitầnsốtăngdầnvàgầnnhưkhông thay đổi do sự đóng băng của các lưỡng cực điện ở vùng tần số rất cao Chính vìvậy, hiệu ứng tổn hao và đốt nóng điện môi không xảy ra trong vùng tần số này Phầnthực của hằng số điện môi phức (𝜀 ′ ) ặc trưng cho khả năng lưu trữ năngđặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng, phầnảo(")đạidiệnchothànhphầntổnhaovàtổnhaođiệnmôi(tan ε )đượcxácđịnhb ằngtỉ số𝜀 ′′ /𝜀′, cho biết cho biết công suất tổn hao của năng lượng lưu trữ Sự thay đổi củahằngsốđiệnmôiphức theotầnsốtrườngđiệntừđặtvàođượcchỉra tronghình 1.4.
Hình1.4 Sựphụ thuộc tầnsốcủahằng sốđiệnmôi[28].
Mặt khác, sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào tần số của các lưỡng cực điệnlýtưởngcũngđượcmôtảsửdụngmôhìnhhồiphụcDebye(hình1.5).Theođó,sựquaycủa các lưỡng cực điện dẫn đến một sự biến đổi của cả hai giá trị phần thực𝜀 ′ và phầnảo𝜀"t ạ i t ầ n s ố h ồ i p h ụ c f c , đại lượng được xác định từ mối liên hệ vơí tần số hồi phụcτ:f c= 1/(2πr2)τ).Trongvùngtầnsốf f c , sự dao động củatrườngđiệnlàquánhanh,vìvậycảhaithànhphầncủahằngsốđiệnmôiphứcđềugiảmdocáclưỡ ngcựcđiện khôngthểđịnhhướng kịptheohướngđiệntrườngđặtvào.
Tổn hao điện môi bao gồm tổn hao hồi phục điện môi và tổn hao cộng hưởng[75] Trong đó, tổn hao hồi phục điện môi liên quan đến phần năng lượng điện trườngchuyển thành năng lượng cơ học thông qua sự chuyển động của lưỡng cực và đạt tớigiới hạn khi tần số tăng Thời gian cần thiết cho sự dịch chuyển điện tử là rất ngắn sovớisựquaylưỡngcựcvàsựphâncựcdonhiệt.Tổnhaocộnghưởngliênquanđếnphầnnăng lượng điện trường chuyển thành năng lượng nhiệt và xảy ra khi tần số sóng điệntừchiếutớibằngtầnsốdaođộngcủacác nguyêntử,ion,hoặccácđiệntử.
(1.18) làđộđiệnthẩmcủa môitrường.fvàElàtầnsốvàcườngđộđiệntrườngcủasóngtới,ε rl à độđiệnthẩm tươngđốicủamôitrườngvàtan f
C ơ c h ế t ổ n h a o t ừ
Sóngđiệntừbaogồmhaithànhphầntrườngđiệnvàtrườngtừ,trongđótrườngđiệntươngt ácvớicácmô-menlưỡngcựcđiệnvàcácđiệntử,còntrườngtừtươngtác với các mô-men từ của vật liệu Tương tự như cơ chế tổn hao điện môi, hiện tượng tổnhaotừtrongcácvậtliệutừlàdosựphâncựctầnsốcaocủacáclưỡngcựctừvàtạimỗivùng tần số khác nhau, quá trình tổn hao từ xảy ra theo các cơ chế khác nhau Khi tácdụng một từ trường ngoài vào vật liệu từ, mômen từ có xu hướng quay và định hướngtheotừtrườngngoài.Sựquaycủacáclưỡngcựctừlànguồngốccủatổnhaotừ. Đốivớitrườnghợptrườngtừbiếnthiên,độtừthẩmđượcbiểudiễnbởisựphụ thuộctầnsốcủađại lượngphứcgiốngnhưhằngsốđiện môi:
Trong quá trình từ hóa, phần thực (μ ’ ) của độ từ thẩm phức đặc trưng cho khảnănglưutrữnănglượngtừhóa,cònphầnảo(μ ” )làthànhphầntổnhaotừ.Sựphụthuộctầnsốcủaph ầnthựcvàphầnảocủađộtừthẩmphứcchomộtchấtsắttừtiêubiểutrongvùngtầnsốsóngvibađượctrì nhbàytronghình1.6.
Tạicácvùngtầnsốkhácnhau,sựbiếnđổicủaphầnthựcvàphầnảolàkhácnhau.Trongvùngtầnsốthấ p,độtừthẩmhầunhưkhôngthayđổikhif
