(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Điều Khiển Đặc Tính Hấp Thụ Sóng Điện Từ Của Vật Liệu Biến Hóa (Metamaterials)

Trong chà đß hÃp thā, các kÃt quÁ mô phång căa a hË sç phÁn x¿ phân căc đéng trāc và phân căc vuông góc; b hÃp thā đçi vái MM tích hÿp å điËn áp phân căc 0 V và c-d các tham sç t°¢ng ąng

VÀ ĐÀO TẠO KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà VN VIàN HÀN LÂM

HÞC VIàN KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà VN VIàN HÀN LÂM HÞC VIàN KHOA HÞC VÀ CÔNG NGHà

Nguyßn Vân Ngßc

NGHIÊN CỨU ĐIÀU KHIỂN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIàN TỪ

CỦA VẬT LIàU BI¾N HÓA (METAMATERIALS)

NG¯âI H¯àNG DÀN KHOA HâC:

1 TS BÙI S¡N TÙNG

2 TS BÙI XUÂN KHUYÂN

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đÅ tài nghiên cąu trong luÃn vn này là công trình nghiên cąu căa tôi dăa trên nhāng tài liËu, sç liËu do chính tôi tă tìm hiÇu và nghiên cąu d°ái să h°áng dÁn căa TS Bùi S¢n Tùng và TS Bùi Xuân KhuyÃn Chính vì vÃy, các kÃt quÁ nghiên cąu đÁm bÁo trung thăc và khách quan Đéng thãi, kÃt quÁ này ch°a tćng xuÃt hiËn trong bÃt cą mßt nghiên cąu nào Các sç liËu, kÃt quÁ nêu trong luÃn vn là trung thăc nÃu sai tôi hoàn cháu trách nhiËm

HâC VIÊN

NGUYÈN VÂN NGâC

LỜI CẢM ƠN

Tr°ác tiên, tôi xin gÿi lãi cÁm ¢n chân thành và sâu sÅc nhÃt tái TS Bùi S¢n Tùng và TS Bùi Xuân KhuyÃn Các thÅy đã dành thãi gian, tâm huyÃt, luôn tÃn tình h°áng dÁn, đánh h°áng káp thãi và t¿o điÅu kiËn thuÃn lÿi nhÃt đÇ tôi hoàn thành luÃn vn này

Tôi xin chân thành cÁm ¢n các thÅy cô và cán bß t¿i Hãc ViËn Khoa hãc và Công nghË đã giÁng d¿y, trang bá nhāng kiÃn thąc quý báu và t¿o điÅu kiËn thuÃn lÿi cho tôi trong suçt quá trình hãc tÃp nghiên cąu

Tôi xin bày tå lòng biÃt ¢n sâu sÅc đÃn các thÅy cô, anh, chá trong nhóm nghiên cąu Metagroup – IMS căa GS TS Vũ Đình Lãm đã hÃt lòng giúp đỡ, chia s¿ và đßng viên tinh thÅn trong suçt thãi gian tôi làm luÃn vn

Tôi cũng xin gÿi lãi cÁm ¢n chân thành đÃn gia đình, ng°ãi thân đã luôn giúp đỡ, đßng viên, t¿o điÅu kiËn tçt nhÃt đÇ tôi hoàn thành luÃn vn này

Cuçi cùng, tôi xin gÿi lãi cÁm ¢n đÃn anh NguyÉn Vn ViËt, ng°ãi đã luôn bên c¿nh và ăng hß tôi trong suçt quá trình hãc tÃp và hoàn thiËn luÃn vn này

HâC VIÊN

NGUYÈN VÂN NGâC

MỤC LỤC

DANH MĀC CÁC KÝ HIÊU VÀ CHĀ VIÂT TÄT 1

DANH MĀC CÁC BÀNG BIÆU 3

DANH MĀC CÁC HÌNH VÀ VÀ Đè THà 4

Mä ĐÄU 7

CH¯¡NG 1 TêNG QUAN 9

1.1 C¡ Sä LÝ THUYÂT CĂA VÂT LIÊU BIÂN HÓA 9

1.1.1 Khái niệm 9

1.1.2 Lßch sử hình thành 11

1.1.3 Một số hướng nghiên cāu chính về vÁt liệu bi¿n hóa trong nước

13

1.2 VÂT LIÊU BIÂN HÓA HÂP THĀ SÓNG ĐIÊN TĆ 18

1.2.1 Cơ ch¿ hấp thụ dựa trên lý thuy¿t giao thoa 18

1.2.2 Cơ ch¿ hấp thụ dựa trên lý thuy¿t môi trường hiệu dụng 20

1.3 ĄNG DĀNG CĂA VÂT LIÊU BIÂN HÓA HÂP THĀ SÓNG ĐIÊN TĆ 21

1.3.1 Āng dụng cÿa MA trong cÁm bi¿n 21

1.3.2 Āng dụng cÿa MA trong pin mặt trời 23

CH¯¡NG 2 PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĄU 25

2.1 PH¯¡NG PHÁP MÔ PHäNG 25

2.2 PH¯¡NG PHÁP TÍNH TOÁN 28

2.3 PH¯¡NG PHÁP THĂC NGHIÊM 29

2.3.1 Phương pháp ch¿ t¿o 29

2.3.2 Phương pháp đo đ¿c 30

CH¯¡NG 3 KÂT QUÀ VÀ THÀO LUÂN 32

3.1 ĐIÄU KHIÆN ĐÀC TÍNH HÂP THĀ BÆNG THAM Sæ CÂU TRÚC 32 3.1.1 MA ho¿t động trong vùng GHz (5 – 10 GHz) 32

3.1.2 MA ho¿t động trong vùng THz (15 – 18 THz) 39

3.2 ĐIÄU KHIÆN ĐÀC TÍNH HÂP THĀ BÆNG SĂ ĐàNH H¯àNG VÀ PHÂN CĂC CĂA SÓNG ĐIÊN TĆ 41

3.2.1 Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc tới cÿa sóng điện từ 41

3.2.2 Điều khiển đặc tính hấp thụ bằng góc phân cực cÿa sóng điện từ 45

3.3 ĐIÄU KHIÆN ĐÀC TÍNH HÂP THĀ BÆNG ĐIÊN ÁP NGOÀI 47

KÂT LUÂN VÀ KIÂN NGHà 61

K¾T LUÀN 61

KI¾N NGHÞ 62

DANH MĀC CÁC CÔNG TRÌNH CĂA TÁC GIÀ 63

TÀI LIÊU THAM KHÀO 64

DANH M ỤC CÁC KÝ HIàU VÀ CHþ VI¾T T¾T

Electromagnetically Induced

Transparency

EIT TruyÅn qua cÁm ąng điËn tć

Finite Intergrate Technique FIT Kỹ thuÃt tích phân hāu h¿n Fractional band width FBW Đß rßng dÁi tÅn

Frequency Domain Solver FDS GiÁi theo miÅn tÅn sç

Full width at half maximum FWHM Đß bán rßng

Metamaterial Absorber MA VÃt liËu biÃn hóa hÃp thā Microelectromechanical

System

MEMS HË vi c¢ điËn tÿ

Multi input / Multi output MIMO TruyÅn thông đa h°áng

Permittivity ɛ Đß điËn th¿m

Polarization Conversion PC ChuyÇn đëi phân căc

Printed Circuit Board PCB BÁng m¿ch in

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

BÁng 1 Tham sç cÃu trúc căa MA1 32 BÁng 2 Tham sç cÃu trúc căa MA2 42BÁng 3 Thông sç m¿ch hiËu dāng cho đi-çt biÃn dung SMV2019-079LF 50

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 CÃu trúc mßt ô c¢ så c¢ bÁn căa vÃt liËu biÃn hóa 9

Hình 1.2 GiÁn đé biÇu diÉn mçi quan hË giāa ɛ và μ 10

Hình 1.3 (a) CÃu trúc vÃt liËu chiÃt suÃt âm; (b) Phë phÁn x¿ và truyÅn qua căa vÃt liËu chiÃt suÃt âm [6] 12

Hình 1.4.(a) CÃu trúc MA đ°ÿc N I Landy đÅ xuÃt nm 2008; (b) Phë hÃp thā, truyÅn qua và phÁn x¿ [10] 13

Hình 1.5 Siêu thÃu kính [12] 14

Hình 1.6 ThiÃt kà và chà t¿o vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā (a) MÁt cÅt ngang căa ô c¢ så vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā IR bao gém mßt dÁi Au dày 50 nm trên màng Au dày đ°ÿc ngn cách båi mßt láp MgF2 dày 30 nm (b) Ành chāp siêu vÃt liËu đ°ÿc chà t¿o có tëng diËn tích 26 × 26 mm2 và (c) Ành SEM (d) ThiÃt lÃp phép đo phÁn x¿ FT-IR bÇng cách thay đëi góc tái θ [13] 15

Hình 1.7 (a) Hình Ánh s¢ đé căa thiÃt bá tích hÿp MEMS Hình Ánh cÃn cÁnh (phía d°ái bên phÁi) cho thÃy ba láp chéng lên nhau căa tÃm SOI (b) CÃu trúc ô c¢ så căa vÃt liËu biÃn hóa EIT, bao gém mßt dây bá cÅt và mßt cÁp dây bá cÅt [13] 16

Hình 1.8 Mô tÁ să chuyÇn đëi phân căc bÃt đçi xąng căa vÃt liËu biÃn hóa lai siêu mång Ánh sáng phân căc tuyÃn tính đçi vái să lan truyÅn tái và lui có thÇ đ°ÿc biÃn đëi thành phân căc vuông góc và phÁn x¿ mßt cách hiËu quÁ t°¢ng ąng [28] 17

Hình 1.9 Mô hình giao thoa triËt tiêu 19

Hình 1.10 (a) S¢ đé căa bçn lo¿i vÃt liËu biÃn hóa đ*a tách (SDM) LÅn l°ÿt là (i) SDM 1, (ii) SDM-2, (iii) SDM-3 và (iv) SDM-4 (b) MÁt cÅt ngang căa SDM [49] 22

Hình 1.11 (a) CÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa tích hÿp trong pin mÁt trãi (b) KÃt quÁ mô phång căa cÃu trúc [50] 24

Hình 2.1 PhÅn mÅm mô phång CST 25

Hình 2.2 Giao diËn phÅn mÅm CST 27

Hình 2.3 Quy trình chà t¿o mÁu sÿ dāng ph°¢ng pháp quang khÅc 29

Hình 2.4 HË thiÃt bá quang khÅc dùng trong chà t¿o vÃt liËu biÃn hóa t¿i ViËn Khoa hãc vÃt liËu 29

Hình 2.5 HË thiÃt bá Vector Network Analyzer t¿i ViËn Khoa hãc vÃt liËu 31

Hình 3.1 CÃu trúc ô c¢ så căa MA1 (a) CÃu trúc dÃu cßng, (b) cÃu trúc vòng cßng h°ång và (c) cÃu trúc MA1 kÃt hÿp tć 2 cÃu trúc trên 33

Hình 3.2 Đß hÃp thā căa MA có cÃu trúc (a) dÃu cßng, (b) vòng cßng h°ång và (c) kÃt hÿp cÁ 2 cÃu trúc trên (MA1) 34

Hình 3.3 Să thay đëi đß hÃp thā căa MA1 khi thay đëi khoÁng cách d 35

Hình 3.4 Phân bç dòng bÅ mÁt trên cÃu trúc MA1 t¿i tÅn sç (a) 6,8 GHz; (b) 8,4

GHz và (c) 8,8 GHz 36

Hình 3.5 Să phā thußc căa phë hÃp thā vào góc tái (khi d = 1 mm) 37

Hình 3.6 Să biÃn đëi căa phë hÃp thā khi (d = 0,5 mm) góc tái thay đëi 38

Hình 3.7 CÃu trúc ô c¢ så căa MA2 39

Hình 3.8 Să phā thußc căa phë hÃp thā MA2 vào khoÁng cách d 40

Hình 3.9 Phân bç điËn tr°ãng t¿i các tÅn sç hÃp thā (a) 15,9 THz và (b) 16,7 THz 41

Hình 3.10 CÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć MA3 42

Hình 3.11 Ành h°ång căa góc tái lên phë hÃp thā căa MA3 43

Hình 3.12 Phë hÃp thā căa MA3 khi phân căc sóng điËn tć thay đëi 46

Hình 3.13 ThiÃt kà căa ô đ¢n vá đ°ÿc đÅ xuÃt vái các tham sç tçi °u L = 29,5; a = 27; b = 12; d = 5; s = 1,2; m = 0,5; h = 0,5; t = 1,2 và tm = 0,035 mm (b) CÃu hình đo t°¢ng ąng bÇng cách sÿ dāng Máy phân tích m¿ng vect¢ ZNB20 (1 – 18 GHz) 49

Hình 3.14 Trong chà đß hÃp thā, các kÃt quÁ mô phång căa (a) hË sç phÁn x¿ phân căc đéng trāc và phân căc vuông góc; (b) hÃp thā đçi vái MM tích hÿp å điËn áp phân căc 0 V và (c)-(d) các tham sç t°¢ng ąng căa cÃu trúc MM t°¢ng đ°¢ng vái hai rãnh cÅt trên bÅ mÁt 52

Hình 3.15 Trong chà đß PC, (a) mô phång hË sç phÁn x¿ Rvu và Ruu; (b) PCR cho MM lai å điËn áp phân căc ng°ÿc -19 V KÃt quÁ mô phång và thăc nghiËm (c)Rvu, Ruu và (d) PCR căa cÃu trúc MM t°¢ng đ°¢ng vái 3 rãnh cÅt trên bÅ mÁt 53

Hình 3.16 KÃt quÁ mô phång să phā thußc căa (a) hË sç phÁn x¿ phân căc đéng trāc Ruu và phân căc vuông góc Rvu; (b) PCR t°¢ng ąng căa MM tích hÿp khi điËn áp phân căc thay đëi tć 0 V đÃn -19 V KÃt quÁ thăc nghiËm căa (c) hË sç phÁn x¿ và (d) PCR å điËn áp phân căc ng°ÿc 0 V và -4 V 54

Hình 3.17 (a) S¢ đé căa chuyÇn đëi phân căc y sang x (b) Đß lán căa hË sç phÁn x¿ u và v Các pha phÁn x¿ căa hË sç phÁn x¿ (c) phân căc đéng trāc và (d) phân căc vuông góc khi vector điËn căa sóng điËn tć tái dãc theo trāc u và v 56

Hình 3.18 Să phân bç căa dòng điËn cÁm ąng bÅ mÁt t¿i các láp trên và d°ái å các tÅn sç cßng h°ång là (a) 3,5 GHz; (b) 5,5 GHz trong tr°ãng hÿp chà đß hÃp thā (không có điËn áp phân căc) và (c) 4 GHz cho chà đß PC (å điËn áp phân căc -19 V) 57

Hình 3.19 Phân bç mÃt đß tën hao t¿i (a) 3,5 GHz;(b) 5,5 GHz trong chà đß hÃp thā (không có điËn áp phân căc) và (d) 4 GHz cho chà đß PC (điËn áp phân căc căa -19 V) 58

Hình 3.20 KhÁo sát thêm trong ph¿m vi THz đçi vái (a) chà đß hÃp thā bÇng cách

sÿ dāng cÃu trúc MM đÅ xuÃt đã giÁm kích th°ác và (b) PC bÇng cách sÿ dāng

MM cÁi tiÃn vái kích th°ác nhå h¢n 59

M Ở ĐẦU

Tć vÃt lý và hóa hãc c¢ bÁn, chúng ta biÃt rÇng mãi vÃt chÃt đÅu đ°ÿc cÃu thành tć các nguyên tÿ và phân tÿ Các nguyên tÿ và thành phÅn t¿o thành quyÃt đánh tính chÃt vÃt lý căa vÃt chÃt, bao gém cÁ các đÁc tính quang hãc TrÁi qua hàng nghìn nm, con ng°ãi đã nghiên cąu các vÃt liËu khác nhau đÇ sÿ dāng trong nhiÅu ąng dāng tć kiÃn trúc, giao thông vÃn tÁi, y hãc đÃn điËn tÿ, quang hãc và khám phá không gian Cuçi cùng giai đo¿n mà các vÃt liËu s¿n có trong tă nhiên không còn đă khÁ nng đáp ąng các ąng dāng khoa hãc và công nghË cũng đã đÃn Do đó, să xuÃt hiËn căa vÃt liËu biÃn hóa (Metamaterial – MM) cung cÃp mßt giÁi pháp khÁ thi cho nhāng vÃn đÅ này

MM là vÃt liËu nhân t¿o đóng vai trò rÃt quan trãng trong l*nh văc khoa hãc

kỹ thuÃt ngày nay MM đ°ÿc thiÃt kà hÿp lý tć nhāng <giÁ nguyên tÿ= (cÃu trúc cßng h°ång) có kích th°ác nhå h¢n nhiÅu lÅn so vái b°ác sóng ho¿t đßng nhÇm thÇ hiËn các đÁc tính khác l¿ không xuÃt hiËn tć các nguyên tç cÃu thành nên chúng Vái kích th°ác rÃt nhå, MM có cách thąc t°¢ng tác vái sóng điËn tć hoàn toàn khác so vái các vÃt liËu thông th°ãng Vì vÃy, lý thuyÃt môi tr°ãng hiËu dāng đ°ÿc sÿ dāng đÇ xem xét mçi t°¢ng quan này Nhã đó, đÁc tính căa MM cũng đ°ÿc thÇ hiËn qua đß điËn th¿m và đß tć th¿m hiËu dāng L°u ý rÇng, hai thông

sç này căa MM hoàn toàn có thÇ điÅu chßnh linh ho¿t bÇng cách thay đëi các tham

sç cÃu trúc căa ô c¢ så Nhã vÃy, các tính chÃt khác l¿ nh° đÁo ng°ÿc đánh luÃt Snell, chiÃt suÃt âm, hÃp thā tuyËt đçi sóng điËn tć hay nghách đÁo hiËu ąng Doppler có thÇ đ¿t đ°ÿc mßt cách dÉ dàng nhÇm phāc vā cho các ąng dāng thăc

tÃ

Vái nhāng đÁc tính nëi trßi và các ąng dāng tuyËt vãi căa các MM mà trong

đó đÁc biËt phÁi kÇ đÃn là vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć (Metamaterial Absorber – MA) đang thu hút să quan tâm nghiên cąu căa rÃt nhiÅu các nhà khoa hãc trong và ngoài n°ác MÁc dù vÃy, viËc tìm ra cÃu trúc vÃt liËu cho đß hÃp thā tçi °u, khÁ nng điÅu khiÇn đ°ÿc các đÁc tính điËn tć trong vùng tÅn sç tć GHz đÃn THz hiËn vÁn là thách thąc mà các nhà nghiên cąu cÅn phÁi triÇn khai trên cÁ

ph°¢ng diËn lý thuyÃt và thăc nghiËm ĐiÅu này khiÃn cho các ąng dāng sÿ dāng

MM nh° bß lãc tÅn sç hay cÁm biÃn đa chąc nng còn đang bá h¿n chÃ

Do đó, māc tiêu nghiên cąu căa luÃn vn h°áng đÃn khÁ nng điÅu khiÇn các đÁc tính hÃp thā căa MM nh° tÅn sç và biên đß trong vùng tÅn sç GHz đÇ đáp ąng các nhu cÅu cÃp thiÃt vÅ ąng dāng trong quân să, dân să và chm sóc sąc khåe Cā thÇ, luÃn vn cÅn đ¿t đ°ÿc các kÃt quÁ:

- ĐÅ xuÃt cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć ho¿t đßng trong vùng GHz và THz

- KhÁo sát và nghiên cąu cách thąc điÅu khiÇn tÅn sç và biên đß hÃp thā căa vÃt liËu biÃn hóa theo các yÃu tç: tham sç cÃu trúc, góc tái căa sóng điËn

tć, să phân căc căa sóng điËn tć và tác đßng ngo¿i vi

Nßi dung luÃn vn bao gém 4 phÅn:

Ch°¢ng 1 TêNG QUAN

Trình bày lý thuyÃt c¢ bÁn vÅ vÃt liËu biÃn hóa nói chung và vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā tuyËt đçi sóng điËn tć nói riêng Các ąng dāng và các ph°¢ng pháp điÅu khiÇn tÅn sç và biên đß hÃp thā sóng điËn tć căa MA Ch°¢ng 2 PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĄU

Giái thiËu các ph°¢ng pháp nghiên cąu đ°ÿc sÿ dāng trong luÃn vn bao gém ph°¢ng pháp tính toán, mô phång và thăc nghiËm

Ch°¢ng 3 KÂT QUÀ VÀ THÀO LUÂN

Trình bày các kÃt quÁ đã đ¿t đ°ÿc trong quá trình nghiên cąu

KÂT LUÂN VÀ KIÂN NGHà

Đ°a ra kÃt luÃn và kiÃn nghá vÅ h°áng nghiên cąu trong t°¢ng lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 CƠ SỞ LÝ THUY¾T CỦA VẬT LIàU BI¾N HÓA

1.1.1 Khái niệm

Tính chÃt căa vÃt liËu d¿ng khçi vÅ c¢ bÁn đ°ÿc xác đánh båi các nguyên

tç và các liên kÃt hóa hãc trong vÃt liËu Con ng°ãi ch°a bao giã ngćng tìm hiÇu nhÇm kiÇm soát các đÁc tính căa vÃt chÃt Ví dā, h¢n 3000 nm tr°ác, të tiên căa chúng ta đã biÃt cách tëng hÿp hÿp kim đÇ cÁi thiËn tính chÃt c¢ hãc căa kim lo¿i

Đß dÁn điËn căa silicon có thÇ cao h¢n vái mąc đß pha t¿p nhẹ, đÁt nÅn tÁng cho toàn bß ngành công nghiËp bán dÁn hình thành vào khoÁng nm 1960 Khoa hãc

và công nghË nano gÅn đây nghiên cąu tính chÃt điËn, quang, nhiËt và c¢ hãc căa các vÃt liËu tć cÃp đß nguyên tÿ hay phân tÿ TÃt cÁ nhāng nỗ lăc này đã må rßng đáng kÇ ph¿m vi vÃt liËu mà con ng°ãi có thÇ tiÃp cÃn

Hình 1.1 Cấu trúc một ô cơ sở cơ bÁn cÿa vÁt liệu bi¿n hóa

Trong nhāng thÃp kỷ tr°ác, MM đã xuÃt hiËn và må ra mßt h°áng đi hoàn toàn mái nhÇm nâng cao khÁ nng thiÃt kà vÃt liËu vái các tính chÃt mong muçn căa con ng°ãi [1] Khác vái các ví dā đã nói å trên, tính chÃt vÃt lý căa MM ít phā thußc vào các đÁc tính nßi t¿i căa các thành phÅn t¿o thành mà nó đ°ÿc quyÃt đánh båi các cÃu trúc t¿o nên MM Các cÃu trúc nhân t¿o này có chąc nng nh° các nguyên tÿ và phân tÿ trong vÃt liËu truyÅn thçng Thông qua các t°¢ng tác vái sóng điËn tć, chúng có thÇ t¿o ra các đÁc tính vÃt lý thú vá không có trong các vÃt liËu tëng hÿp hóa hãc hay tă nhiên

Trong điËn tć hãc, đß điËn th¿m �㔀 và đß tć th¿m �㔇 là hai thông sç c¢ bÁn đÁc tr°ng cho tính chÃt điËn tć căa mßt môi tr°ãng VÅ mÁt vÃt lý, đß điËn th¿m

và đß tć th¿m mô tÁ Ánh h°ång căa mßt tr°ãng điËn tć lên môi tr°ãng vÃt chÃt

Hình 1.2 GiÁn đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ɛ và μ

Hình 1.2 biÇu diÉn mßt giÁn đé cho phép phân lo¿i các vÃt liËu theo tham

sç điËn tć: đß điËn th¿m và đß tć th¿m Vùng I å góc phÅn t° phía trên bao gém các vÃt liËu có đéng thãi đß điËn th¿m và đß tć th¿m d°¢ng t°¢ng ąng vái hÅu

hÃt các vÃt liËu điËn môi Góc phÅn t° thą II bao gém kim lo¿i, vÃt liËu sÅt điËn

và chÃt bán dÁn đ°ÿc pha t¿p có thÇ biÇu hiËn đß điËn th¿m âm å các tÅn sç nhÃt đánh (d°ái tÅn sç plasma) Góc phÅn t° thą IV bao gém mßt sç vÃt liËu ferit có đß

tć th¿m âm, tuy nhiên, các đáp ąng tć tính căa chúng nhanh chóng biÃn mÃt trên vùng tÅn sç vi sóng Vùng thú vá nhÃt là góc phÅn t° thą III, trong đó đß điËn th¿m

và đß tć th¿m đéng thãi mang dÃu âm Lo¿i vÃt liËu này ch°a tćng đ°ÿc tìm thÃy trong tă nhiên

VÅ c¢ bÁn, să khúc x¿ căa sóng điËn tć t¿i mÁt phân cách giāa hai môi tr°ãng đ°ÿc mô tÁ båi đánh luÃt Snell: Ā�㕖Ā�㔃�㕖

Ā�㕖Ā�㔃�㕟 = Ā�㕟Ā�㕖, trong đó mçi liên hË giāa góc tái �㔃�㕖 và góc khúc x¿ �㔃ÿ phā thußc trăc tiÃp vào chiÃt suÃt Ā = :�㔀�㔇 Tuy nhiên,

să xuÃt hiËn căa MM đã thay đëi hoàn toàn quan điÇm này Trong đó, đß điËn th¿m và đß tć th¿m hiËu dāng căa vÃt liËu đ°ÿc điÅu khiÇn dÉ dàng bÇng cách thay đëi các tham sç cÃu trúc ĐiÅu này giúp cho MM có thÇ t¿o ra môi tr°ãng có chiÃt suÃt âm [1], đÁo ng°ÿc hiËu ąng Doppler [2] và phát x¿ Cherenkov [3] – nhāng đÁc tính không thÇ quan sát đ°ÿc tć các thành phÅn nguyên tç t¿o thành

1.1.2 Lßch sử hình thành

VÃt liËu biÃn hóa xuÃt hiËn lÅn đÅu tiên tć đÅ xuÃt căa Veselago vÅ să tén t¿i căa mßt lo¿i vÃt liËu có chiÃt suÃt âm dăa trên să kÃt hÿp đéng thãi căa vÃt liËu có đß điËn th¿m và đß tć th¿m âm vào nm 1968 [1] Nh° đã đÅ cÃp å trên, lo¿i vÃt liËu này ch°a tćng đ°ÿc tìm thÃy trong tă nhiên, vì vÃy, lý thuyÃt này đã đąng tr°ác să ngã văc căa mãi ng°ãi trong thãi gian dài sau đó PhÁi mãi đÃn gÅn 30 nm sau, khi Pendry và cßng să đ°a ra mô hình l°ái dây kim lo¿i nhÇm h¿ thÃp tÅn sç plasma vÅ vùng GHz vào nm 1996 [4], đÅ xuÃt căa Veselago mái l¿i nhÃn đ°ÿc să quan tâm căa giái nghiên cąu Nhã vÃy, chß sau mßt thãi gian ngÅn, vào nm 1999, Pendry và cßng să l¿i tiÃp tāc đ°a ra mô hình vÅ vÃt liËu có đß tć th¿m âm dăa trên cÃu trúc vòng cßng h°ång có rãnh (Split-Ring Resonant – SRR) cũng trong vùng tÅn sç GHz [5] Hai mô hình này đã må ra khÁ nng đ°a vÃt liËu

có chiÃt suÃt âm đÃn gÅn h¢n vái thăc tiÉn ĐiÅu này đ°ÿc chąng minh rÃt nhanh sau đó vào nm 2000, Smith và cßng să đã lÅn đÅu tiên chąng minh bÇng thăc

nghiËm vÅ să tén t¿i căa vÃt liËu có chiÃt suÃt âm [6] CÃu trúc đ°ÿc kÃt hÿp båi các SRR và l°ái dây kim lo¿i sÅp xÃp tuÅn hoàn nh° mô tÁ trong Hình 1.3

Hình 1.3 (a) Cấu trúc vÁt liệu chi¿t suất âm; (b) Phổ phÁn x¿ và truyền qua

cÿa vÁt liệu chi¿t suất âm [6]

Cùng nm đó, Pendry cũng chß ra rÇng vÃt liËu biÃn hóa có chiÃt suÃt âm có khÁ nng ąng dāng trong chà t¿o siêu thÃu kính [7] ĐiÅu này cũng đã đ°ÿc kiÇm chąng bÇng thăc nghiËm vào nm 2005 båi nhóm căa Zhang cùng các cßng să [8] Ngay sau đó, tr°ác să ng¿c nhiên căa cßng đéng nghiên cąu, Pendry đ°a ra

mô hình và chąng minh bÇng thăc nghiËm vÅ să tén t¿i căa láp vå tàng hình sóng điËn tć bÇng vÃt liËu biÃn hóa ho¿t đßng å vùng tÅn sç GHz vào nm 2006 [9] Tr°ác să phát triÇn nhanh chóng căa vÃt liËu biÃn hóa, các ąng dāng khác nhau liên tiÃp đ°ÿc đÅ xuÃt nghiên cąu Đáng chú ý phÁi kÇ đÃn vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć (MA) đ°ÿc N I Landy đÅ xuÃt nm 2008 [10] CÃu trúc đ°ÿc

biÇu diÉn trong Hình 1.4 bao gém vòng cßng h°ång kép và thanh kim lo¿i t°¢ng ąng å hai mÁt tr°ác và sau, cùng vái láp điËn môi å giāa

Hình 1.4.(a) Cấu trúc MA được N I Landy đề xuất năm 2008; (b) Phổ hấp

thụ, truyền qua và phÁn x¿ [10]

1.1.3 Một số hướng nghiên cāu chính về v¿t liệu bi¿n hóa trong nước

a VÁt liệu bi¿n hóa có chi¿t suất âm

Đ°ÿc đÅ xuÃt và nghiên cąu đÅu tiên là vÃt liËu biÃn hóa có chiÃt suÃt âm Vái nhāng đÁc tính khác th°ãng nh° đÁo ng°ÿc hiËu ąng Doppler [2], phát x¿ Cherenkov [3] hay nghách đÁo đánh luÃt Snell [11], vÃt liËu biÃn hóa có chiÃt suÃt

âm nhÃn đ°ÿc să quan tâm đÁc biËt sau công bç lÅn đÅu tiên căa Veselago Să kÃt hÿp đß tć th¿m và đß điËn th¿m cùng âm trên mßt dÁi tÅn sç t¿o ra vÃt liËu có

chiÃt suÃt âm vái 3 vect¢ căa sóng điËn tć E, H, k tuân theo quy tÅc bàn tay trái

ra đãi Nhāng tính chÃt kỳ diËu này hąa hẹn nhāng tiÅm nng ąng dāng nh° siêu thÃu kính [12]

Hình 1.5 Siêu thấu kính [12]

b VÁt liệu bi¿n hóa hấp thụ sóng điện từ

MA là vÃt liËu biÃn hóa có khÁ nng hÃp thā nng l°ÿng sóng điËn tć chiÃu tái bÅ mÁt vÃt liËu CÃu thành tć các cÃu trúc cßng h°ång điËn tć nên MA ho¿t đßng dăa trên nguyên lý hÃp thā cßng h°ång H°áng nghiên cąu hiËn đang đ°ÿc các nhà khoa hãc quan tâm là thiÃt kà MA có cÃu trúc đ¢n giÁn và dÉ dàng trong chà t¿o

MA må ra rÃt nhiÅu h°áng nghiên cąu vái các ąng dāng tiÅm nng nh° cÁm biÃn [14], ąng dāng trong pin mÁt trãi hiËu suÃt cao [15] hay tàng hình Ánh nhiËt trong l*nh văc quçc phòng [16] ĐÇ hiËn thăc hóa nhāng ąng dāng này, bên c¿nh viËc tìm kiÃm các cÃu trúc tçi °u, cách thąc điÅu khiÇn đÁc tính hÃp thā căa

MA cũng rÃt đ°ÿc quan tâm [17]

Hình 1.6 Thi¿t k¿ và ch¿ t¿o vÁt liệu bi¿n hóa hấp thụ (a) Mặt cắt ngang cÿa

ô cơ sở vÁt liệu bi¿n hóa hấp thụ IR bao gồm một dÁi Au dày 50 nm trên màng

Au dày được ngăn cách bởi một lớp MgF 2 dày 30 nm (b) Ành chụp siêu vÁt liệu được ch¿ t¿o có tổng diện tích 26 × 26 mm 2 và (c) Ành SEM (d) Thi¿t

lÁp phép đo phÁn x¿ FT-IR bằng cách thay đổi góc tới θ [13]

c VÁt liệu bi¿n hóa có hiệu āng truyền qua cÁm āng điện từ

HiËu ąng truyÅn qua cÁm ąng điËn tć (Electromagnetically Induced Transparency – EIT) là mßt hiËn t°ÿng l°ÿng tÿ liên quan đÃn să triËt tiêu giao thoa trong các hË nguyên tÿ [18, 19] Nhã hiËn t°ÿng này, môi tr°ãng hÃp thā có thÇ chuyÇn thành môi tr°ãng <trong suçt= Xung quanh vùng này, môi tr°ãng bá phân tán m¿nh và đßnh truyÅn qua thu đ°ÿc hË sç ph¿m chÃt cao Do đó, hiËu ąng EIT có nhiÅu ąng dāng hąa hẹn nh° thiÃt bá l°u trā nng l°ÿng [20], cÁm biÃn [21] và bß lãc [22] Tuy nhiên, EIT l°ÿng tÿ yêu cÅu các điÅu kiËn khó khn bao gém laser c°ãng đß cao và nhiËt đß làm l¿nh thÃp ĐiÅu này h¿n chà các ąng dāng căa chúng trong thăc tà GÅn đây, các nhà nghiên cąu đã chß ra rÇng hiËu ąng EIT

có thÇ đ°ÿc bÅt ch°ác trong các hË cë điÇn nh° bß dao đßng c¢ [23] và điËn tć [24] Mßt trong nhāng h°áng nghiên cąu thu đ°ÿc nhiÅu să quan tâm là phát triÇn

vÃt liËu biÃn hóa có hiËu ąng truyÅn qua cÁm ąng điËn tć EIT-MM cũng thu hút

să quan tâm đáng kÇ båi thiÃt kà đ¢n giÁn căa nó so vái các hË l°ÿng tÿ truyÅn thçng [25]

Hình 1.7 (a) Hình Ánh sơ đồ cÿa thi¿t bß tích hợp MEMS Hình Ánh cÁn cÁnh (phía dưới bên phÁi) cho thấy ba lớp chồng lên nhau cÿa tấm SOI (b) Cấu trúc ô cơ sở cÿa vÁt liệu bi¿n hóa EIT, bao gồm một dây bß cắt và một cặp dây

bß cắt [13]

d VÁt liệu bi¿n hóa có hiệu āng chuyển đổi phân cực cÿa sóng điện từ

HiËu ąng chuyÇn đëi phân căc có thÇ đ°ÿc áp dāng trong nhiÅu l*nh văc nh° ng-ten, điÅu h°áng du hành vũ trā và thông tin liên l¿c [26] Do đó, mßt bß chuyÇn đëi phân căc vÁn luôn là māc đích mà các nhà nghiên cąu h°áng đÃn đÇ điÅu khiÇn sóng EM Các ph°¢ng pháp truyÅn thçng th°ãng sÿ dāng tính chÃt

quang căa tinh thÇ vái hiËu ąng l°ỡng chiÃt luôn gÁp phÁi nh°ÿc điÇm là dÁi tÅn đáp ąng yêu cÅu hẹp và khó khn trong viËc tích hÿp vào các hË quang Tuy nhiên,

să xuÃt hiËn căa vÃt liËu biÃn hóa đã må ra mßt ph°¢ng pháp mái đÇ điÅu khiÇn tr¿ng thái phân căc vái lÿi thà siêu mång và thu đ°ÿc hiËu ąng mong muçn trong dÁi tÅn sç rßng [27]

Hình 1.8 Mô tÁ sự chuyển đổi phân cực bất đối xāng cÿa vÁt liệu bi¿n hóa lai siêu mỏng Ánh sáng phân cực tuy¿n tính đối với sự lan truyền tới và lui có thể được bi¿n đổi thành phân cực vuông góc và phÁn x¿ một cách hiệu quÁ tương

có các chiÃt suÃt khác nhau đçi vái sóng EM phân căc tròn phÁi và trái theo hai h°áng trăc giao [30] ĐiÅu này đóng vai trò quan trãng trong viËc đ°a chuyÇn đëi phân căc vào ąng dāng rßng rãi nh° quay phân căc [31, 32], chuyÇn đëi phân căc

thẳng sang tròn [33], và chuyÇn đëi tć phân căc tròn trái sang tròn phÁi hay ng°ÿc l¿i [34] Tuy nhiên, rÃt khó đÇ hai lo¿i cÃu trúc vÃt liËu này giā đ°ÿc hiËu suÃt chuyÇn đëi cao trong dÁi tÅn rßng Bên c¿nh đó, dÁi tÅn ho¿t đßng có thÇ đ°ÿc må rßng bÇng cách xÃp chéng nhiÅu láp các cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa đÇ đ¿t đ°ÿc cßng h°ång đ¢n trong mỗi láp å các tÅn sç lân cÃn Să kÃt hÿp căa nhāng cßng h°ång này t¿o ra mßt dÁi cßng h°ång rßng [35, 36] Tuy nhiên, ph°¢ng thąc này khiÃn cho cÃu trúc trå nên céng kÅnh h¢n và viËc vÃt liËu bao gém quá nhiÅu láp Ánh h°ång đÃn hiËu quÁ trong quá trình tích hÿp vào thiÃt bá và quy trình chà t¿o trå nên phąc t¿p Ngoài ra, mßt sç nghiên cąu cũng đã chß ra đÁc tính chuyÇn đëi phân căc thành cßng h°ång plasmon căa cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa luôn bá kích thích trên màng kim lo¿i vái các lỗ trçng [37] Do đó, các thiÃt bá này th°ãng có

đß truyÅn qua thÃp h¢n, ngh*a là hiËu suÃt thÃp trong chà đß truyÅn qua

1.2 VẬT LIàU BI¾N HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIàN TỪ

LÅn đÅu tiên đ°ÿc đÅ xuÃt và thăc nghiËm vào nm 2008, vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć có khÁ nng hÃp thā 88% nng l°ÿng sóng điËn tć chiÃu đÃn vái đß dày nhå h¢n 30 lÅn so vái b°ác sóng ho¿t đßng Kích th°ác này nhå h¢n rÃt nhiÅu lÅn so vái các cÃu trúc hÃp thā tćng đ°ÿc nghiên cąu nh° màn Salisbury hay bß hÃp thā Jaumann [38] So vái các vÃt liËu hÃp thā thông th°ãng, MA có kích th°ác mång h¢n nhiÅu lÅn b°ác sóng ho¿t đßng, có thÇ dÉ dàng lăa chãn tÅn

sç hÃp thā khi thiÃt kà và có khÁ nng hÃp thā cao h¢n Các kÃt quÁ nghiên cąu

vÅ vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć đã đ°ÿc công bç vái vùng tÅn sç ho¿t đßng trÁi dài tć MHz [39], GHz [40], THz [41] cho đÃn vùng héng ngo¿i [42, 43]

và quang hãc [44] MÁc dù vÃy, các cÃu trúc vÃt liËu tćng đ°ÿc đÅ xuÃt th°ãng khó có khÁ nng điÅu khiÇn đß hÃp thā cũng nh° tÅn sç hÃp thā mong muçn

Vì vÃy, luÃn vn đÅ xuÃt cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć có thÇ thay đëi linh ho¿t nhÇm điÅu khiÇn khÁ nng hÃp thā căa vÃt liËu mßt cách dÉ dàng

1.2.1 Cơ ch¿ hấp thụ dựa trên lý thuy¿t giao thoa

Hình 1.9 Mô hình giao thoa triệt tiêu.

Lý thuyÃt th°ãng đ°ÿc sÿ dāng đÇ giÁi thích c¢ chà hÃp thā trong vÃt liËu truyÅn thçng là lý thuyÃt giao thoa triËt tiêu Nh° đ°ÿc thÇ hiËn trong Hình 1.9, sóng điËn tć chiÃu tái mßt phÅn sÁ bá phÁn x¿ l¿i môi tr°ãng tái vái hË sç phÁn

x¿ Ā̃12(�㔔) = Ā12(�㔔)þ�㕖�㔑12(ÿ) và mßt phÅn đi vào bên trong vÃt liËu vái hË sç truyÅn qua ý̃12(�㔔) = ý12(�㔔)þ�㕖�㗳 12(ÿ) HÇng sç truyÅn sóng bên trong vÃt liËu là

�㗽 = �㗽1+ �㕖�㗽2 = √�㔀ýý0ý, trong đó k 0là sç sóng trong môi tr°ãng chân không,

d là đß dày láp điËn môi, �㗽1 thÇ hiËn pha căa thành phÅn truyÅn sóng, còn �㗽2đÁc tr°ng cho să hÃp thā bên trong láp điËn môi T¿i tÃm kim lo¿i phía sau xÁy

ra quá trình phÁn x¿ g°¢ng vái hË sç phÁn x¿ là -1, đéng thãi gây ra să trÉ pha

�㗽 Sau đó, să phÁn x¿ và truyÅn qua mßt phÅn xÁy ra mßt lÅn nāa å mÁt phân cách kim lo¿i đÇng tr°ác HË sç phÁn x¿ và truyÅn qua t¿i mÁt phân cách lúc này

Vái lý thuyÃt này, vÃt liËu hÃp thā truyÅn thçng th°ãng phÁi có đß dày tçi thiÇu bÇng 1 4⁄ b°ác sóng ho¿t đßng [38]

1.2.2 Cơ ch¿ hấp thụ dựa trên lý thuy¿t môi trường hiệu dụng

BÅt nguén tć cÃu trúc 3 láp do Landy và các cßng să đÅ xuÃt vào nm 2008, ngày nay, các cÃu trúc MA vÅ c¢ bÁn đÅu gém có 3 láp: láp cÃu trúc kim lo¿i đóng vai trò là cÃu trúc cßng h°ång å phía tr°ác đ°ÿc sÅp xÃp tuÅn hoàn Láp cÃu trúc này hoàn toàn có thÇ đ°ÿc điÇu chßnh phù hÿp đÇ vÃt liËu biÃn hóa thåa mãn điÅu kiËn phçi hÿp trå kháng vái môi tr°ãng sóng tái nhÇm triËt tiêu sóng phÁn x¿ ä giāa là láp điËn môi t¿o không gian tiêu tán sóng điËn tć Cuçi cùng là láp kim lo¿i liên tāc có tác dāng ngn chÁn să truyÅn qua căa sóng điËn tć còn sót l¿i Các kim lo¿i th°ãng đ°ÿc sÿ dāng trong vÃt liËu biÃn hóa là các kim lo¿i có đß dÁn điËn tçt nh° vàng, b¿c hay đéng

Ý t°ång căa vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć là dăa trên nguyên lý phçi hÿp trå kháng đÇ triËt tiêu thành phÅn phÁn x¿ khi sóng điËn tć chiÃu tái vÃt liËu Nng l°ÿng sóng điËn tć khi vào trong vÃt liËu sÁ bá hÃp thā båi láp cÃu trúc kim lo¿i do cßng h°ång tć cùng vái đß tën hao căa láp điËn môi Cuçi cùng, láp kim lo¿i liên tāc phía sau có vai trò triËt tiêu hoàn toàn thành phÅn truyÅn qua

Bên c¿nh đó, PGS TS NguyÉn Thanh Tùng t¿i ViËn Khoa hãc vÃt liËu cũng đã đÅ xuÃt mßt cách tiÃp cÃn khác cho phép triËt tiêu thành phÅn truyÅn qua

MA mà không cÅn tÃm kim lo¿i liên tāc ĐiÅu này đ°ÿc t¿o ra nhã vào să chéng chÃp căa cßng h°ång điËn và cßng h°ång tć [45] hoÁc să chéng chÃp căa hai cßng h°ång tć trong hiËu ąng lai hóa [46]

a Nguyên lý phối hợp trở kháng:

Trå kháng căa vÃt liËu đ°ÿc đánh ngh*a theo công thąc ý(�㔔) =

√�㔇(�㔔) �㔀(�㔔)⁄ = ýÿ + �㕖ý�㕖 Khi đ¿t đ°ÿc điÅu kiËn �㔇(�㔔) = �㔀(�㔔), nng l°ÿng điËn

tć tr°ãng căa sóng chiÃu tái sÁ hoàn toàn truyÅn qua mÁt phân cách giāa môi tr°ãng tái và vÃt liËu biÃn hóa HiËn t°ÿng này đ°ÿc gãi là hiËn t°ÿng phçi hÿp trå kháng giāa vÃt liËu vái môi tr°ãng truyÅn sóng Trong tr°ãng hÿp này,

ý(�㔔) = ý0(�㔔) = √�㔇0⁄ j 377 Ω khiÃn cho đß phÁn x¿ t¿i bÅ mÁt ý(�㔔) = 0 �㔀0

Vì vÃy, dăa trên nguyên lý này, hoàn toàn có thÇ thiÃt kà cÃu trúc cßng h°ång điËn tć căa vÃt liËu biÃn hóa sao cho phù hÿp vái trå kháng căa môi tr°ãng ho¿t đßng mßt cách dÉ dàng

b Nguyên lý cộng hưởng

Sau khi đi qua mÁt tiÃp xúc giāa môi tr°ãng và vÃt liËu nhã nguyên lý phçi hÿp trå kháng, nng l°ÿng điËn tć bá tiêu tán bên trong vÃt liËu phā thußc vào thành phÅn điËn và thành phÅn tć có thÇ đ°ÿc biÇu diÉn thông qua lý thuyÃt Poynting:

ÿ = ÿþ + ÿÿ = 12�㔖0�㔔Im�㔀(�㔔)|ý|2+12�㔇0Im�㔇(�㔔)|�㔻|2 (1.2) Xung quanh vá trí cßng h°ång, các cÃu trúc ô c¢ så t¿o ra môi tr°ãng có đß tën hao lán (d°ái d¿ng tën hao Ohmic và tën hao điËn môi) Do đó, sóng điËn tć

có thÇ bá <giam giā= và <tiêu tán= ngay khi truyÅn vào bên trong MA

1.3 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIàU BI¾N HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIàN

T Ừ

Să xuÃt hiËn căa MA må ra rÃt nhiÅu các ąng dāng trong t°¢ng lai nh°: cÁm biÃn, thiÃt bá dò bąc x¿, ąng dāng trong pin mÁt trãi hay khÁ nng tàng hình Ánh nhiËt trong l*nh văc quçc phòng

1.3.1 Āng dụng cÿa MA trong cảm bi¿n

CÁm biÃn dăa trên vÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć hąa hẹn trå thành nguén vÃt liËu rÃt tiÅm nng vái đß nh¿y và chÃt l°ÿng cao, giá thành r¿ và dÉ chà t¿o MA có thÇ đ°ÿc sÿ dāng đÇ nhÃn biÃt các thông sç vÃt lý nh° nhiËt đß, áp suÃt, mÃt đß cũng nh° đ°ÿc sÿ dāng đÇ xác đánh các đÁc tính điËn tć căa vÃt liËu CÁm biÃn dăa trên vÃt liËu biÃn hóa đang ngày càng trå nên phë biÃn båi các ąng dāng đa d¿ng căa chúng trong các l*nh văc nh° y sinh, công nghiËp hóa chÃt, kiÇm tra chÃt l°ÿng thăc ph¿m hay nông nghiËp [47, 48]

Hình 1.10 (a) Sơ đồ cÿa bốn lo¿i vÁt liệu bi¿n hóa đĩa tách (SDM) Lần lượt

là (i) SDM 1, (ii) SDM-2, (iii) SDM-3 và (iv) SDM- 4 (b) Mặt cắt ngang cÿa

SDM [49]

Hình 1.10 giái thiËu bçn cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa d¿ng đ*a tách có thÇ điÅu chßnh (Split-disk Metamaterial – SDM) bao gém mßt láp vàng (Au) å đ°ÿc đÁt trên đà Si và cÃu trúc nano SDM trên đßnh vái mßt, hai, ba và bçn phÅn tách đ°ÿc đÁt tên là SDM-1, SDM-2, SDM-3 và SDM-4, t°¢ng ąng BÇng cách điÅu chßnh cÃu trúc hình hãc, bçn SDM thÇ hiËn các cßng h°ång hÃp thā có thÇ điÅu chßnh khác nhau trÁi dài tć dÁi b°ác sóng 1,5 µm đÃn 5,0 µm Să cßng h°ång căa quang phë hÃp thā có thÇ đ°ÿc điÅu chßnh trong ph¿m vi 320 nm, và c°ãng đß hÃp thā giÁm khi tng các khoÁng trçng căa láp cách điËn không khí ĐÇ tng đß nh¿y căa các thiÃt bá đ°ÿc đÅ xuÃt, SDM thÇ hiËn đß nh¿y cao 3312 nm / RIU (đ¢n vá chiÃt suÃt, RIU), 3362 nm / RIU, 3342 nm / RIU và 3567 nm / RIU đçi vái SDM-1, SDM-2, SDM-3 và SDM-4, t°¢ng ąng HË sç t°¢ng quan cao nhÃt là 0,99999 Nghiên cąu này må ra khÁ nng phát triÇn các cÁm biÃn khí quang và cÁm biÃn sinh hãc vái đß nh¿y cao [49]

1.3.2 Āng dụng cÿa MA trong pin mặt trời

Tình tr¿ng nng l°ÿng hiËn nay đang phÁi đçi mÁt vái nhāng thách thąc phąc t¿p trong quá trình sÁn xuÃt và các vÃn đÅ vÅ môi tr°ãng Vái dân sç thà giái tiÃp tāc gia tng nhanh h¢n và quá trình toàn cÅu hóa, viËc sÁn xuÃt nng l°ÿng

bë sung là cÅn thiÃt đÇ đáp ąng nhu cÅu trong t°¢ng lai Nng l°ÿng mÁt trãi là mßt trong nhāng nguén nng l°ÿng bÅn vāng tçt nhÃt, đ°ÿc kỳ vãng sÁ đóng mßt vai trò quan trãng cho giÁi pháp này Mßt trong nhāng kỹ thuÃt tçt nhÃt đÇ khai thác nguén tài nguyên này là thông qua công nghË quang điËn mÁt trãi, sÁn xuÃt điËn trăc tiÃp tć bąc x¿ mÁt trãi Tuy nhiên, mßt trong nhāng vÃn đÅ vÁn còn tén t¿i là hiËu suÃt thÃp ĐÇ giÁi quyÃt vÃn đÅ này, công nghË vÃt liËu biÃn hóa đ°ÿc chú ý båi khÁ nng t¿o ra các thiÃt bá tiên tiÃn cho các ąng dāng khác nhau Công nghË pin mÁt trãi là mßt trong nhāng l*nh văc đ°ÿc h°ång lÿi tć công nghË này VÃt liËu biÃn hóa hÃp thā sóng điËn tć có thÇ đ°ÿc sÿ dāng trong pin mÁt trãi đÇ cÁi thiËn khÁ nng hÃp thā Cā thÇ, MA hÃp thā đa dÁi tÅn cho pin mÁt trãi hiËu suÃt cao thà hË mái đã đ°ÿc đÅ xuÃt ThiÃt kà cho khÁ nng hÃp thā gÅn nh° hoàn hÁo (99,94%) vái bng thông 23,4% trong quang phë khÁ kiÃn Ngoài ra, tính linh ho¿t trong thiÃt kà căa MA cũng đ°ÿc khai thác nhÇm giā cho đß hÃp thā không

bá Ánh h°ång båi góc phân căc và góc tái căa bąc x¿ điËn tć [15]

Mßt thiÃt kà cÃu trúc hÃp thā dăa trên vÃt liËu biÃn hóa ho¿t đßng trong vùng héng ngo¿i vái đßnh hÃp thā đ¿t 83,6% có thÇ kÃt hÿp các láp pin mÁt trãi ho¿t đßng å vùng héng ngo¿i bên trong cÃu trúc hÃp thā đÇ tng đáng kÇ hiËu suÃt pin mÁt trãi đ°ÿc đÅ xuÃt [50]

Hình 1.11 (a) Cấu trúc vÁt liệu bi¿n hóa tích hợp trong pin mặt trời (b) K¿t

quÁ mô phỏng cÿa cấu trúc [50]

Hình d¿ng căa thiÃt kà đ°ÿc thÇ hiËn trong Hình 1.11 Tr°ãng E căa ánh sáng phân căc tuyÃn tính đ°ÿc hiÇn thá bÇng mßt mũi tên màu đå PhÁn ąng căa môi tr°ãng đ°ÿc mô phång bÇng cách sÿ dāng phÅn mÅm th°¢ng m¿i Các thông

sç tán x¿ phąc và biÇu đé căa đß truyÅn qua (|S21|), phÁn x¿ (|S11|), và dā liËu vÅ

đß hÃp thā (A), đ°ÿc biÇu thá trong Hình 1.11(b) KÃt quÁ thu đ°ÿc đßnh đß hÃp thā đ¿t 83,6% å 184,2 THz (1628 nm) CÃu trúc SRR đ°ÿc sÿ dāng trong mô phång này đ°ÿc chà t¿o thông qua kỹ thuÃt khÅc chùm điËn tÿ và đ°ÿc kiÇm chąng thăc nghiËm bÇng cách sÿ dāng bß truyÅn quang tă chà Các tham sç căa cÃu trúc SRR đã đ°ÿc xác minh bÇng cách so sánh dā liËu mô phång và thăc nghiËm Nghiên cąu sÿ dāng sách căa Palik [51] cho thông sç căa b¿c (Ag) trong các mô phång Hình 1.11(b) cho thÃy đß phÁn x¿ giÁm å khoÁng 185 THz vái đß bán rßng (FWHM) 45,7 THz [50]

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

LuÃn vn sÿ dāng kÃt hÿp các ph°¢ng pháp mô phång, tính toán lý thuyÃt

và kiÇm chąng bÇng thăc nghiËm nhÇm đem l¿i kÃt quÁ chính xác nhÃt có thÇ Tć

ý t°ång nghiên cąu, cÃu trúc MA đ°ÿc đÅ xuÃt và mô phång thông qua phÅn mÅm th°¢ng m¿i CST Cuçi cùng, đÇ kiÇm chąng các tính toán và mô phång, luÃn vn trình bày các kÃt quÁ thăc nghiËm chà t¿o và đo đ¿c mÁu

2.1 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHàNG

Să phát triÇn căa công nghË thông tin đã cho phép nhiÅu công cā tính toán đ°ÿc sÿ dāng trong viËc mô phång să t°¢ng tác giāa vÃt liËu vái sóng điËn tć Mßt sç nhà nghiên cąu có thÇ tă xây dăng các ch°¢ng trình căa riêng mình khiÃn cho công viËc mô phång trå nên chă đßng và dÉ dàng thăc hiËn Tuy nhiên, điÅu này đòi håi nÅn tÁng kiÃn thąc vÅ cÁ vÃt lý và khoa hãc máy tính Do đó, phÅn lán các nhà nghiên cąu đã chãn nhāng phÅn mÅm th°¢ng m¿i nh° HFSS [52], Comsol [53] hoÁc CST [54] vái °u điÇm là giao diËn ng°ãi dùng thân thiËn, đ¢n giÁn và

đß chính xác cao

Hình 2.1 Phần mềm mô phỏng CST

ĐÇ mô hình hóa các đÁc tính điËn tć căa vÃt liËu biÃn hóa, khóa luÃn này

sÿ dāng phÅn mÅm mô phång th°¢ng m¿i CST Microwave Studio (Computer Simulation Technology) đ°ÿc mua bÁn quyÅn t¿i ViËn Khoa hãc VÃt liËu (Hình 2.1) Đây là phÅn mÅm th°¢ng m¿i th°ãng đ°ÿc các nhà nghiên cąu sÿ dāng vì tính hiËu quÁ và đem l¿i nhāng kÃt quÁ đáng tin cÃy ĐÇ nghiên cąu t°¢ng tác căa các cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa vái sóng điËn tć, CST mô phång să t°¢ng tác giāa sóng tái vái cÃu trúc dăa trên viËc giÁi ph°¢ng trình Maxwell vái kỹ thuÃt tích phân hāu h¿n [Finite Integration Technique – (FIT)]

FIT là mßt ph°¢ng pháp đ°ÿc chąng minh lÅn đÅu tiên vào nm 1977 båi Thomas Weiland Nó biÃn đëi các ph°¢ng trình Maxwell vÅ ph°¢ng trình tán sÅc căa vÃt liËu tć không gian liên tāc đÃn rãi r¿c bÇng cách đÁt áp điËn trên c¿nh căa mßt l°ái và áp tć trên c¿nh căa mßt l°ái kép FIT t¿o ra hË ph°¢ng trình l°ái Maxwell (Maxwell9s Grid equations) và giÁi các ph°¢ng trình Maxwell d°ái d¿ng tích phân h¢n là vi phân Cā thÇ, các ph°¢ng trình Maxwell này có d¿ng nh° sau:

Các b°ác mô phång tính chÃt điËn tć căa cÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa vái CST bao gém: lăa chãn vÃt liËu, hình d¿ng, kích th°ác vái các tham sç hình hãc căa ô c¢ så Sau đó là tÅn sç ho¿t đßng, các điÅu kiËn biên cũng nh° khoÁng cách giāa các nguén và cÃu trúc CÃu trúc vÃt liËu biÃn hóa đ°ÿc đÁt giāa nguén phát và nguén thu Quá trình mô phång bÅt đÅu vái đÅu ra chąa các tham sç tán x¿ bao

gém hË sç truyÅn qua S21 và hË sç phÁn x¿ S11 Tć nhāng dā liËu này, đß phÁn x¿ ý(�㔔), đß truyÅn qua ÿ(�㔔) và đß hÃp thā ý(�㔔) đ°ÿc xác đánh theo công thąc:

ý(�㔔) = |þ11|2 ; ÿ(�㔔) = |þ21|2 ; ý(�㔔) = 1 2 ÿ 2 ý (2.5)

Hình 2.2 Giao diện phần mềm CST

Khi nghiên cąu vÃt liËu biÃn hóa, mßt sç tính chÃt điËn tć rÃt khó kiÇm chąng và quan sát bÇng thăc nghiËm nh°ng l¿i có thÇ dÉ dàng quan sát qua mô phång Vái CST, dòng bÅ mÁt, phân bç điËn tr°ãng, tć tr°ãng và mÃt đß tën hao nng l°ÿng có thÇ đ°ÿc biÇu thá rõ ràng, cho biÃt cách cÃu trúc t°¢ng tác vái sóng điËn tć chiÃu tái Tć đó có thÇ suy ra c¢ chà ho¿t đßng căa vÃt liËu và các tính chÃt điËn tć căa chúng

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Xác đánh giá trá các tham sç điËn tć hiËu dāng căa vÃt liËu là điÅu cÅn thiÃt

và quan trãng trong nghiên cąu vÃt liËu biÃn hóa Tuy nhiên, viËc đo đ¿c trăc tiÃp các tham sç này l¿i là thách thąc không nhå đçi vái các nhà nghiên cąu

Nm 1970, ph°¢ng pháp Nicolson – Ross – Weir th°ãng đ°ÿc sÿ dāng đÇ tính toán các thông sç căa vÃt liËu d°ái d¿ng phąc thông qua các dā liËu phÁn x¿

và truyÅn qua [55] Trên c¢ så đó, nm 2004 nhóm căa Chen X D đã đÅ xuÃt ph°¢ng pháp tçt h¢n đÇ tính toán các thông sç này [56] BiÇu thąc liên hË giāa

các thông sç phÁn x¿ S11 và truyÅn qua S21 vái chiÃt suÃt n và trå kháng z đ°ÿc

biÇu diÉn nh° sau:

þ11 = ý01 (12þ�㕖2�㕛�㕘0�㕑)

12ý012 þ �㕖2�㕛�㕘0�㕑 (2.6)

þ21 =(12ý012 )þ�㕖�㕛�㕘0�㕑)

12ý012 þ �㕖2�㕛�㕘0�㕑 (2.7) Trong đó ý01 =ÿ21ÿ+1

2.3 PHƯƠNG PHÁP THĀC NGHIàM

2.3.1 Phương pháp ch¿ tạo

Ph°¢ng pháp đ°ÿc sÿ dāng trong luÃn vn là ph°¢ng pháp quang khÅc Đây là kỹ thuÃt hiËu quÁ và phù hÿp vái kích th°ác mÁu Các b°ác thăc hiËn và

hË thiÃt bá quang khÅc t°¢ng ąng đ°ÿc mô tÁ trong Hình 2.3 và 2.4

Hình 2.4 Hệ thi¿t bß quang khắc dùng trong ch¿ t¿o vÁt liệu bi¿n hóa t¿i Viện

suÃt 45 W đÁt cách mÁu 15 cm, chiÃu trong khoÁng 15 ÷ 18 phút (thãi gian có thÇ dài hay ngÅn h¢n tùy thußc vào khoÁng cách chiÃu sáng cũng nh° công suÃt căa đèn chiÃu)

- B°ác 2: T¿y rÿa chÃt cÁm quang

Sÿ dāng chÃt t¿y rÿa cÁm quang có thành phÅn chă yÃu là KOH vái l°ÿng thích hÿp (200 g chÃt t¿y rÿa cÁm quang hòa tan vái 1 lít n°ác, sÿ dāng đ°ÿc cho

20 mÁu có kích th°ác 10 × 15 cm2) Ngâm mÁu trong dung dách tć 2 ÷ 5 phút vái nhiËt đß tć 40 – 50oC

- B°ác 3: n mòn, t¿o cÃu trúc

Sÿ dāng hóa chÃt n mòn chuyên dāng cho m¿ch in vái thành phÅn chă yÃu

là muçi Na2S2O8 (300 g hòa tan trong 2 lít n°ác, sÿ dāng đ°ÿc cho 20 mÁu có kích th°ác 10 × 15 cm2) Ngâm mÁu trong dung dách n mòn tć 20 – 45 phút, nhiËt đß 30 – 40oC

vái A(ω) = 1 2 |S11(ω)|2 2 |S21(ω)|2, trong đó S11(ω) và S21(ω) lÅn l°ÿt là tham sç

phÁn x¿ và truyÅn qua

Hình 2.5 Hệ thi¿t bß Vector Network Analyzer t¿i Viện Khoa học vÁt liệu