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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRẦN QUỐC VỆ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐẲNG HƢỚNG BẰNG TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: 1 TS Bùi Xuân Khuyến 2 TS Vũ Thị Hồng Hạnh THÁI NGUYÊN - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS Bùi Xuân Khuyến và TS Vũ Thị Hồng Hạnh Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu khác Học viên Trần Quốc Vệ i LỜI CẢM ƠN Trƣớc 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 (Trƣờng ĐHSP Thái Nguyên) Thầy Cô đã luôn tận tình định hƣớng 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 tƣởng 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 trƣờng 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 trƣờng mô phạm hiện đại để giúp cho em trƣởng 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 vƣợt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn Học viên Trần Quốc Vệ ii 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 Phƣơng 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 Chƣơng 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 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Phƣơng pháp tính toán dựa trên mô hình mạch điện LC tƣơng đƣơng 18 2.2 Phƣơng pháp mô phỏng 21 2.2.1 Chƣơng 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 lƣợng tổn hao 30 Chƣơng 3 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CẤU TRÚC MPA BẤT ĐẲNG HƢỚNG DẠNG PHẲNG VÀ BIẾN DẠNG 32 3.1 Thiết kế MPA bất đẳng hƣớng dạng phẳng 32 3.2 Cơ chế hoạt động của MPAs bất đẳng hƣớng dạng phẳng 33 iii 3.3 Sự phụ thuộc đặc tính hấp thụ của MPAs bất đẳng hƣớng 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 tƣơng đƣơng cho MPA bất đẳng hƣớng 40 KẾT LUẬN 42 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 44 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 52 iv 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 MPA Metamaterial Vật liệu biến hóa SRR TE Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối TM Split - Ring Resonator Vòng cộng hƣởng có rãnh Transverse Electric Điện trƣờng ngang Transverse Magnetic Từ trƣờng ngang iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu diễn ô đơn vị của bộ hấp thụ dựa trên graphene với cấu Hình 1.2 trúc một vòng cộng hƣởng Các thông số đƣợc liệt kê nhƣ sau: Hình 1.3 P = 3,6 μm, R1 = 1,6 μm, R2 = 0,25 μm, td = 0,3 μm, tg = 0,34 Hình 1.4 nm và tm = 0,1 μm [64] 6 (a) Phổ hấp thụ của bộ hấp thụ có cấu trúc gồm một vòng cộng Hình 1.5 hƣởng (b) Phần thực và phần ảo của trở kháng tƣơng đối z của Hình 1.6 bộ hấp thụ một vòng cộng hƣởng [64] 7 Hình 1.7 (a) Phổ hấp thụ của cấu trúc một vòng cộng hƣởng 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 (a) Ô cơ sở với SSRR đƣợc làm từ đồng có điện trở suất thấp (5,8 × 107 S/m) với kích thƣớc a = 3 mm (λ / 11,3 ở tần số cộng hƣởng 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 tƣơng ứng với phân cực TE hoặc TM [6] 9 Sự phân bố tổn hao Ohmic (a) và tổn hao điện môi (b) tại tần số cộng hƣởng trong vùng tần số GHz của MPA bất đẳng hƣớng [35] 11 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 (a) Linh kiện phát hồng ngoại đƣợc tích hợp MPA, (b) cấu trúc ô cơ sở của MPA, (c) phổ hấp thụ của MPA và (d) phổ phát xạ tƣơng đối của linh kiện phát hồng ngoại đƣợc tích hợp MPA Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt tƣơng ứng [4] 14 v Hình 1.8 (a) Bộ phát hồng ngoại dựa trên bộ vi nhiệt dạng Peano đƣợc tích hợp MPA (b) Công suất bức xạ của bộ vi nhiệt dạng Peano dƣới các điện áp phân cực DC khác nhau Hình đính kèm là ảnh bức xạ nhiệt đƣợc ghi nhận bởi máy đo bức xạ nhiệt (c) Công suất phát xạ của bộ phát hồng ngoại đƣợc tích hợp MPA dƣới các nguồn điện khác nhau [41] 15 Hình 2.1 Sơ đồ phƣơng 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 hƣởng điện, (b) mô hình mạch điện LC cộng hƣởng 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 tƣơng đƣơng tính toán tần số cộng hƣởng dựa trên thông số cấu trúc (c) Minh họa 3 chiều cấu trúc đề xuất và (d) ảnh chụp (SEM) mẫu đã chế tạo tƣơng ứng với đƣờng kính đĩa 1.5μm và kích thƣớc ô cơ sở là 2.0μm [47] 20 Hình 2.5 Hình ảnh minh họa phần mềm thƣơng 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 vi Hình 2.13 Xây dựng hàm tính toán độ hấp thụ của MMs dựa trên hệ số Hình 2.14 phản xạ và hệ số truyền qua 30 Hình 2.15 Độ hấp thụ tính toán đƣợc sau khi thiết lập 30 Hình 2.16 Mô phỏng phân bố từ trƣờng và phân bố dòng điện bề mặt 31 Hình 3.1 Mô phỏng phân bố năng lƣợng tiêu tán trong MPA 31 Hình 3.2 Cấu trúc ô cơ sở ba chiều của MPA bất đẳng hƣớng dạng phẳng 32 Hình 3.3 (a) Độ hấp thụ mô phỏng của MPA dạng phẳng và (b) giá trị Hình 3.4 phức của trở kháng hiệu dụng 33 Hình 3.5 Phân bố dòng điện cảm ứng mặt trƣớc (bên phải) và mặt sau Hình 3.6 (bên trái) tấm kim loại tần số cộng hƣởng 33 Hình 3.7 Phân bố mật độ tổn hao năng lƣợng tiên tán bên trong cấu trúc MPA bất đẳng hƣớng 34 Hình 3.8 Phổ hấp thụ của MPAs bất đẳng hƣớng không phụ thuộc vào Hình 3.9 góc phân cực của sóng điện từ 35 Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ theo góc tới trong trƣờng hợp Hình 3.10 phân cực (a) TE và (b) TM 36 Hình 3.11 Phân bố dòng điện cảm ứng trên bề mặt kim loại tại tần số (a) 4.3 GHz và (b) 8.6 GHz, trong trƣờng 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 trƣờng hợp phân cực TM 37 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 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 trƣờng hợp phân cực TE, (c) 4.3 GHz và (d) 8.6 GHz trong trƣờng hợp phân cực TM (e) Phân bố năng lƣợng tổn hao tại các tần số hấp thụ 39 Mô hình mạch điện tƣơng đƣơng cho cộng hƣởng cơ bản của MPA 40 Mô hình mạch điện tƣơng đƣơng trƣờng hợp cộng hƣởng bậc cao 41 vii 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 ngƣời, 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 đƣợc quan tâm nghiên cứu, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) là một vật liệu nhân tạo mới và thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới Ƣu điểm lớn nhất của ứng dụng MMs là việc tính toán và mô phỏng đƣợc các cấu trúc cho những mục đích ứng dụng trƣớc khi chế tạo MMs có các đặc tính điện từ và quang học vƣợt trội, cho phép điều khiển sóng điện từ ở kích thƣớc ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bƣớc sóng hoạt động Độ điện thẩm và từ thẩm của MMs có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách thiết kế các kích thƣớc hình học và lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp Do đó, MMs đƣợc 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 lƣợng, y tế và cảm biến độ nhạy cao v.v Bằng cách thay đổi kích thƣớc hình học, MMs có thể đƣợc thiết kế để hoạt động ở nhiều vùng bƣớc 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 nhƣ: chiết suất âm [21, 38], hiệu ứng Cherenkov và Doppler ngƣợc [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 đƣợc tập trung nghiên cứu mạnh mẽ do những tính chất ƣu việt của nó Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ MPAs đƣợc đề xuất và chế tạo đầu tiên bởi Landy vào năm 2008 có cấu trúc 1