Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials) Đỗ Thành Việt.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THÀNH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS) Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 62440123 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu PGS. TS. Vũ Đình Lãm Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Văn Hội Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Kiên Phản biện 3: PGS. TS. Đào Ngọc Chiến Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tạp chí trong nước [1] Tung, NT, Viet, DT, Tuong, PV, Lam, VD, Binh, NT and Hoai, PV (2010) Perspective of invisibility using metamaterials. Tạp Chí Nghiên Cứu KH & CN Quân Sự, 10, 65. [2] Đỗ Thành Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Lê Văn Quỳnh, Nguyễn Thị Hiền, Lê Thị Quỳnh et al. (2011) Thiết kế và chế tạo vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng viba trên cơ sở metamaterial. Kỉ Yếu Hội Nghị Toàn Quốc Lần Thứ 7 về Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu, TP Hồ Chí Minh. [3] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Le Thi Quynh, and Vu Dinh Lam (2012) Meta-magnetic cut- wire-pair structures: A numerical study on the dielectric loss. Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và Công Nghệ Quân Sự, 18. [4] Lam V D, Hien N T, Tuan N T, Viet D T, Tung N T, Lee Y P (2012) A broadband and nearly polarization-insensitive metamaterial absorber using multi-ring structure. IWAMSN 2012, Halong, Vietnam. [5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee Young Pak et al. (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking metamaterials. Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, 51, 371–7. [6] Do, TV, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Van Hieu and Vu Dinh Lam (2013) Nghiên cứu vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba trên cơ sở Metamaterial. Tạp chí nghiên cứu KH & CN Quân sự, Đặc san Vật lí kỹ thuật. Tạp chí nước ngoài [7] Thuy, VTT, Viet, DT, Hieu, NV, Lee, YP, Lam, VD and Tung, NT (2010) Triple negative permeability band in plasmon-hybridized cut-wire-pair metamaterials. Optics Communications, 283, 4303–6. http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2010.06.050 [8] Vu, DL, Pham, VT, Do, TV, Nguyen, TT, Vu, TTT, Le, VH et al. (2010) The electromagnetic response of different metamaterial structures. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 1, 045016. http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/1/4/045016 [9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials. Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 21, 1250019. http://dx.doi.org/10.1142/S0218863512500191 [10] Tung, NT, Viet, DT, Tung, BS, Hieu, NV, Lievens, P and Lam, VD (2012) Broadband Negative Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials. Applied Physics Express, 5, 112001. http://dx.doi.org/10.1063/1.4893719 [11] Do, TV, Bui, ST, Le, VQ, Nguyen, TH, Nguyen, TT, Nguyen, TT et al. (2012) Design, fabrication and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 3, 045014. http://dx.doi.org/10.1088/2043- 6262/3/4/045014 [12] Viet, DT, Hien, NT, Tuong, PV, Minh, NQ, Trang, PT, Le, LN et al. (2014) Perfect absorber metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption. Optics Communications, 322, 209–13. http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2014.02.037 [13] Viet, D T, Hieu, N V, Lam, V D and Tung, N T (2015) Isotropic Metamaterial Absorber Using Cut-wire-pair Structures. Applied Physics Express. Accepted 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của đề tài Để phát triển, hội nhập khoa học công nghệ với thế giới, trong điều kiện hiện tại, Việt Nam cần tìm cho mình những ngành nghiên cứu mũi nhọn. Trong mỗi ngành nghiên cứu cụ thể như Khoa học Vật liệu, cũng lại cần xác định các hướng nghiên cứu triển vọng, phù hợp với trình độ và điều kiện nghiên cứu trong nước, chiến lược này đóng vai trò then chốt nhằm giúp chúng ta có thể đạt hiệu quả tối đa trong nghiên cứu, phát triển khoa học công nghệ. Vật liệu Meta (Metamaterials) là một hướng nghiên cứu mới chỉ phát triển mạnh từ đầu thế kỷ 21. Tuy nhiên, với các kết quả kỳ thú và tiềm năng sớm được công bố như vật liệu chiết suất âm, tàng hình sóng điện từ, siêu thấu kính, hấp thụ tuyệt đối vật liệu Meta đã và đang tiếp tục được tập trung nghiên cứu sâu rộng. Thêm vào đó, điều kiện nghiên cứu cần thiết của vật liệu Meta tùy thuộc vào vùng tần số hoạt động, chính vì vậy ở những nước có điều kiện nghiên cứu chưa phát triển vẫn có thể triển khai nghiên cứu loại vật liệu này, trong những vùng tần số hoạt động phù hợp. Nhánh nghiên cứu Vật hiệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ thu hút được nhiều sự quan tâm, đặc biệt là cho mục đích quân sự. Với khả năng hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới ở một, vài tần số, vùng tần số định trước, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ có triển vọng ứng dụng trong chế tạo cảm biến, biến đổi năng lượng, và đặc biệt trong quân sự là các ứng 2 dụng ngụy trang, Radar Cho đến nay, nghiên cứu vật liệu Meta là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới nhưng rất triển vọng và phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: i) Đưa ra đượcphương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba. ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Ý nghĩa khoa học của đề tài là đưa ra những cơ sở vật lý và cơ chế hoạt động của vật liệu Meta. Trình bày các phương pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ chế tạo mẫu vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối trong nghiên cứu, ngụy trang sóng điện từ. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia của các nhà khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu Meta phát triển cảm biến, chuyển đổi năng lượng, radar phục vụ quốc phòng và dân sinh. 3. Những đóng góp mới của luận án (i) Trình bày kiến thức tổng quan về vật liệu Meta. Giới thiệu các phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta nói chung và 3 vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz nói riêng. (ii) Đưa ra được quy trình chế tạo vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz trên cơ sở công nghệ quang khắc. Quy trình này có độ ổn định và cho ra các mẫu có chất lượng tốt. (iii) Đã chế tạo được các mẫu vật liệu Meta có cấu trúc khác nhau. Lần đầu tiên, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba được chế tạo thành công ở Việt Nam. Kết quả đo đạc cho thấy đạt được hấp thụ gần như hoàn toàn tại tần số xác định. (iv) Đã đưa ra được các cấu trúc nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. Buồng hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba đã nghiên cứu. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 104 trang được chia thành các phần như sau: Mở đầu 3 trang; Chương 1. Tổng quan 23 trang; Chương 2. Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo gồm 22 trang; Chương 3.Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc MPA gồm 27 trang và 4.MPA hấp thụ dải rộng gồm 12 trang. Kết luận và kiến nghị 1 trang. Ngoài ra, luận án có 01 bảng; 69 hình vẽ và đồ thị; 90 tài liệu tham khảo và phần phụ lục. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN MỞ ĐẦU Cấu trúc vật liệu Meta được xem là một loại vật chất nhân tạo, tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn thành phần cấu tạo. Cấu trúc vật liệu Meta có rất nhiều ứng dụng kỳ diệu 4 đã được các nhà khoa học nghiên cứu bằng lý thuyết và chứng minh bằng thực nghiệm như siêu thấu kính, áo khoác tàng hình, bộ lọc tần số antennas, cảm biến sinh học Vật liệu hấp thụ tuyệt đối là một trong nhiều loại vật liệu nhân tạo được nghiên cứu chế tạo trên cơ sở cấu trúc vật liệu Meta, các nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ thuộc dải vi ba có thuận lợi là điều kiện thực nghiệm đơn giản. Từ khi Landy đưa ra cấu trúc hấp thụ sóng vi ba đầu tiên năm 2008, nhiều cấu trúc hấp thụ khác đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố. Tất cả các cấu trúc hấp thụ đều có hiệu suất hấp thụ cao và được giải thích về cơ chế hấp thụ. Tuy nhiên, các cấu trúc hấp thụ đã công bố thường rất phức tạp, có nhiều tham số hình học, vì thế rất khó tùy biến để đạt được một đặc tính hấp thụ mong muốn. Trong luận án này, chúng tôi lần đầu tiên nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu Meta ở Việt Nam. Kết quả mới của luận án là đưa ra các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, đo đạc, ít tham số hình học, vì vậy, dễ tùy biến mà vẫn đảm bảo có được tính hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ thuộc dải sóng vi ba. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu Meta Vật liệu Meta là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo. Tên tiếng Anh metamaterial thường được sử dụng cho một vật liệu có tính chất khác thường. Thuật ngữ đã được đặt ra vào năm 1999 do Rodger M. Walser của Trường Đại học Texas tại Austin. Ông đã xác định vật liệu Meta như vật liệu kết hợp 5 nhân tạo, 1, 2 hoặc ba chiều, cấu trúc tuần hoàn được thiết kế để tạo ra những đặc tính vật lý không có sẵn trong tự nhiên. Vật liệu Meta được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra các tính chất vật lý vĩ mô (chủ yếu là tính chất điện từ) theo ý muốn. Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự sắp xếp các cấu trúc vi mô có thể theo 1 trật tự hoặc hỗn loạn. Các cấu trúc "nguyên tử" này có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng, được làm từ kim loại hoặc điện môi, có thể là chất phi từ hoặc sắt từ, và có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng hoạt động. Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số điện môi. Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu liên quan chặt chẽ tới hai đại lượng này. Nguyên lý cơ bản của vật liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ, từ những cấu trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự nhiên. Sự truyền sóng điện từ trong vật liệu Meta, do đó cũng có thể dự đoán, thiết kế trước và điều chỉnh theo ý muốn. Hiện nay nghiên cứu về vật liệu đã mở rộng ra nhiều dải tần của sóng điện từ và sóng âm. 1.2. Ứng dụng của Vật liệu Meta Việc ra đời của vật liệu Meta hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của vật liệu này làm nó trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, 6 cảm biến, các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu Meta nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi Pendry được trình bày trong Hình 1. Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã được Zhang và các cộng sự chế tạo thành công. Hình 1. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu Meta. Một ứng dụng khác là lớp vỏ “tàng hình”. Khi chúng ta nhìn mặt đường mùa hè vào ngày nắng gắt, từ một khoảng cách thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước” lung linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường. Hiện tượng này được gây ra do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số lớn trong vùng không khí mát hơn phía trên đến trị số nhỏ hơn trong vùng không khí nóng tiếp giáp với mặt đường. Sự thay đổi chiết suất sẽ làm uốn cong đường đi của ánh sáng. Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu Meta có sự thay đổi chiết suất làm uốn cong đường đi của sóng điện từ [...]... thẩm âm, b) vật liệu Meta có chiết suất âm, c) vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối Hình 4 là ảnh chụp mặt trước của mẫu vật liệu Meta: (a) cấu trúc CWP có độ từ thẩm âm và (b) cấu trúc vật liệu Meta kết hợp có chiết suất âm Hình 3 Cấu trúc ô cơ sở của một số vật liệu Meta: (a) vật liệu Meta có độ từ thẩm âm CWP, b) vật liệu Meta có chiết suất âm, (c) vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối Hình 4 Vật liệu Meta CWP... mềm tính toán thương mại Sự so sánh chéo giữa mô hình vật lý, số liệu mô phỏng và số liệu thực nghiệm cho kết quả có độ tin cậy cao Ngoài ra quy trình nghiên cứu này có thể áp dụng để nghiên cứu nhiều tính chất khác của vật liệu Meta như vật liệu chiết suất âm, vật liệu phản xạ tuyệt đối, vật liệu hấp thụ tuyệt đối (iii) Đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc vật liệu Meta có dải tần hấp thụ. .. thụ tuyệt đối như ngụy trang, tác chiến điện từ trường, đặc biệt là ứng dụng trong quân sự KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials) đã được thực hiện tại Bộ môn Nghiên cứu phát triển và ứng dụng cảm biến nano (Nanosensors lab), Vi n đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách Khoa Hà Nội và Vi n... rộng ở vùng sóng viba Đặc tính hấp thụ gần như tuyệt đối trong một dải tần số rộng hơn thiết kế ban đầu 300% được chứng minh bằng cả thực nghiệm lẫn mô phỏng Ngoài ra một buồng hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên được thiết kế, chế tạo tại Vi t Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba Kết quả trên của luận án tuy chỉ là những nghiên cứu khởi đầu về vật liệu Meta tại Vi n Nam nhưng... trên, vật liệu Meta còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số, cộng hưởng, cảm biến sinh học, đặc biệt là tính siêu hấp thụ của loại vật liệu này 1.3 Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial perfect absorber - MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động Do MPA được tạo. .. chắn những nghiên cứu về vật liệu MPA của tác giả và nhóm nghiên cứu không dừng lại tại đây Ngay trong quá trình hoàn thành luận án, tác giả và nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục có những nghiên cứu sâu và hệ thống hơn nhằm định hướng ứng dụng vật liệu hấp thụ Meta trong thực tế Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các cấu trúc tối ưu trong chế tạo và đo đạc, có hiệu suất hấp thụ tốt,... cơ sở và phân cực; b) Kết quả mô phỏng Sau khi phát hiện ra khả năng hấp thụ tuyệt đối của vật liệu Meta Vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn Bằng chứng là các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cấu trúc vật liệu Meta hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện 8 từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy Các hướng nghiên cứu hiện nay về vật liệu metamaterial... hiệu tích cực và triển vọng Quy trình nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm được thiết lập trong luận án đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu của các sinh vi n, học vi n cao học, và nghiên cứu sinh khác Vật liệu Meta hấp thụ dải rộng đang được triển khai nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực quân sự Vật liệu MPA biến hóa có thể điều khiển bằng nhiệt độ và từ trường ngoài đang được nghiên cứu khai thác... tần số mà tính chất hiệu dụng của nó hoạt động Vi c thay đổi tính chất vật lý của các mạch điện từ này sẽ dẫn đến những biến đổi vĩ mô của vật liệu Meta, điều này giúp cho vi c kiểm tra và so sánh tính chất của vật liệu Meta với vật liệu thường có thể được thực hiện một cách dễ dàng 2.5 Phương pháp truy hồi tham số điện từ Trong khi phương pháp lý thuyết trường hiệu dụng được sử dụng để nghiên cứu một... thụ 3D: a)Kết quả mô phỏng và b) Kết quả thực nghiệm Các kết quả này cho thấy có thể chế tạo các vật thể 3D có khả năng hấp thụ sóng điện từ theo ý muốn ở băng tần GHz Dù còn một số hạn chế như: thiếu độ linh hoạt của vật liệu để tạo các bề mặt tùy ý; độ đồng nhất về hiệu suất hấp thụ theo bề mặt của vật thể chưa cao, nhưng đây là một kết quả thú vị, gợi mở hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu meta hấp . Thứ 7 về Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu, TP Hồ Chí Minh. [3] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Le Thi Quynh, and Vu Dinh Lam (2012) Meta-magnetic cut- wire-pair structures: A numerical. Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 1, 045016. http://dx.doi.org/10.1088/2043-6262/1/4/045016 [9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances. structure. IWAMSN 2012, Halong, Vietnam. [5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee Young Pak et al. (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking