Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo tính chất giả vật liệu Metamaterial Lê Thị Quỳnh Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu Linh kiện Nanơ Người hướng dẫn: TS Vũ Đình Lãm Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Tổng quan vật liệu Metamaterials: Lịch sử hình thành phát triển vật liệu chiết suất âm; Các loại vật liệu Metamaterials; Tình hình nghiên cứu ngồi nước; Ứng dụng; Mơ hình giải thích tương tác sóng sóng điện từ với vật liệu MMs Trình bày phương pháp thực nghiệm mơ phỏng: Lựa chọn cấu trúc vật liệu; Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu; Công nghệ chế tạo vật liệu; Phương pháp đo; Phương pháp mô phỏng; Phương pháp tính độ từ thẩm, độ điện thẩm chiết suất Nghiên cứu vật liệu Metamaterials hoạt động vùng tần số GHz: Cộng hưởng từ cộng hưởng điện vật liệu MMs có cáu trúc CWP; Ảnh hưởng phân cực sóng điện từ lên tính chất vật liệu; Vật liệu MMs có cấu trúc CWP; Vật liệu MMs có chiết suất âm; Độ dày lớp điện mơi Thiết kế mơ vật liệu Metamaterials có cấu trúc nano haotj động vùng tần số THz: Cộng hưởng từ cộng hưởng điện; Ảnh hưởng chiều dài chiều rộng CW; Ảnh hưởng lớp điện mô; Ảnh hưởng lớp kim loại Keywords: Công nghệ Nano; Vật liệu từ; Tần số; Giả vật liệu Content MỞ ĐẦU Năm 2000, Smith cộng lần chế tạo thành cơng vật liệu metamaterial có chiết suất âm, vật liệu mà Veselago đề xuất vào năm 1968 Đây vật liệu có cấu trúc nhân tạo, đồng thời có độ từ thẩm độ điện thẩm âm (µ < 0, ε < 0), hay nói cách khác vật liệu có chiết suất âm Vật liệu nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cách đặc biệt tính chất vật lý kỳ diệu mà vật liệu tồn tự nhiên khơng có tia tới tia khúc xạ nằm phía, độ dịch chuyển Doopler bị đổi ngược, xạ Cherenkov hướng khác, vận tốc pha vận tốc nhóm sóng truyền ln ngược Bên cạnh đó, việc sử dụng cấu trúc cộng hưởng điện từ có kích thước hay cấu trúc khác nhau, điều khiển vật liệu hoạt động vùng tần số mong muốn khác nhau, từ tần số sóng điện từ đến vùng hồng ngoại chí hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy Ngồi tính chất đặc biệt này, nhiều ứng dụng khác vật liệu metamaterials đề xuất kiểm chứng thực nghiệm Một ứng dụng bật vật liệu siêu thấu kính đề xuất Pendry vào năm 2000, sau Zhang cộng chế tạo thành công năm 2005 Gần đây, ứng dụng độc đáo khác sử dụng vật liệu metamaterials “áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloacking), đề xuất kiểm chứng Schuri cộng năm 2006 Bằng việc điểu chỉnh tham số hiệu dụng µ ε cách hợp lý, đường tia sáng bị uốn cong truyền vật liệu đồng thời không bị phản xạ tán xạ Do vậy, vật liệu hứa hẹn dùng để chế tạo vật liệu tàng hình Bên cạnh đó, loạt ứng dụng quan trọng khác đựơc nhà khoa học đề xuất tập trung sâu nghiên cứu lọc tần số, cộng hưởng, sensor Vì tính chất đặc biệt khả ứng dụng to lớn này, vật liệu có chiết suất âm ngày nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cách mạnh mẽ Cho đến nay, số phòng thí nghiệm giới chế tạo thành cơng vật liệu có chiết suất âm hoạt động dải tần số khác từ GHz tới THz cao Mục đích nhà khoa học đưa vật liệu có chiết suất âm vào ứng dụng thiết bị hoạt động vùng tần số sóng điện từ biến điện, lọc thông dải, ghép vi sóng, dây ăng ten vv, đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu hoạt động tần số cao phục vụ cho ứng dụng quang học Tuy nhiên, tồn nhiều vấn đề cần thiết giải cách chi tiết triệt để trước triển khai ý tưởng Thứ vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc nhân tạo, để chế tạo vât liệu hoạt động vùng tần số cao, đòi hỏi sử dụng thiết bị công nghệ nanô đại hệ khắc dùng chùm tia điện tử chùm tia iôn (Electron Beam Lithography, Ion Beam Lithography) Do vậy, việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu để dễ dàng cho việc chế tạo vật liệu vấn đề then chốt Thứ hai điều khiển tính chất vật liệu này? Tiếp theo vấn đề tổn hao vật liệu trình truyền tải sóng v v Sự ảnh hưởng số mạng, vị trí tương đối tương tác hai thành phần điện từ chìa khoá để giải vấn đề Đây vấn đề mà đề tài mong muốn tập trung sâu nghiên cứu Với lý đó, lựa chọn luận văn với tiêu đề là: “Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo tính chất giả vật liệu Metamaterial” Luận văn thực dựa kết hợp mô chế tạo phép đo thực nghiệm Bố cục luận văn bao gồm chương phần mở đầu kết luận: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1- Tổng quan vật liệu Metamaterial Chương - Phương pháp thực nghiệm mô Chương - Vật liệu Metamaterials hoạt động tần số GHz Chương - Thiết kế mô vật liệu metamaterial có cấu trúc nanơ hoạt động vùng tần số THz Phần 3: KẾT LUẬN I Tổng quan metamaterial 1.1 Lịch sử hình thành phát triển vật liệu có chiết suất âm 1.2 Các loại metamaterials (MMs) 1.3 Tình hình nghiên cứu MMs nước 1.4 Các ứng dụng MMs 1.5 Mơ hình giải thích tuơng tác sóng điện từ với MMs II Numerical simulation method and experiments 2.1 Lựa chọn cấu trúc vật liệu 2.2 Xây dựng hệ thiết bị thí nghiệm 2.3 Cơng nghệ chế tạo vật liệu 2.4 Phương pháp đo đạc 2.5 Phuơng pháp mô 2.6 Phương pháp tính độ từ thẩm, độ điện thẩm, chiết suất III Metamaterials operating at GHz range 3.1 Cộng huởng điện từ MMs có cấu trúc cặp dây bị cắt 3.2 Ảnh huởng phân cực sóng điện từ lên tính chất MMs 3.3 MMs có cấu trúc cặp dây bị cắt 3.4 MMs có chiết suất âm 3.4.1 Vật liệu chiết suất âm có cấu trúc dạng ф 3.4.2 Vật liệu chiết suất âm có cấu trúc dạng kết hợp 3.5 MMs hấp thụ tuyệt đối IV Thiết kế mô MMs vùng THz 4.1 Đặt vấn đề 4.2 Cộng huởng điện cộng huởng từ 4.3 Ả huởng chiều rộng chiều dài lên tính chất MMs 4.4 Ảnh huởng lớp điện mơi lên tính chất MMs 4.5 Ảnh huởng lớp kim loại lên tính chất MMs V Kết luận References [1] Bonache, J., I Gil, J Garcia-Garcia, and F Martin, "Novel microstrip bandpass filters based on complementary split-ring resonators," IEEE Trans Microwave Theory Tech 54, 265 (2006) [2] Jiabi Chen, YanWang, Baohua Jia, TaoGeng, Xiangping Li, Bingming Liang, Xuanxiong Zhang, Min Gu, and Songlin Zhuang “Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies” Nature Photonics (2011) [3] Chen, T M Grzegorczyk, B I Wu, J Pacheco, and J A Kong, “Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,“ Phys Rev E 70, 016608 (2004) [4] G Dolling, M Wegener, C M Soukoulis, S Linden, “Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength,” Opt Lett 32, 53 (2006) [5] C Enkrich, M Wegener, S Linden, S Burger, L Zschiedrich, F Schmidt, J F Zhou, Th Koschny, and C M Soukoulis, Magnetic Metamaterials at Telecommunication and Visible Frequencies, Phys Rev Lett 95, 203901 (2005) [6] N Engheta, “An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability,” IEEE Antennas Wireless Propag Lett 1, 10 (2002) [7] M Kafesaki, I Tsiapa, N Katsaraki, Th Koschny, C M Soukoulis, and E N Economon, “Left-handed metamaterials: The fishnet structure and its variations,” Phys Rev B 75, 235114 (2007) [8] V D Lam, J B Kim, S J Lee, and Y P Lee, “Left-handed behavior of combined and fishnet structures,” J Appl Phys 103, 033107 (2008) [9] V D Lam, J B Kim, Y P Lee, and J Y Rhee, “Dependence of the magneticresonance frequency on the cut-wire width of cut-wire pair medium,” Opt Express 15, 16651 (2007) [10] V.D.Lam, N.T.Tung, P Lievens, and Y.P.Lee “Characterization and electromagnetic response of a -shaped metamaterial”, Accepted to be published in the Eur Phys J B [11] H J Lee and J.-G Yook, “Biosensing using split-ring resonators at microwave regime,” Appl Phys Lett 92, 254103 (2008) [12] A M Nicolson and G F Ross, IEEE Trans Instrum Meas.19, 377 (1970) [13] Xianzhong Chen, Yu Luo, Jingjing Zhang, Kyle Jiang, John B Pendry, and Shuang Zhang, “Macroscopic invisibility cloaking of visible light” Nature Communication DoI: 10.1038/ncomms1176 (2011) [14] J B Pendry, A J Holden, D J Robbins, and W J Stewart,“Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,”IEEE Trans Microwave Theory Tech., vol 47, p 2075, 1999 [15] J B Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens,” Phys Rev Lett 85, 3966 (2000) [16] J B Pendry, A J Holden, D J Robbins, and W J Stewart, “Low frequency plasmons in thin-wire structures,” Journal of Physics: Condensed Matter, vol 10, p 4785, 1998 [17] D Schurig, J J Mock, B J Justice, S A Cummer, J B Pendry, A F Starr, and D R Smith, “Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies,” Science 314, 977 (2006) [18] D Smith, W Padilla, D Vier, S Nemat-Nesser, and S Chultz, “Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity,” Phys Rev Lett 84, 4184 (2000) [19] D R Smith, D C Vier, Th Koschny, and C M Soukoulis “Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials” Phys Rev E 71, 036617 (2005) [20] C M Soukoulis and M Wegener, “Optical metamaterials: More bulky and less lossy,” Science 330, 1633 (2010) [21] V T T Thuy, N T Tung, J W Park, V D Lam, Y P Lee, and J Y Rhee,”Highly dispersive transparency in coupled metamaterials”, J Opt 12, 115102 (2010) [22] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Pham Van Tuong, and Vu Dinh Lam “Perspective of invisibility using metamaterials”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, số 10, 65-68 (2010) [23] N T Tung, V D Lam, J W Park, V T Thuy, and Y P Lee, “Perfect impedancematched left-handed behavior in combined metamaterial” Eur Phys J B 74, 47 (2010) [24] V G Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ,” Sov Phys Usp 10, 509 (1968) [25] R.W Ziolkowski and A.D Kipple, "Reciprocity between the effects of resonant scattering and enhanced radiated power by electrically small antennas in the presence of nested metamaterial shells," Phys Rev E 72, 036602 (2005) [26] S Zhang, W Fan, N C Panoiu, K J Malloy, R M Osgood, and S R J Bruech, “Experimental Demonstration of Near-Infrared Negative-Index Metamaterials,” Phys Rev Lett 95, 137404 (2005) [27] J Zhou, E N Economon, T Koschny, and C M Soukoulis, “Unifying approach to left-handed material design,” Opt Lett 31, 3620 (2006) [28] J Zhou, L Zhang, G Tuttle, T Koschny, and C M Soukoulis, “Negative index materials using simple short wire pairs,” Phys Rev B 73, 041101(R) (2006) [29] S Zhang et al, "Extreme light-bending power", Nature Communication 470, 343, 2011 [30] Baile Zhang, YuanLuo, XiaogangLiu, and George Barbast “Macroscopic Invisibility Cloak for Visible Light” Phys Rev Lett 106 033901(2011) [31] www.cst.com ... chìa khoá để giải vấn đề Đây vấn đề mà đề tài mong muốn tập trung sâu nghiên cứu Với lý đó, lựa chọn luận văn với tiêu đề là: Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo tính chất giả vật liệu Metamaterial Luận... tìm kiếm cấu trúc tối ưu để dễ dàng cho việc chế tạo vật liệu vấn đề then chốt Thứ hai điều khiển tính chất vật liệu này? Tiếp theo vấn đề tổn hao vật liệu trình truyền tải sóng v v Sự ảnh hưởng... nghiệm mô Chương - Vật liệu Metamaterials hoạt động tần số GHz Chương - Thiết kế mô vật liệu metamaterial có cấu trúc nanơ hoạt động vùng tần số THz Phần 3: KẾT LUẬN I Tổng quan metamaterial 1.1 Lịch