Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ THƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ CÓ CHIẾT SUẤT ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ CẤU TRÚC FISHNET DỰA
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ THƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ CÓ CHIẾT SUẤT ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ CẤU TRÚC FISHNET DỰA TRÊN MÔ HÌNH LAI HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN – 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ THƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN DẢI TẦN SỐ CÓ CHIẾT SUẤT ÂM CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ CẤU TRÚC FISHNET DỰA TRÊN MÔ HÌNH LAI HÓA Ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HIỀN THÁI NGUYÊN – 2023 i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Hiền – Viện Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên về sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tâm của Cô trong suốt quá trình em thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình Em xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên đã trang bị cho em những kiến thức quý báu trong thời gian em học tập, nghiên cứu tại trường Cảm ơn sự hỗ trợ về kinh phí từ đề tài nafosted “Điều khiển tính chất của vật liệu biến hóa có từ thẩm âm và chiết suất âm bằng tác động ngoại vi dựa trên mô hình lai hóa” Mã số: 103.02-2021.94 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường PTDTNT THCS&THPT Bình Gia, huyện Bình Gia, tỉnh Lạng Sơn và các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này Thái Nguyên, tháng 10 năm 2023 Người viết Nguyễn Thị Thương ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC BẢNG ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .3 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa biến hóa có chiết suất âm .3 1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển có chiết suất âm 3 1.1.2 Một số ứng dụng nổi bật của vật liệu biến hóa có chiết suất âm .4 1.2 Vật liệu biến hóa có chiết suất âm .9 1.2.1 Tính toán lý thuyết về sự tồn tại của vật liệu chiết suất âm .10 1.2.2 Một số phương pháp điển hình để tạo ra vật liệu biến hóa có chiết suất âm.11 1.3 Mô hình lai hóa trong vật liệu biến hóa .20 1.3.1 Mô hình lai hoá bậc một 21 1.3.2 Mô hình lai hóa bậc hai 22 1.3.3 Mô hình lai hóa bậc cao (từ ba trở lên) 23 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Lựa chọn cấu trúc .25 2.2 Phương pháp tính toán dựa trên thuật toán của Chen 26 2.3 Phương pháp mô phỏng .30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .34 3.1 Điều khiển dải tần số có chiết suất âm bằng cách thay đổi số lớp cấu trúc sử dụng hai lớp cấu trúc lưới cá (fishnet) .35 3.2 Điều khiển vùng chiết suất âm mở rộng dựa trên mô hình lai hóa bằng thay đổi khoảng cách giữa các lớp cấu trúc .43 3.3 Điều khiển vùng chiết suất âm mở rộng dựa trên mô hình lai hóa bằng thay đổi độ tổn hao lớp điện môi 45 iii 3.4 Điều khiển vùng chiết suất âm mở rộng dựa trên mô hình lai hóa bằng cách sử dụng tích hợp lớp mực dẫn điện (mực in graphene) 49 KẾT LUẬN 54 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tên đầy đủ Meta Metamaterials Vật liệu biến hóa CST Computer Simulation Phần mềm mô phỏng thương mại CST Technology MPA metamaterial perfect Khả năng hấp thụ hoàn toàn sóng điện từ ERR absorber Vòng cộng hưởng điện SRR electrical ring resonance Vòng cộng hưởng có rãnh WPT Truyền dẫn năng lượng không dây EMT Split Ring Resonator Lý thuyết môi trường hiệu dụng CW wireless power transfer Cấu trúc dây kim loại bị cắt CWP effective medium theory Cấu trúc cặp dây bị cắt LHM Vật liệu bàn tay trái (tên gọi khác của vật cut-wire liệu chiết suất âm) DP cut-wire pair Cấu trúc cặp đĩa tròn FN left - handed material Cấu trúc lưới cá FIT Kỹ thuật tích phân hữu hạn dish pair fishnet finite integration technique v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Vật liệu biến hóa đầu tiên do Pendry đề xuất (a) Cấu trúc dây dẫn mảnh, (b) Cấu trúc bộ cộng hưởng vòng hở và (c) Dãy tuần hoàn bộ cộng hưởng vòng hở 4 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính (super-lens) dựa trên vật liệu MMs .Error! Bookmark not defined Hình 1.3 (a) Hình ảnh 2D của MTM có chiết suất thay đổi bao quanh vật cần tàng hình, (b) Cấu trúc ô cơ sở 7 Hình 1.4 Sơ đồ của ăng-ten MIMO được báo cáo trong [13] cùng với sơ đồ khuếch đại để thể hiện sự thay đổi về độ lợi khi có và không có siêu bề mặt (b) Hình học của ăng-ten trong [14] với siêu vật liệu và sơ đồ cải thiện độ lợi để xác minh việc tăng cường độ khuếch đại bằng siêu bề mặt đơn 8 Hình 1.5 Thí nghiệm hệ WPT đối với bóng đèn 40 W a) không sử dụng vật liệu biến hóa, có sử dụng vật liệu biến hóa b) dạng 3 chiều và c) dạng phẳng 9 Hình 1.6 a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu có cấu trúc ở hình (a) Tính chất chiết suất âm (n < 0) của vật liệu thể hiện ở vùng tần số 4.7 đến 5.2 GHz [4] 12 Hình 1.7 a) Ô cơ sở và b) mẫu chế tạo bằng phương pháp quang khắc của cấu trúc CB 13 Hình 1.8 Phổ truyền qua (a) kết quả đo thực nghiệm và b)kết quả từ mô phỏng trên phần mềm CST của cấu trúc CWP, CB và các dây kim loại liên tục c) Kết quả tính toán phàn thực của chiết suất, độ từ thẩm, điện thẩm và chiết 14 Hình 1.9 (a) Hình ảnh một ô cơ sở và (b) mẫu đã được chế tạo dựa trên phương pháp quang khắc của cấu trúc FN 15 Hình 1.10 (a) Phổ truyền qua thực nghiệm và mô phỏng của cấu trúc CB và FN, Kết quả tính toán phần thực của (b) độ điện thẩm, (c) độ từ thẩm (d) chiết suất và (e) hệ số phẩm chất FOM cho thấy cấu trúc FN có ưu điểm hơn cấu trúc CB 16 vi Hình 1.11 (a) Ô cơ sở và(b) mẫu chế tạo thực nghiệm cấu trúc lưới đĩa (DN) [20] .17 Hình 1.12 (a) Phổ truyền qua thực hiện bằng đo đạc và kết quả mô phỏng qua CST của cấu trúc lưới đĩa; (b) Kết quả tính toán phần thực độ chiết suất, độ từ thẩm và điện thẩm 18 Hình 1.13 (a) Ô cơ sở của cấu trúc DN đối với góc quay phân cực của sóng điện từ (b) Phổ truyền qua mô phỏng và chiết suất tương ứng của cấu trúc DN không phụ thuộc vào góc phân cực .18 Hình 1.14 Giản đồ lai hóa tương ứng với cấu trúc do nhóm Soukoulis đề xuất [21] trong đó mode bất đối xứng bậc nhất với mode đối xứng bậc hai chồng chập và tạo ra vùng chiết suất âm 18 Hình 1.15 Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của cấu trúc CWP và nối tắt CWP 19 Hình 1.16 (a), (b), (c) kết quả mô tả phân bố dòng điện tại các tần số ứng với các đỉnh không truyền qua và (d), (e), (f) phân bố năng lượng từ tại tần số đỉnh thứ nhất (f = 104 GHz) và thứ ba (f = 300 GHz) và phân bố năng lượng điện tại tần số đỉnh thứ hai ( f = 220 GHz) 20 Hình 1.17 Tính toán phần thực chiết suất, từ thẩm và điện thẩm xung quanh vùng tần số 300 GHz 20 1.3 Mô hình lai hóa trong vật liệu biến hóa .20 Hình 1.18 (a) Cấu trúc ô cơ sở CWP, (b)giản đồ lai hóa bậc nhất, (c) kết quả mô phỏng phổ truyền qua khi cấu trúc CW và CWP tương tác với sóng điện từ 21 Hình 1.19 a) Một ô cơ sở của cấu trúc CWP hai lớp và b) giản đồ lai hóa bậc hai ứng với cấu trúc này 23 Hình 1.20 Giản đồ lai hóa bậc ba ứng với ba lớp cấu trúc .24 Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp và quá trình nghiên cứu của luận văn .25 Hình 2.2 Ô cơ sở của cấu trúc FN và cách phân cực các thành phần của sóng điện từ chiếu tới 26 Hình 2.3 Giao diện chương trình mô phỏng CST Microwave Studio 2017 .32 Hình 2.4 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm CST: Các tham số phản xạ (a) truyền qua, phản xạ; (b) pha và (c) Phân bố từ trường 33 vii Hình 3.1 Ô cơ sở của cấu trúc lưới đĩa (a) một lớp, (b) hai lớp, (c)ba lớp (d) mặt cắt ngang theo trục z của cấu trúc khi ghép nhiều ô cơ sở lại 35 Hình 3.2 (a) Phổ truyền qua, chiết suất, độ điện thẩm, từ thẩm của cấu trúc một lớp trên dải tần số từ 11 đến 15 GHz, (b) dòng trên hai lớp kim loại của cấu trúc FN một lớp tại tần số12,759 GHz, (c) dòng trên bề mặt kim loại trước và sau của cấu trúc FN một lớp tại tần số12,759 GHz .36 Hình 3.4 Kết quả tính toán độ từ thẩm và điện thẩm của cấu trúc 1 lớp và hai lớp, vùng mầu nâu là vùng cả từ thẩm và điện thẩm đều âm .38 Hình 3.5 Kết quả mô phỏng dòng điện tích trên các lớp kim loại của 2 lớp cấu trúc tại hai đỉnh truyền qua (a) 12,53 GHz, (b) 12,938 GHz và (c) dòng điện tích trên các lớp kim loại ngoài cùng tại tần số 12,53 GHz 39 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng (a) Năng lượng điện và (b) từ tại lớp kim loại đầu tiên của cấu trúc FN hai lớp ở tần số12,53 GHz 40 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng phổ Truyền qua (phía trên) và tính toán chiết suất (phía dưới) khi số lớp cấu trúc thay đổi từ 1 đến 10 lớp 40 Hình 3.8 Kết quả tính toán độ điện thẩm và từ thẩm của phụ thuộc vào số lớp cấu trúc: từ 1:10 lớp .42 Hình 3.9 (a) Truyền qua và (b)tính toán độ điện thẩm và từ thẩm (c) FOM của các cấu trúc từ 1 đến 10 lớp .42 Hình 3.10 (a) Truyền qua và (b)tính toán độ điện thẩm và từ thẩm của các cấu trúc 4 lớp khi thay đổi khoảng cách hai lớp 44 Hình 3.11 Tính toán độ điện thẩm và từ thẩm của các cấu trúc 4 lớp khi thay đổi khoảng cách d giữa 4 lớp 45 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng phổ truyền qua và tính toán phần thực chiết suất của cấu trúc 4 lớp khi thay đổi tổn hao điện môi 47 Hình 3.13 Kết quả tính toán phần thực độ điện thẩm và từ thẩm của các cấu trúc 4 lớp khi thay đổi tổn hao điện môi 48 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng năng lượng từ tại các đỉnh cộng hưởng của cấu trúc 4 lớp FN khi thay đổi độ tổn hao lớp điện môi 49 viii 3.4 Điều khiển vùng chiết suất âm mở rộng dựa trên mô hình lai hóa bằng cách sử dụng tích hợp lớp mực dẫn điện (mực in graphene) 49 Hình 3.15 Ô cơ sở của cấu trúc FN bốn lớp (a) chưa tích hợp mực dẫn graphene Và (b) tích hợp lớp mực dẫn graphene 50 Hình 3.16 (a) Phổ truyền qua mô phỏng và (b) kết quả tính toán chiết suất của cấu trúc 4 lớp khi chưa tích hợp mực dẫn graphene và đã tích hợp mực dẫn graphene với điện trở thay đổi từ 0,2 Ω đến 10Ω 51 Hình 3.17 (a) Phổ truyền qua mô phỏng và (b) kết quả tính toán chiết suất của cấu trúc 4 lớp khi chưa tích hợp mực dẫn graphene và đã tích hợp mực dẫn graphene với điện trở thay đổi từ 0,2 Ω đến 10 Ω .52 Hình 3.18 Kết quả mô phỏng năng lượng từ tại các đỉnh cộng hưởng của cấu trúc 4 lớp FN khi không có mực dẫn và khi thay đổi độ điện trở của lớp mực dẫn từ 0,2 Ω đến 10 Ω 53