Nghiên cứu tính chất điện, từ của vật liệu biến hóa bất đẳng hướng bằng tính toán và mô phỏng

46 Trang 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính MM Metamaterial Vật liệu biến hóa MPA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN QUỐC VỆ

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, TỪ

CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐẲNG HƯỚNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Xuân Khuyến và TS Vũ Thị Hồng Hạnh Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Học viên

Trần Quốc Vệ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS TS

Vũ Đình Lãm (Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), TS Bùi Xuân Khuyến (Viện Khoa học vật liệu) và TS Vũ Thị Hồng Hạnh (Trường ĐHSP Thái Nguyên) Thầy Cô đã luôn tận tình định hướng kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất khoa học để em hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn TS Bùi Sơn Tùng, TS Nguyễn Thị Hiền, CN Nguyễn Vân Ngọc đã giúp đỡ và trao đổi các ý tưởng khoa học liên quan đến các kết quả chính của luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong Nhóm nghiên cứu Meta tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và hỗ trợ khoa học cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài tại Viện

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường ĐHSP Thái Nguyên cùng Thầy Cô trong Khoa Vật lý đã dày công trang bị tri thức nền tảng

và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong môi trường mô phạm hiện đại để giúp cho

em trưởng thành hơn trong quá trình học tập - nghiên cứu

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã luôn ở bên cạnh động viên tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên

Trần Quốc Vệ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Nôi dung của đề tài nghiên cứu 3

5 Cấu trúc của luận văn 3

6 Ý nghĩa của luận văn 4

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 5

1.2 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của MPAs 9

1.3 Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 12

1.4 Tổng quan nghiên cứu MPAs tại Việt Nam 17

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Phương pháp tính toán dựa trên mô hình mạch điện LC tương đương 18

2.2 Phương pháp mô phỏng 21

2.2.1 Chương trình mô phỏng tính chất điện từ của vật liệu sử dụng phần mềm CST 21

2.2.2 Mô phỏng sự phân bố dòng điện, phân bố năng lượng tổn hao 30

Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CẤU TRÚC MPA BẤT ĐẲNG HƯỚNG DẠNG PHẲNG VÀ BIẾN DẠNG 32

3.1 Thiết kế MPA bất đẳng hướng dạng phẳng 32

3.2 Cơ chế hoạt động của MPAs bất đẳng hướng dạng phẳng 33

3.3 Sự phụ thuộc đặc tính hấp thụ của MPAs bất đẳng hướng dạng

phẳng vào góc phân cực và góc tới của sóng điện từ 34

3.4 MPAs hấp thụ bậc hai dựa trên tác động cơ học 37

3.5 Mô hình mạch điện tương đương cho MPA bất đẳng hướng 40

KẾT LUẬN 42

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 44

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 52

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô phỏng bằng máy tính

MPA Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối SRR Split - Ring Resonator Vòng cộng hưởng có rãnh

TE Transverse Electric Điện trường ngang

TM Transverse Magnetic Từ trường ngang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biểu diễn ô đơn vị của bộ hấp thụ dựa trên graphene với cấu

trúc một vòng cộng hưởng Các thông số được liệt kê như sau:

P = 3,6 μm, R1 = 1,6 μm, R2 = 0,25 μm, td = 0,3 μm, tg = 0,34

nm và tm = 0,1 μm [64] 6

Hình 1.2 (a) Phổ hấp thụ của bộ hấp thụ có cấu trúc gồm một vòng cộng

hưởng (b) Phần thực và phần ảo của trở kháng tương đối z của

bộ hấp thụ một vòng cộng hưởng [64] 7

Hình 1.3 (a) Phổ hấp thụ của cấu trúc một vòng cộng hưởng với độ dày

điện môi td = 0,1 μm, 0,3 μm và 0,7 μm, và (b) bản đồ màu của

độ hấp thụ khi td thay đổi từ 0,1 μm đến 1 μm [64] 7

Hình 1.4 (a) Ô cơ sở với SSRR được làm từ đồng có điện trở suất thấp

(5,8 × 107 S/m) với kích thước a = 3 mm (λ / 11,3 ở tần số cộng hưởng GHz), d = 2,8 mm, w = 0,32 mm và g = 0,42 mm

và (b) độ hấp thụ mô phỏng với phân cực TE hoặc TM (c) Siêu ô cơ sở bao gồm bốn SSRR và (d) độ hấp thụ tương ứng với phân cực TE hoặc TM [6] 9

Hình 1.5 Sự phân bố tổn hao Ohmic (a) và tổn hao điện môi (b) tại tần

số cộng hưởng trong vùng tần số GHz của MPA bất đẳng hướng [35] 11

Hình 1.6 Minh họa tích hợp vật liệu biến hóa (metamaterial) cho chế tạo

cảm biến khí CO2 tiên tiến dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại [41] 13

Hình 1.7 (a) Linh kiện phát hồng ngoại được tích hợp MPA, (b) cấu trúc

ô cơ sở của MPA, (c) phổ hấp thụ của MPA và (d) phổ phát xạ tương đối của linh kiện phát hồng ngoại được tích hợp MPA Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt tương ứng [4] 14

Hình 1.8 (a) Bộ phát hồng ngoại dựa trên bộ vi nhiệt dạng Peano được

tích hợp MPA (b) Công suất bức xạ của bộ vi nhiệt dạng Peano dưới các điện áp phân cực DC khác nhau Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt được ghi nhận bởi máy đo bức xạ nhiệt (c) Công suất phát xạ của bộ phát hồng ngoại được tích

hợp MPA dưới các nguồn điện khác nhau [41] 15

Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn 18

Hình 2.2 Ô cơ sở của siêu vật liệu hấp thụ sóng điện từ vùng hồng ngoại. (a) mặt bên của cấu trúc ô cơ sở, (b) mặt bằng của 3 hình dạng cấu trúc ô cơ sở [27] 19

Hình 2.3 (a) mô hình mạch điện LC cộng hưởng điện, (b) mô hình mạch điện LC cộng hưởng từ Mũi tên chỉ chiều của dòng điện cảm ứng [27] 20

Hình 2.4 (a) Sơ đồ thiết kế cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa hấp thụ vùng hồng ngoại và (b) sơ đồ mạch điện tương đương tính toán tần số cộng hưởng dựa trên thông số cấu trúc (c) Minh họa 3 chiều cấu trúc đề xuất và (d) ảnh chụp (SEM) mẫu đã chế tạo tương ứng với đường kính đĩa 1.5μm và kích thước ô cơ sở là 2.0μm [47] 20

Hình 2.5 Hình ảnh minh họa phần mềm thương mại CST trong thiết kế cảm biến sinh học đa điểm [1] 25

Hình 2.6 Cấu trúc ô cơ sở mô phỏng trong CST 26

Hình 2.7 Các thông số cấu trúc của ô cơ sở 26

Hình 2.8 Thiết lập khoảng tần số cần mô phỏng trong CST 27

Hình 2.9 Thiết lập background properties 27

Hình 2.10 Thiết lập điều kiện biên tuần hoàn khi mô phỏng ô cơ sở 28

Hình 2.11 Minh họa kết quả hệ số phản xạ S11(ω) 29

Hình 2.12 Minh họa hệ số truyền qua S21(ω) 29

Hình 2.13 Xây dựng hàm tính toán độ hấp thụ của MMs dựa trên hệ số

phản xạ và hệ số truyền qua 30

Hình 2.14 Độ hấp thụ tính toán được sau khi thiết lập 30

Hình 2.15 Mô phỏng phân bố từ trường và phân bố dòng điện bề mặt 31

Hình 2.16 Mô phỏng phân bố năng lượng tiêu tán trong MPA 31

Hình 3.1 Cấu trúc ô cơ sở ba chiều của MPA bất đẳng hướng dạng phẳng 32

Hình 3.2 (a) Độ hấp thụ mô phỏng của MPA dạng phẳng và (b) giá trị phức của trở kháng hiệu dụng 33

Hình 3.3 Phân bố dòng điện cảm ứng mặt trước (bên phải) và mặt sau (bên trái) tấm kim loại tần số cộng hưởng 33

Hình 3.4 Phân bố mật độ tổn hao năng lượng tiên tán bên trong cấu trúc MPA bất đẳng hướng 34

Hình 3.5 Phổ hấp thụ của MPAs bất đẳng hướng không phụ thuộc vào góc phân cực của sóng điện từ 35

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ theo góc tới trong trường hợp phân cực (a) TE và (b) TM 36

Hình 3.7 Phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt kim loại tại tần số (a) 4.3 GHz và (b) 8.6 GHz, trong trường hợp phân cực TE Phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt kim loại tại tần số (c) 4.3 GHz và (d) 8.7 GHz, trong trường hợp phân cực TM 37

Hình 3.8 Phổ hấp thụ của MPA mô phỏng phụ thuộc theo phân cực TE và TM ở trạng thái bị uốn cong với bán kính 20 mm 38

Hình 3.9 Bán kính uốn cong của mẫu tại 20 mm Phân bố dòng điện cảm ứng tại tần số: (a) 4.3 GHz và (b) 8.7 GHz trong trường hợp phân cực TE, (c) 4.3 GHz và (d) 8.6 GHz trong trường hợp phân cực TM (e) Phân bố năng lượng tổn hao tại các tần số hấp thụ 39

Hình 3.10 Mô hình mạch điện tương đương cho cộng hưởng cơ bản của MPA 40

Hình 3.11 Mô hình mạch điện tương đương trường hợp cộng hưởng bậc cao 41

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, vật liệu tiên tiến đã đóng góp một vị thế ngày càng quan trọng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người, từ mục tiêu dân sự đến quân sự Trong quá trình phát triển đó, với sự hỗ trợ của các công cụ tính toán, mô phỏng đã góp phần vào việc đề xuất

và dự đoán các tính chất điện, từ thú vị của các vật liệu mới

Trong các vật liệu tiên tiến đang được quan tâm nghiên cứu, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) là một vật liệu nhân tạo mới và thu hút được nhiều

sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới Ưu điểm lớn nhất của ứng dụng MMs là việc tính toán và mô phỏng được các cấu trúc cho những mục đích ứng dụng trước khi chế tạo MMs có các đặc tính điện từ và quang học vượt trội, cho phép điều khiển sóng điện từ ở kích thước ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động Độ điện thẩm và từ thẩm của MMs có thể được điều chỉnh bằng cách thiết kế các kích thước hình học và lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp

Do đó, MMs được nghiên cứu rộng rãi nhằm ứng dụng trong các bộ phát xạ nhiệt, bộ lọc, hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, y tế và cảm biến độ nhạy cao v.v Bằng cách thay đổi kích thước hình học, MMs có thể được thiết kế để hoạt động ở nhiều vùng bước sóng khác nhau, từ vùng khả kiến, hồng ngoại, terahertz và sóng viba cho các hiệu ứng không tồn tại trong vật liệu tự nhiên như: chiết suất âm [21, 38], hiệu ứng Cherenkov và Doppler ngược [43, 59], và đặc biệt là hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ [35]

Trong các vật liệu biến hóa, vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorber - MPAs) đang được tập trung nghiên cứu mạnh

mẽ do những tính chất ưu việt của nó Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MPAs được đề xuất và chế tạo đầu tiên bởi Landy vào năm 2008 có cấu trúc

nhân tạo, bất đẳng hướng, gồm ba lớp: kim loại - điện môi - kim loại tạo ra ưu điểm vượt trội về độ dày (mỏng hơn 30 lần bước sóng hấp thụ) so với các vật liệu hấp thụ truyền thống khác

Vật liệu MPAs thường có cấu trúc không đồng nhất, bao gồm các ô cơ sở lặp lại một cách tuần hoàn theo hai hoặc ba chiều Các đặc tính điện từ của chúng chủ yếu được quyết định bởi cấu trúc hình học hơn là các đặc tính của vật liệu cấu thành chúng MPAs hiện đang thu hút sự chú ý đáng kể do khả năng hấp thụ sóng điện từ gần như tuyệt đối trong thiết kế bộ hấp thụ điện từ không nhạy phân cực và góc tới rộng, bộ điều biến, đa dải tần và băng tần rộng bằng cách sử dụng các cấu trúc 3 chiều (3D), tích hợp điện trở dạng chip, hoặc các cấu trúc dạng lớp vật liệu độ dẫn thấp Cơ chế hấp thụ của các loại cấu trúc này thường có sự đóng góp một phần do có sự tổn hao trong phần vật liệu điện trở và tổn hao trong điện môi, điều này dẫn đến độ rộng phổ hấp thụ lớn hơn

Do vậy MPAs được đánh giá sẽ là một trong các khám phá rất quan trọng cho các ứng dụng về quân sự và y sinh [3, 11, 16, 31, 32, 36, 39]

Tuy nhiên, cho đến nay các cơ chế tương tác điện từ giữa MPAs bất đẳng hướng và sóng điện từ vẫn cần được làm rõ và điều khiển trong các điều kiện đặc biệt như cấu trúc bị biến dạng hoặc khi được tích hợp với các vật liệu plasmonic hai chiều

Với lý do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu của luận văn là: “Nghiên cứu tính chất điện, từ của vật liệu biến hóa bất đẳng hướng bằng tính toán và mô phỏng” Kết quả thu được của luận văn hứa hẹn sẽ góp phần đáng kể trong việc tìm ra giải pháp nhằm hiện thực hóa các thiết bị điện tử linh hoạt và đa chức năng tích hợp với MPAs

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phát triển các phương pháp lý thuyết cho nghiên cứu các tính chất điện

từ của vật liệu biến hóa Kết quả tính toán sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Làm rõ bản chất vật lý của MPAs bất đẳng hướng theo các mô hình tính toán lý thuyết

Tối ưu hóa các cấu trúc MPAs bất đẳng hướng, định hướng ứng dụng trong hấp thụ tuyệt đối

3 Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp nghiên cứu tài liệu và các mô hình lý thuyết và thực nghiệm Kết hợp giữa mô phỏng đánh giá đặc tính điện từ của vật liệu bằng phần mềm Computer Simulation Technology - CST các cấu trúc của vật liệu Meta và tính toán các tính chất điện từ

Phân tích các dữ liệu thực nghiệm và so sánh với các công trình công bố hiện tại

4 Nôi dung của đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu các mô hình lý thuyết phù hợp để giải thích cơ chế hoạt động của một số cấu trúc MPAs bất đẳng hướng trong dải tần số GHz và THz

Tối ưu hóa đặc tính điện từ của MPAs bất đẳng hướng (phản xạ, truyền qua, hấp thụ, hiệu suất truyền dẫn năng lượng) bằng cách tích hợp với các vật liệu mới (graphene, linh kiện điện tử ngoại vi)

Nghiên cứu sự chuyển hóa năng lượng trong cấu trúc MPAs bất đẳng hướng thông qua mô hình lý thuyết và mô phỏng

So sánh kết quả giữa các mô hình tính toán lý thuyết đã xây dựng với kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho một số mô hình MPA bất đẳng hướng hoạt động trong vùng GHz và THz

5 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận văn được trình bày trong ba chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Mô phỏng và tính toán cấu trúc MPA bất đẳng hướng dạng phẳng và biến dạng

6 Ý nghĩa của luận văn

Đóng góp chính của luận văn bao gồm:

Cải tiến và phát triển thiết bị viễn thông - cao tần cho công nghệ 5G/6G

và các thiết bị có hiệu suất cao trong dẫn truyền (hoặc chuyển hóa) năng lượng không dây

Phát triển các ứng dụng chăm sóc sức khỏe như: cảm biến y sinh, truyền dẫn thuốc, che chắn sự phát xạ điện từ có hại cho sức khỏe từ các thiết bị điện

tử thông minh đang hoạt động xung quanh và giảm ô nhiễm điện từ trường

Phát triển các kỹ thuật tàng hình trong quân sự khi MPAs thế hệ mới có thể trang bị tính năng siêu mỏng, siêu đàn hồi và hoạt động ổn định dưới mọi góc phát xạ của sóng điện từ

Đào tạo học viên cao học, nghiên cứu sinh và mở rộng hợp tác quốc tế trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo

Kết quả nghiên cứu của luận văn được công bố trong 2 bài báo:

[1] Duong Thi Ha, Tran Quoc Ve, Dinh Ngoc Dung, Bui Son Tung,

Nguyen Thi Hien, Vu Thi Hong Hanh, Bui Xuan Khuyen, and Vu Dinh Lam, Broadband polarization conversion based on small-size metamaterial in the GHz band, Vietnam Journal of Science and Technology (VJST), 2021

(Accepted)

[2] D T Ha, T Q Ve, B S Tung, B X Khuyen and V D Lam, Dual

band, polarization - insensitive, ultrathin and flexible metamaterial absorber based

on high - order magnetic resonance, J Phys D: Appl Phys (To be published)

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ là những vật liệu có cấu trúc không đồng nhất bao gồm các ô cơ sở lặp lại một cách tuần hoàn theo hai hoặc ba chiều Các MPAs được nghiên cứu chế tạo gần đây có bề mặt mỏng hơn nhưng hiệu suất hoạt động cao hơn và công nghệ chế tạo đơn giản hơn so với các MPAs được nghiên cứu chế tạo trước đây nhờ hoạt động dựa trên nguyên tắc phối hợp hoàn hảo giữa cộng hưởng điện - từ và trở kháng Chính vì vậy, MPAs được mong đợi sẽ mở rộng phạm vi kết nối và tương thích với các thiết

bị ngoại vi hiện đại Tiêu biểu như trong nghiên cứu của J Wang và cộng sự [22] cho thấy một cấu trúc MPA bất đẳng hướng bao gồm các cấu trúc dạng đĩa tròn, được làm từ vật liệu dẫn điện (chế tạo thông qua công nghệ in 3D) cho kết quả mô phỏng độ hấp thụ cao hơn 90% trong vùng tần số 16,3-54,3 GHz, trong khi kết quả đo cho thấy vùng hoạt động của cấu trúc bắt đầu từ 23,3 GHz Tương tự, trong nghiên cứu của Assimonis và Fusco [6] cho thấy một bộ hấp thụ điện trở 3D bao gồm các vách điện trở có hình (dạng tổ ong) đã được chế tạo bằng công nghệ in 3D đã đạt được độ rộng tương đối FBW (fractional bandwith) của phổ hấp thụ lên tới 148,7% Tuy nhiên, cả hai bộ hấp thụ điện từ trên đều tương đối dày (khoảng ~ λ/6,1 ở tần số hoạt động thấp nhất của chúng)

và đòi hỏi quy trình chế tạo khá phức tạp

Có thể nhận thấy rằng, xu hướng nghiên cứu các MPAs bất đẳng hướng hiện nay đó là giảm sự phức tạp trong thiết kế cấu trúc cộng hưởng kim loại - điện môi và đơn giản trong công nghệ chế tạo nhưng vẫn phải mở rộng FBW Giải pháp cho vấn đề này có thể đạt được bằng cách tích hợp cấu trúc MPA với các điện trở chip, vật liệu polymer độ dẫn thấp hay vật liệu plasmonic 2 chiều tiêu biểu như Graphene, WS2 và MoS2 [2, 24, 37, 45, 54]

Hình 1.1 là 1 cấu trúc MPA bất đẳng hướng tích hợp với Graphene điển hình Cấu trúc đề xuất trong hình 1.1 bao gồm bốn lớp: một vòng cộng hưởng bằng kim loại và một mặt phẳng kim loại được ngăn cách bởi một lớp điện môi

và tích hợp 1 lớp graphene Vòng cộng hưởng và tấm kim loại được làm từ vàng

có bề dày tm = 0,1 μm Lớp điện môi có độ điện thẩm tương đối là εd = 1,6 và được phủ bốn lớp graphene với độ dày mỗi lớp là tg = 0,34 nm

Hình 1.1 Biểu diễn ô đơn vị của bộ hấp thụ dựa trên graphene với cấu trúc một

vòng cộng hưởng Các thông số được liệt kê như sau: P = 3,6 μm, R1 = 1,6 μm,

Trong đó, e là điện tích của electron, μc là thế hóa học, là tốc độ tán xạ, T là nhiệt độ Kelvin, kB là hằng số Boltzmann, ħ = h/2π là hằng số Planck rút gọn Trong mô phỏng, T = 300 K, μc = 0,6 eV, = 2π × 2,42 THz Phổ hấp thụ của cấu trúc một vòng cộng hưởng dựa trên graphene dưới sóng tới vuông góc được mô tả trong Hình 1.2 (a), trong đó các đường liền nét biểu thị kết quả của

phân cực TE (véc tơ điện trường E dọc theo trục x), đường gạch ngang cho phân cực TM (véc tơ điện trường E dọc theo trục y)

Hình 1.2 (a) Phổ hấp thụ của bộ hấp thụ có cấu trúc gồm một vòng cộng

hưởng (b) Phần thực và phần ảo của trở kháng tương đối z của bộ hấp thụ một

vòng cộng hưởng [64]

Hình 1.3 (a) Phổ hấp thụ của cấu trúc một vòng cộng hưởng với độ dày điện

môi td = 0,1 μm, 0,3 μm và 0,7 μm, và (b) bản đồ màu của độ hấp thụ khi td thay

đổi từ 0,1 μm đến 1 μm [64]

Người ta thấy rằng độ hấp thụ 99% không phụ thuộc vào phân cực và có

ở 37,8 THz Sự hấp thụ có thể được giải thích bằng lý thuyết kết hợp trở kháng [22] Hình 1.2 (b) cho thấy phần thực (đường liền nét) và phần ảo (đường nét đứt) của trở kháng tương đối z = Z/Z0, trong đó Z và Z0 lần lượt là trở kháng của cấu trúc hấp thụ và môi trường hoạt động Có thể thấy rằng trở kháng tương đối z gần bằng 1 đối với cấu trúc hấp thụ ở tần số 37,8 THz, có nghĩa là trở kháng của bộ hấp thụ phù hợp với trở kháng của môi trường hoạt động Mặt khác, không có sóng nào có thể truyền qua bộ hấp thụ do sử dụng màng kim loại liên tục ở mặt sau Ảnh hưởng của các tham số hình học của cấu trúc lên tính chất hấp thụ được liệt kê như hình 1.3 (a) Khi độ dày khác nhau của điện môi td = 0,1 μm, 0,3 μm và 0,7 μm, Hình 1.3 (b) cho thấy độ hấp thụ phụ thuộc vào giá trị của td thay đổi từ 0,1 μm đến 1 μm Đỉnh phổ hấp thụ chuyển sang tần số thấp hơn khi td tăng, trong đó, td = 0,3 μm là giá trị tối ưu

Gần đây, S.D Assimonis đã trình bày một phương pháp thiết kế MPAs hoạt động dưới góc tới rộng và không nhạy với phân cực, như trình bày trong hình 1.4 [6] Ý tưởng cơ bản là tạo ra một siêu ô cơ sở với phép đối xứng quay

90 độ Trong công trình này, phương pháp đề xuất đã được áp dụng cho cấu trúc cộng hưởng dạng vòng hình vuông có rãnh (SSRR), nhưng nó có thể được

áp dụng cho bất kỳ cấu trúc cộng hưởng nào Kết quả chứng minh là cấu trúc mỏng (độ dày λ/11,7) sử dụng mực dẫn điện chứa các hạt nano bạc Độ hấp thụ đạt được với FBW = 125%, không phụ thuộc phân cực và hoạt động tốt với góc tới lên đến 45 độ

Hình 1.4 (a) Ô cơ sở với SSRR được làm từ đồng có điện trở suất thấp

(5,8 × 107 S/m) với kích thước a = 3 mm (λ / 11,3 ở tần số cộng hưởng GHz), d

= 2,8 mm, w = 0,32 mm và g = 0,42 mm và (b) độ hấp thụ mô phỏng với phân cực TE hoặc TM (c) Siêu ô cơ sở bao gồm bốn SSRR và (d) độ hấp thụ tương

ứng với phân cực TE hoặc TM [6]

1.2 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ của MPAs

Khi sóng điện từ chiếu tới bề mặt phân cách giữa hai môi trường (MPAs không khí) có thể bị phản xạ, truyền qua, hấp thụ, nhiễu xạ hoặc tán xạ Đối với MPAs, tại tần số xảy ra hấp thụ tuyệt đối thì các hiện tượng tán xạ và nhiễu xạ gần như không đáng kể do có sự phối hợp trở kháng hoàn hảo tại bề mặt cấu

-trúc cộng hưởng Dựa trên các tham số tán xạ của độ phản xạ và truyền qua

   

11 , 21

S  S 

  trong mô phỏng và tính toán, ta có thể xác định độ hấp thụ

(A) thông qua công thức:

11

S Z

trường truyền sóng Nói cách khác, ( ) ( ) √ là một đặc tính vượt trội so với các vật liệu tự nhiên

Đặc biệt, một điều kiện quan trọng khác xảy ra đồng thời với hiệu ứng phối hợp trở kháng đó là hiện tưởng cộng hưởng điện - từ để tiêu tán năng lượng hấp thụ Thông thường, có hai cơ chế hấp thụ thông qua tổn hao Ohmic (trong lớp kim loại) hoặc tổn hao do điện môi, như quan sát trong Hình 1.5

Hình 1.5 Sự phân bố tổn hao Ohmic (a) và tổn hao điện môi (b) tại tần số cộng

hưởng trong vùng tần số GHz của MPA bất đẳng hướng [35]

1.3 Ứng dụng của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Hiện nay, một trong ứng dụng nổi bật nhất của MMs được tích hợp trong cấu hình của cảm biến quang hấp thụ hồng ngoại Thông thường, các kính lọc quang thường lọc lựa trong một dải tần số rất hẹp Hệ quả là phần lớn năng lượng bức xạ phát ra từ nguồn phát xạ dải rộng sẽ bị hao phí và chỉ có một lượng nhỏ năng lượng bức xạ đi qua kính lọc quang được đến được được đầu thu chuyển đổi thành tín hiệu điện Do đó, các cảm biến gặp hạn chế về độ nhạy và độ phân giải ở dải nồng độ thấp Khi đó, các giải pháp truyền thống là tăng cường độ nguồn phát, tăng quang trình, sử dụng các nguồn phát hồng ngoại dải hẹp đều gặp phải những khó khăn nhất định

Nhược điểm kể trên có thể được khắc phục bằng cách ứng dụng các vật liệu mới tiên tiến vào trong công nghệ chế tạo cảm biến cho ứng dụng dân sự

và quân sự [5, 7, 9, 10, 13-15, 18, 20, 23, 25, 26, 28-30, 33, 40, 42, 46-53, 58] Hình 1.6 minh họa cho giải pháp tăng cường hiệu quả của cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại khi tích hợp lớp vật liệu biến hóa Những ưu điểm của việc tích hợp MM vào linh kiện phát hồng ngoại nhằm tăng khả năng hoạt động của cảm biến CO2 ở nồng độ thấp với độ phân giải cao:

55-Năng lượng từ nguồn hồng ngoại dải rộng sẽ được lớp MM hấp thụ và chuyển hóa để phát ra bức xạ hồng ngoại dải hẹp tại bước sóng mong muốn Khi đó, phần lớn năng lượng từ nguồn bức xạ sẽ không bị hao phí mà sẽ được chuyển sang vùng phổ bức xạ dải hẹp mong muốn để đến đầu thu Điều này sẽ giúp tăng cường độ nhạy, độ phân giải, giảm được kích thước và công suất hoạt động của thiết bị

- Công nghệ chế tạo lớp MM đơn giản và phù hợp khi tích hợp với nguồn hồng ngoại (vi nhiệt kiểu dây đốt, kiểu màng mỏng), và chế tạo số lượng lớn, vì thế nó sẽ đem đến giá thành rẻ

- Nhờ tính chất linh hoạt của cấu trúc nhân tạo, MPA có thể hoạt động ở nhiều vùng bước sóng khác nhau tùy theo cấu trúc thiết kế Nhờ đó, chúng ta có

thể điều khiển được các dải bước sóng hồng ngoại phát xạ mong muốn, tạo ra các thiết bị cảm biến thông minh không chỉ áp dụng cho cảm biến khí CO2 dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại mà còn cho rất nhiều ứng dụng khác liên quan đến hồng ngoại

Hình 1.6 Minh họa tích hợp vật liệu biến hóa (metamaterial) cho chế tạo cảm

biến khí CO2 tiên tiến dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại [41]

Trên các cơ sở này, giải pháp tích hợp lớp vật liệu MPA lên trên vi nhiệt

để tạo ra nguồn phát bức xạ hồng ngoại dải hẹp tại vùng bước sóng mong muốn rất khả thi và phù hợp cho chế tạo cảm biến khí CO2 tiên tiến cùng với giá thành rẻ Về tình hình nghiên cứu, gần đây một số nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng MPA có thể chuyển nguồn bức xạ hồng ngoại dải rộng thành nguồn bức xạ hồng ngoại dải hẹp bằng cách tích hợp lớp MPA trên bề mặt một nguồn hồng ngoại dải rộng [4, 41] Ví dụ điển hình, năm 2020, Alexander Lochbaum

và các cộng sự đã đề xuất cấu hình cảm biến khí CO2 nhỏ gọn, trong đó nguồn phát hồng ngoại đã được tích hợp MPA để tạo ra hấp thụ dải hẹp xung quanh bước sóng hấp thụ đặc trưng 4,26 μm của CO2 [4] Linh kiện phát hồng ngoại

được tích hợp MPA quan sát trong hình 1.7(a) bao gồm một đế silicon với một màng điện môi tròn nằm ở bên trên Bộ gia nhiệt kim loại được kết nối vào màng để sinh ra bức xạ nhiệt dựa trên hiệu ứng đốt nóng điện trở

Hình 1.7 (a) Linh kiện phát hồng ngoại được tích hợp MPA, (b) cấu trúc ô cơ sở

của MPA, (c) phổ hấp thụ của MPA và (d) phổ phát xạ tương đối của linh kiện phát hồng ngoại được tích hợp MPA Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt tương ứng [4]

MPA được chế tạo bằng phương pháp quang khắc chùm tia điện tử (e-beam lithography) và được tích hợp lên trên phần đĩa đốt nóng, đóng vai trò biến đổi phổ bức xạ thành bức xạ dải hẹp Hình 1.7(b) là cấu trúc của MPA bao gồm ba lớp, kim loại (Cu) liên tục - điện môi (Al2O3) liên tục - lớp kim loại (Cu) không liên tục là một chuỗi tuần hoàn của các cấu trúc cộng hưởng hình dấu cộng Về tính chất điện từ, cấu trúc MPA này chặn thành phần truyền qua

do tấm kim loại liên tục đằng sau Trong khi đó, cấu trúc cộng hưởng tuần hoàn

ở mặt trên kết hợp với tấm kim loại ở mặt dưới tạo thành một cấu trúc cộng hưởng từ Xung quanh tần số cộng hưởng từ, hiện tượng phối hợp trở kháng xảy ra và triệt tiệu thành phần phản xạ Hệ quả là: MPA có khả năng hấp thụ

gần như tuyệt đối trong dải hẹp ở 4,26 μm như trên hình 1.7(c) Theo định luật cân bằng nhiệt, vật đen hấp thụ tuyệt đối cũng tương đương với vật đen bức xạ tuyệt đối Do đó, MPA đóng vai trò như thành phần phát xạ dải hẹp hiệu suất cao trong linh kiện phát hồng ngoại Đặc trưng phát xạ của linh kiện phát hồng ngoại tích hợp MPA (với nhiệt độ đĩa đốt nóng là 400°C) được thể hiện trên hình 7(d) Kết quả đo đạc cho thấy, một dải phát xạ hẹp với cường độ cao đã được tạo ra tại bước sóng đặc trưng của CO2 Năng lượng bức xạ tập trung chủ yếu tại trung tâm của bộ phát và chỉ một phần nhỏ bức xạ sinh ra tại phần rìa ngoại của màng điện môi mà không được che phủ hết bởi MPA

Cũng trong năm này, nhóm nghiên cứu khác do Ruijia Xu và cộng sự cũng đề xuất một cách tiếp cận tương tự để tạo ra linh kiện phát hồng ngoại dải hẹp ứng dụng trong cảm biến khí CO2 [41] Linh kiện này cũng bao gồm một cấu trúc MPA được tích hợp trên một bộ vi nhiệt thể hiện trong hình 8(a) Điểm khác biệt là cấu trúc của bộ vi nhiệt cũng được quan tâm tối ưu để tạo ra hiệu suất phát xạ cao Trong nghiên cứu này, một bộ vi nhiệt có cấu trúc dạng Peano dựa trên lý thuyết phân dạng (fractal theory) đã được sử dụng

Hình 1.8 (a) Bộ phát hồng ngoại dựa trên bộ vi nhiệt dạng Peano được tích

hợp MPA (b) Công suất bức xạ của bộ vi nhiệt dạng Peano dưới các điện áp phân cực DC khác nhau Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt được ghi nhận bởi máy đo bức xạ nhiệt (c) Công suất phát xạ của bộ phát hồng ngoại được tích

hợp MPA dưới các nguồn điện khác nhau [41]

Theo hiệu ứng Joule, nhiệt năng sẽ được tạo ra từ bộ vi nhiệt bằng cách đặt điện áp phân cực DC trên thiết bị Bộ vi nhiệt cấu trúc dạng Peano thu thập tất cả năng lượng điện và sau đó chuyển thành nhiệt năng Bộ vi nhiệt đạt được hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện cao và nhiệt độ bề mặt tăng nhanh Nhờ đó, năng lượng bức xạ nhiệt dải rộng được tạo ra Mối liên hệ giữa điện áp phân cực DC đặt vào và công suất bức xạ hiệu dụng được tính toán và biểu diễn trong hình 1.8(b) Tổng công suất bức xạ dưới 20 µW khi đặt điện áp phân cực

DC từ 0 đến 3 V Bằng cách tăng điện áp phân cực DC lên 4 V, công suất bức

xạ cực đại là 48,6 µW Khi điện áp phân cực DC là 5 V, công suất bức xạ cực đại tương ứng tăng lên 111,1 µW và tiến về vùng bước sóng đặc trưng của

CO2 Hình đính kèm trong hình 8 cho thấy hình ảnh bức xạ nhiệt được đo bằng máy đo bức xạ nhiệt (Kính hiển vi ảnh nhiệt Sentris, Công ty TNHH OPTOTHERM, Sewickley, PA, Hoa Kỳ) Có thể quan sát thấy rõ rằng sự phân

bố nhiệt độ của bộ vi nhiệt Peano là đồng đều Tuy nhiên, độ bán rộng ở nửa cực đại (FWHM) của phổ công suất bức xạ là khá rộng cỡ 5,4 µm

Để thu hẹp độ bán rộng FWHM của phổ bức xạ hồng ngoại, cấu trúc MPA được tích hợp lên bề mặt bộ vi nhiệt Peano Công suất bức xạ của bộ phát

xạ IR được tích hợp MPA ở các giá trị điện áp phân cực DC khác nhau được thể hiện trong hình 1.8(c) Bằng cách tăng giá trị điện áp phân cực DC, công suất bức xạ cực đại đạt được lần lượt là 0,2; 0,4; 2,1; 10,0; 33,9 và 85,0 µW tương ứng cho các giá trị điện áp 0, 1, 2, 3, 4 và 5 V Công suất bức xạ cực đại

là 85,0 µW và FWHM của phổ bức xạ giảm còn 0,65 µm Trong trường hợp được tích hợp MPA, giá trị FWHM giảm đi xấp xỉ 8,3 lần so với khi không tích hợp MPA Nhờ đó, một phổ bức xạ dải hẹp tại bước sóng đặc trưng của CO2được tạo ra khiến cho bộ phát hồng ngoại tích hợp MPA có hiệu suất cao hơn khi ứng dụng trong cảm biến khí CO2

Như vậy, tích hợp vật liệu biến hóa vào nguồn phát hồng ngoại dải rộng

để tạo nguồn phát hồng ngoại dải hẹp là lĩnh vực nghiên cứu rất mới trên thế giới, đầy sôi động và chứa đựng nhiều lý thú trong khoa học Ưu điểm trong

mô phỏng thiết kế cấu trúc MPA cho phép tạo bức xạ có vùng bước sóng hồng ngoại mong muốn, không chỉ mang lại các ứng dụng trong cảm biến khí CO2 nguyên lý hấp thụ hồng ngoại cho nuôi trồng nấm, mà có thể mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

1.4 Tổng quan nghiên cứu MPAs tại Việt Nam

Việc nghiên cứu tính chất hấp thụ MPA là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiêt kế, các phòng chắn bức

xa công nghiệp, pin mặt trời hiệu suất cao…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…) Theo quyết định số 2117/QĐ-TTg ngày 16/12/2020 của Thủ tướng chính phủ về danh mục công nghệ ưu tiên nghiên cứu và phát triển để tham gia Cách mạng công nghiệp 4.0, tiên phong thiết kế và chế tạo vật liệu biến hóa về lĩnh vực nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu do PGS TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thu được nhiều kết quả thú vị ở vùng sóng microwave Gần đây, hướng nghiên cứu này được mở rộng tại các đơn vị nghiên cứu khác như: PGS Trần Mạnh Cường, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; PGS Vũ Văn Yêm, Khoa Điện

tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và PGS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Trường Đại học Vinh Tiêu biểu trong các nghiên cứu từ năm 2016 đến nay, nhóm nghiên cứu do GS TS Vũ Đình Lãm, TS Bùi Xuân Khuyến, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bắt đầu cải tiến các cấu trúc vật liệu biến hóa cho phép chúng hoạt động trên vùng tần số THz để ứng dụng cho các cảm biến sinh học [8, 47, 49] Sự phát triển về MPAs trong nước hiện cũng là nền tảng quan trọng để tích hợp vật liệu biến hóa lên các

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các phương pháp nghiên cứu chính tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ sử dụng trong luận văn là: phương pháp mô phỏng và

tính toán Sơ đồ phương pháp nghiên cứu được trình bày trên Hình 2.1 Quy

trình nghiên cứu gồm 4 bước:

Bước 1: Xây dựng ý tưởng về MPA

Bước 2: Xây dựng mô hình, cấu trúc của MPA

Bước 3: Thông qua mô phỏng và tính toán để xây dựng cấu trúc ô cơ sở với các tham số cấu trúc tối ưu

Bước 4: Đưa ra kết luận

Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu của luận văn

2.1 Phương pháp tính toán dựa trên mô hình mạch điện LC tương đương

Hiện nay, tương tác của vật liệu biến hóa với sóng điện từ thường được giải thích dựa trên mô hình mạch điện tương đương LC Mỗi một cấu trúc hình học sẽ có mạch điện LC tương ứng Sau đây, luận văn trình bày mô hình mạch điện LC áp dụng cho một số các cấu trúc hấp thụ bất đẳng hướng điển hình

Như đề xuất của Yang và cộng sự năm 2018, mỗi cấu trúc MPA bất đẳng hướng sẽ có mạch LC tương đương khi dựa trên các phân tích về chiều dòng điện cảm ứng, phân bố năng lượng điện-từ trường cảm ứng, như mô tả

trên hình 2.2 Các tham số cấu trúc được lựa chọn là: l = 9 μm (bề rộng ô cơ sở), p = 4,5 μm (độ rộng ¼ ô cơ sở), a = 2 μm (kích thươc lớp ZnS hình thoi),

b = 2 μm (kích thước lớp ZnS hình vuông), d = 2,6 μm (bán kính lớp ZnS hình tròn), dm= 200 nm (độ dày của lớp ITO ở giữa), ds = 300 nm (độ dày của lớp ZnS phía trên), t = 80 nm (độ dày của lớp ITO trên cùng)

Hình 2.2 Ô cơ sở của siêu vật liệu hấp thụ sóng điện từ vùng hồng ngoại

(a) mặt bên của cấu trúc ô cơ sở, (b) mặt bằng của 3 hình dạng cấu trúc ô cơ sở [27]

Khi cấu trúc tương tác với sóng điện từ tới, xảy ra cộng hưởng điện và cộng hưởng từ, có thể minh họa thông qua mạch LC tương đương như quan sát trên hình 2.3

Hình 2.3 (a) mô hình mạch điện LC cộng hưởng điện, (b) mô hình mạch điện

LC cộng hưởng từ Mũi tên chỉ chiều của dòng điện cảm ứng [27]

Hình 2.4 (a) Sơ đồ thiết kế cấu trúc ô cơ sở của vật liệu biến hóa hấp thụ vùng

hồng ngoại và (b) sơ đồ mạch điện tương đương tính toán tần số cộng hưởng dựa trên thông số cấu trúc (c) Minh họa 3 chiều cấu trúc đề xuất và (d) ảnh chụp (SEM) mẫu đã chế tạo tương ứng với đường kính đĩa 1.5μm và kích thước

ô cơ sở là 2.0μm [47]

Tương tự như mô tả trong hình 2.4(a), xét trong hợp cấu trúc là hình đĩa tròn, khi chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trên hai mặt lớp kim loại và có chiều đối song, chúng ta có thể xác định đó là cộng hưởng từ (theo mô hình Lorentz) Khi bỏ qua các tương tác giữa các ô cơ sở liền kề, các giá trị hiệu dụng của độ tự cảm (L) và điện dung (C) được tính toán theo công thức:

4s

d C

số cộng hưởng từ phụ thuộc vào các tham số cấu trúc Ta có thể tính toán và thiết kế để chế tạo vật liệu hoạt động ở vùng tần số mong muốn