Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu sự cộng hưởng từ bậc cao để tạo ra chiết suất âm trong cấu trúc cặp đĩa dựa trên siêu vật liệu (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ CỘNG HƢỞNG TỪ BẬC CAO ĐỂ TẠO RA CHIẾT SUẤT ÂM TRONG CẤU TRÚC CẶP ĐĨA DỰA TRÊN SIÊU VẬT LIỆU Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Hiền THÁI NGUYÊN - 2019 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới giáo TS Nguyễn Thị Hiền Khoa Vật lý Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên hướng dẫn, bảo tận tình, trách nhiệm để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo Khoa Vật lý Công nghệ - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên - người trang bị cho em kiến thức quý báu thời gian em học tập, nghiên cứu trường Để thực đề tài này, em xin cảm ơn hỗ trợ kinh phí từ đề tài nafosted “Chế tạo nghiên cứu siêu vật liệu đa dải tần dựa mơ hình tương tác”, mã số: 103.99-2018.35 Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, người thân người bên cạnh động viên, giúp đỡ thời gian em học tập thực luận văn tốt nghiệp Thái Nguyên, tháng 09 năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Hƣơng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU 1.1 Giới thiệu chung siêu vật liệu 1.2 Tổng quan siêu vật liệu có chiết suất âm 1.2.1 Vật liệu có độ điện thẩm âm 1.2.2 Vật liệu có độ từ thẩm âm 1.2.3 Siêu vật liệu có chiết suất âm đơn kép 13 1.3 Phương pháp xác định cộng hưởng điện cộng hưởng từ cấu trúc cặp dây bị cắt 16 1.4 Một số phương pháp để tạo vật liệu có chiết suất âm 21 1.4.1 Phương pháp tạo vật liệu có chiết suất âm Kante 21 1.4.2.Phương pháp dựa cộng hưởng bậc cao 22 1.4.3 Siêu vật liệu có chiết suất âm dựa cấu trúc kết hợp cấu trúc lưới cá 25 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Lựa chọn cấu trúc vật liệu 30 2.2 Phương pháp tính tốn 32 2.2.1 Phương pháp tính tốn dựa mơ hình mạch LC ứng với cấu trúc cặp đĩa 32 2.2.2 Phương pháp tính tốn dựa thuật toán Chen 33 2.3 Phương pháp mô 34 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 ii 3.1 Nghiên cứu sử dụng cộng hưởng bậc cao để tạo chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa vùng GHz 39 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng phân cực sóng điện từ đến vùng chiết suất âm tạo 44 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc đến vùng chiết suất âm tạo 45 3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng tổn hao điện môi tổn hao ohmic đến vùng chiết suất âm tạo 49 3.2 Nghiên cứu sử dụng cộng hưởng bậc cao để tạo chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa vùng quang học 51 KẾT LUẬN 54 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 55 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Tên đầy đủ Ký hiệu Tên Tiếng Việt SRR Split - Ring Resonator Vòng cộng hưởng CW Cut - Wire Dây kim loại bị cắt CWP Cut - Wire Pair Cặp dây bị cắt Meta Metamaterial Siêu vật liệu LH Left - Handed Quy tắc bàn tay trái RH Right - Handed Quy tắc bàn tay phải LHMs Left - Handed Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay trái FOM figure of merit Hệ số phẩm chất FN fishnet Cấu trúc dạng lưới cá DP dish pair Cặp đĩa tròn DN dishnet Lưới đĩa CST Computer Simulation Phần mềm mô Technology iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hình ảnh so sánh cấu trúc vật liệu truyền thống siêu vật liệu Hình 1.2 Nguyên tắc hoạt động siêu thấu kính dựa siêu vật liệu có chiết suất âm, hoạt động thấu kính hội tụ có khả khơi phục không thành phần truyền qua mà thành phần dập tắt nên độ phân giải tăng lên nhiều so với thấu kính thơng thường Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động áo chồng tàng hình, nhờ cách xếp lớp siêu vật liệu có chiết suất khác (hình a) cách hợp lý xung quanh vật thể cần giấu, ánh sáng bị bẻ cong khơng phản xạ (hình b) vật thể được“tàng hình” Hình 1.4 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ Hình 1.5 a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động tần số GHz; b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu có cấu trúc hình (a).Tính chất chiết suất âm (n < 0) vật liệu thể vùng tần số 4.7 đến 5.2 GHz Hình 1.6 (a) Cấu trúc lưới dây kim loại mỏng xếp tuần hoàn (b) độ điện thẩm hiệu dụng lưới dây bạc theo tần số với r = µm,a = 40 mm độ dẫn bạc ζ = 6,3×107 Sm-1 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (Split Ring Resonator – SRR) cấu trúc SRR dãy tuần hồn 10 Hình 1.8 Ngun lý hoạt động SRR để tạo µ < 11 Hình 1.9 Dạng tổng quát độ từ thẩm hiệu dụng cho mơ hình SRR với giả thiết vật liệu khơng có tổn hao 12 Hình 1.10 a) Cấu trúc SRR phân cực sóng điện từ, b) Sự biến đổi từ cấu trúcSRR thành cấu trúc cặp dây bị cắt (cut-wire pair - CWP) 12 v Hình 1.11 a) Cấu trúc SRR; cấu trúc dây kim loại bị cắt (CW), định hướng điện trường ngồi, b) Mơ hình mạch điện LC tương đương 13 Hình 1.12 Giản đồ giải thích phần thực âm chiết suất Các mũi tên cho thấy vị trí độ điện thẩm ε độ từ thẩm μ mặt phẳng phức 13 Hình 1.13 a) Ô sở cấu trúc CWP; b)Phổ truyền qua cấu trúc CWP cấu trúc CWP nối tắt 17 Hình 1.14 Cấu trúc nối tắt cặp dây bị cắt 17 Hình 1.15 Sự phụ thuộc độ từ thẩm vào tần số 18 Hình 1.16 Mơ hình phân bố dòng điện tần số cộng hưởng từ cộng hưởng điện cấu trúc CWP 19 Hình 1.17 (a) Cấu trúc đơn lớp CWP (b) Ô sở tương ứng 20 Hình 1.18 (a), (b) Mạch điện LC tương ứng cấu trúc CWP Ở đểm tương đương tính tuần hồn cấu trúc (c), (d) Mạch điện tương ứng với trường hợp cộng hưởng từ cộng hưởng điện 20 Hình 1.19 a) Cấu trúc bất đối xứng cặp dây bị cắt, b) Giản đồ lai hoá tương ứng 22 Hình 1.20 Từ trái sáng phải kết mô thực nghiệm phổ truyền qua, phản xạ, phần thực chiết suất phần ảo chiết suất 22 Hình 1.21 Giản đồ lai hóa cấu trúc nhóm Soukoulis đề [18] tạo chiết suất âm n < chồng chập mode bất đối xứng bậc với mode đối xứng bậc hai 23 Hình 1.22 Phổ truyền qua mơ cấu trúc CWP nối tắt CWP 24 Hình 1.23 a) Ơ sở b) mẫu chế tạo tương ứng theo công nghệ mạch in điện tử cấu trúc CB 25 vi Hình 1.24 a) Phổ truyền qua thực nghiệm b) mô cấu trúc CWP, CB dây kim loại liên tục c) Độ điện thẩm, độ từ thẩm chiết suất từ liệu mô cấu trúc CB tương ứng 27 Hình 1.25 (a) Ơ sở (b) mẫu chế tạo siêu vật liệu chiết suất âm sử dụng cấu trúc FN 28 Hình 1.26 (a) Phổ truyền qua thực nghiệm mô cấu trúc CB FN, Kết tính tốn phần thực (b) độ điện thẩm, (c) độ từ thẩm (d) chiết suất (e) hệ số phẩm chất FOM cho thấy cấu trúc FN có ưu điểm cấu trúc CB 29 Hình 2.1 Quá trình biến đổi siêu vật liệu từ cấu trúc SRR sang CWP đến DP 30 Hình 2.2 Ơ sở cấu trúc cặp đĩa phân cực sóng điện từ 31 Hình 2.3 a) Ơ sở sêu vật liệu có cấu trúc đĩa, gồm lớp: hai lớp kim loại hai bên lớp điện môi giữa, b) mạch tương đương LC cấu trúc 32 Hình 2.4 Giao diện mô CST 36 Hình 2.5 Mơ phỏng: (a) phân bố dòng điện mặt bên, (b) dòng mặt trước, dòng mặt sau lượng đĩa tròn, (c) phân bố lượng điện 36 Hình 3.1 a) Ơ sở cấu trúc cặp đĩa b) Phổ truyền qua mô cấu trúc cặp đĩa nối tắt cặp đĩa 40 Hình 3.2 (a), (b), (c) Phân bố dòng tần số cộng hưởng (d), (e), (f) phân bố lượng từ tần số cộng hưởng thứ (f = 22 GHz) thứ ba (f = 49,64GHz) phân bố lượng điện tần số cộng hưởng thứ hai ( f = 45,9GHz) 41 Hình 3.3.Phần thực tham số hiệu dụng trường điện từ (a) độ từ thẩm quanh vùng tần số 22 GHz (b) độ điện thẩm quanh vùng vii tần số 45,9 GHz (c) độ từ thẩm, điện thẩm chiết suất quanh vùng tần số 49,64 GHz.(d)Giản đồ pha xung quanh vùng cộng hưởng thứ ba (tần số 49,64 GHz) 43 Hình 3.4 Ảnh hưởng phân cực sóng điện từ đến phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa 44 Hình 3.5 Ảnh hưởng bán kính đĩa đến phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất 46 Hình 3.6 Ảnh hưởng số mạng ax cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất 47 Hình 3.7 Ảnh hưởng số mạng ay cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất 48 Hình 3.8 Ảnh hưởng tổn hao điện môi cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9 GHz 49.64 GHz (c) Ảnh hưởng vật liệu kim loại đến phổ truyền qua quanh vùng tần số khảo sát 49 Hình 3.9 (a) Phổ truyền qua (phía trên) phần thực chiết suất (phía dưới) (b) Phần thực độ từ thẩm, điện thẩm cấu trúc lưới đĩa hoạt động vùng hồng ngoại 51 Hình 3.10 (a) Phổ truyền qua (phía trên) phần thực chiết suất (phía dưới) (b) Phần thực độ từ thẩm, điện thẩm cấu trúc lưới đĩa hoạt động vùng hồng ngoại 52 viii MỞ ĐẦU Ngày khoa học kỹ thuật ngày phát triển nhu cầu tạo vật liệu tốt hơn, rẻ hơn, có tính chất ưu việt để thay vật liệu truyền thống vấn đề nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm Một số vật liệu nghiên cứu chế tạo mà phải kể đến siêu vật liệu (Metamaterials) Siêu vật liệu vật liệu nhân tạo, loại siêu vật liệu nghiên cứu nhiều siêu vật liệu có chiết suất âm (negative refraction) Để tạo vật liêu biến hóa có chiết suất âm, cách người ta dùng cấu trúc kết hợp, cấu trúc chiết suất âm tạo từ kết hợp hai thành phần: thành phần tạo độ điện thẩm âm thành phần tạo độ từ thẩm âm Cách thứ hai cách thay đổi tham số cấu trúc vùng cộng hưởng điện cộng hưởng từ cấu trúc tiến gần đến nhiên phương pháp gặp phải hạn chế vùng chiết suất âm thường hẹp phá vỡ tính đối xứng cấu trúc [1] Gần hướng nghiên cứu vật liệu có chiết suất âm sử dụng cộng hưởng bậc cao tập trung nghiên cứu [1] Cách tiếp cận dựa mơ hình lai hóa cho cấu trúc đối xứng nên khơng cần phải phá vỡ tính đối xứng Bên cạnh mode bản, cộng hưởng từ tạo mode bậc cao Sự chồng chập mode mode điện dễ nhiều so với chồng chập hai mode điện từ Bằng cách này, Soukoulis cộng [1] tạo chiết suất âm vùng tần số 15.5 GHz Nhóm Soukoulis sử dụng cấu trúc dựa vòng cộng hưởng có rãnh kim loại Đây cấu trúc phức tạp mật độ kim loại bề mặt cao khó khăn việc chế tạo gây tổn hao lớn đặc biệt chế tạo siêu vật liệu hoạt động vùng tần số cao Vì vậy, để khắc phục nhược điểm này, hướng sử dụng cấu trúc cặp dây bị cắt (cut-wire pair-CWP) đơn giản để tạo chiết suất âm mà dựa nguyên tắc kết hợp cộng hưởng từ bậc cao chồng chập với cộng Hình 3.5 Ảnh hưởng bán kính đĩa đến phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất Điều ảnh hưởng mạnh đến khả xảy chồng chập vùng cộng hưởng điện cộng hưởng từ bậc ba để tạo vùng chiết suất âm thay đổi R Hay nói khác đi, có vùng giá trị định bán kính R đảm bảo điều kiện chồng chập hai cộng hưởng Trong nghiên cứu luận văn, quan sát hình 3.5 (b) có giá trị R = 2.0 mm cho vùng chiết suất âm, hai giá trị nghiên cứu lại R = 1.9 mm 2.2 mm vùng chiết suất âm bị thay thể vùng chiết suất dương vùng cộng hưởng từ bậc ba khơng chồng chập lên cộng hưởng điện hình 3.5 (c) 46 3.2.2.2 Ảnh hƣởng số mạng đến vùng chiết suất âm đƣợc tạo cộng hƣởng từ bậc ba Hình 3.6 Ảnh hưởng số mạng ax cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất Tiếp theo luận văn khảo sát ảnh hưởng số mạng ax ay đến vùng có chiết suất âm quanh vùng tần số 49.64 GHz Phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa phụ thuộc vào số mạng đưa hình 3.6 (a) 3.6 (b) Quan sát hình 3.6 (a) (b) thấy thay đổi số mạng theo phương từ trường ax vị trí cộng hưởng từ cộng hưởng từ bậc khơng thay đổi cộng hưởng điện bị thay đổi mạnh, cụ thể cộng hưởng điện bị dịch phía tần số cao ax giảm Như vậy, giống tham số R, để xảy chồng chập vùng cộng hưởng điện với cộng hưởng từ bậc ba để tạo vùng chiết suất âm phải đòi hỏi tối ưu khắt khe số mạng Trong 47 nghiên cứu luận văn, quan sát hình 3.6 (b) có giá trị ax = 5.2 mm tạo vùng chiết suất âm kép, hai giá trị nghiên cứu lại ax = 5.0 mm 5.5 mm vùng chiết suất âm kép bị thay thể vùng chiết suất âm đơn chiết suất dương vùng cộng hưởng từ bậc ba khơng chồng chập lên cộng hưởng điện hình 3.6 (c) Hình 3.7 Ảnh hưởng số mạng ay cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9GHz 49.64 GHz (c) phần thực chiết suất Bên cạnh đó, quan sát hình 3.7 (a) (b) thấy thay đổi số mạng theo phương điện trường ay vị trí cộng hưởng từ cộng hưởng điện bị thay đổi, cộng hưởng từ bậc ba dịch nhẹ tần số thấp tăng ay Như vậy, để xảy chồng chập vùng cộng hưởng điện với cộng hưởng từ bậc ba để tạo vùng chiết suất âm có khoảng giá trị ay thích hợp rộng so với thay đổi R ax Trong nghiên cứu luận văn, quan sát hình 3.7 (b) với ay = 6.0 mm 6.2 có 48 thể tạo vùng chiết suất âm, giá trị nghiên cứu lại ay = 5.7 mm vùng chiết suất âm bị thay thể vùng chiết suất dương vùng cộng hưởng từ bậc ba khơng chồng chập lên cộng hưởng điện 3.1.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng tổn hao điện môi tổn hao ohmic đến vùng chiết suất âm đƣợc tạo Hình 3.8 Ảnh hưởng tổn hao điện môi cấu trúc cặp đĩa đến phổ truyền (a) quanh vùng tần số 22 GHz (b) quanh vùng tần số 45.9 GHz 49.64 GHz (c) Ảnh hưởng vật liệu kim loại đến phổ truyền qua quanh vùng tần số khảo sát Tiếp theo luận văn khảo sát ảnh hưởng tổn hao lớp điện môi (đặc trưng tangent = tanδ = εIm (phần ảo điện môi)/ εRe (phần thực điện môi)) tổn hao ohmic (tổng lượng hấp thụ siêu vật liệu gia nhiệt điện trở lớp kim loại cấu trúc) đến vùng có chiết suất âm tạo quanh vùng tần số 49.64 GHz Phổ truyền qua cấu trúc 49 cặp đĩa phụ thuộc vào theo giá trị khác tổn hao lớp điện môi đưa hình 3.8 (a) 3.8 (b) Do phần thực độ điện thẩm lớp điện môi không đóng góp vào tổng tổn hao ngoại trừ thay đổi tần số cộng hưởng từ, đó, để thuận tiện cho việc so sánh, tất tính tốn thực cách chọn số điện môi 3.7 Quan sát hình 3.8 (a) 3.8 (b) thấy tổn hao điện mơi tăng làm giảm mạnh cường độ cộng hưởng từ cộng hưởng từ bậc ba Nguyên nhân lượng lớn lượng cộng hưởng tiêu tan vào lớp đệm điện môi tổn hao điện môi tăng Sự giảm cường độ cộng hưởng từ bậc ba làm cho từ thẩm không đạt giá trị âm quanh vùng cộng hưởng thấy tổn hao điện môi tăng vùng chiết suất âm bị thay vùng chiết suất âm đơn vùng chiêt suất dương Trong nghiên cứu luận văn, giá trị tổn hao điện môi nhỏ tanδ = 0.005 (ứng với điện môi RO4003) tanδ = 0.001(ứng với điện môi RO3003) vùng chiết suất âm tạo tồn Tuy nhiên, khi giá trị tổn hao điện môi nhỏ lớn 0.025 (tương ứng với điện môi FR4) vùng chiết âm kép cấu trúc cặp đĩa dựa cộng hưởng bậc cao biến thay vùng chiết suất âm đơn chiết suất dương Phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa phụ thuộc vào tổn hao ohmic (bằng cách thay đổi kim loại) đưa hình 3.8 (c) Quan sát hình 3.8 (c) cho thấy thay đổi tổn hao ohmic (thay đổi vật liệu kim loại) khơng làm ảnh hưởng đến phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa tương tác với sóng điện từ vùng GHz, hay nói khác không ảnh hưởng đến vùng chiết suất âm tạo 50 3.2 Nghiên cứu sử dụng cộng hƣởng bậc cao để tạo chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa vùng quang học Trong nghiên cứu tiếp theo, luận văn nghiên cứu để tạo vùng chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa dựa cộng hưởng bậc cao vùng hồng ngoại Bằng cách giảm giá trị tham số cấu trúc cấu trúc cặp đĩa theo hệ số tỷ lệ 0.001, dải tần số cộng hưởng từ bậc ba cấu trúc cặp đĩa tăng từ vùng GHz lên vùng hồng ngoại (từ 50 GHz đến 50 THz) Hình 3.9 (a) Phổ truyền qua (phía trên) phần thực chiết suất (phía dưới) (b) Phần thực độ từ thẩm, điện thẩm cấu trúc lưới đĩa hoạt động vùng hồng ngoại Trong nghiên cứu này, luận văn giữ tổn hao điện môi 0.001 để quan sát rõ hình thành vùng chiết suất âm kết nghiên cứu phần Trên hình 3.9 (a) phía phổ truyền qua cấu trúc cặp đĩa phía kết tính tốn chiết suất cấu trúc tương tác với sóng điện từ vùng hồng ngoại Kết nghiên cứu cho thấy, vùng có chiết suất âm vùng GHz thay vùng có chiết suất dương đưa lên vùng hồng ngoại (gần 50 THz) Để tìm câu trả lời cho kết này, luận văn tính tốn tham số độ điện thẩm, độ từ thẩm đưa hình 3.9 (b) Kết tính tốn cho thấy, cộng hưởng từ bậc ba vùng hồng ngoại có cường độ yếu nên gần không tạo vùng có từ thẩm âm, khơng xảy chồng chập vùng có điện thẩm âm từ thẩm âm hay vùng chiết suất âm không tạo Có thể giải thích rằng, cộng hưởng từ tần số 51 cao hơn, tổn hao Ohmic đóng vai trò quan trọng hơn, dẫn đến suy giảm đáng kể cường độ cộng hưởng Nguyên nhân động electron tự tần số cao tăng lên, làm cho cộng hưởng yếu [21] Hình 3.10 (a) Phổ truyền qua (phía trên) phần thực chiết suất (phía dưới) (b) Phần thực độ từ thẩm, điện thẩm cấu trúc lưới đĩa hoạt động vùng hồng ngoại 52 Sau q trình nghiên cứu nhận thấy rằng, phương pháp sử dụng cộng hưởng bậc cao để tạo chiết suất âm dựa cấu trúc cặp đĩa có số ưu điểm sau: thứ cấu trúc đơn giản tham số cấu trúc, có tính đối xứng cao nên cho vùng chiết suất âm dựa vào cộng hưởng bậc cao không phụ thuộc vào phân cực, cho độ truyền qua đạt vùng có chiết suất âm cao (trên 90%) Thứ hai, sử dụng cộng hưởng từ bậc cao nên kích thước tham số cấu trúc siêu vật liệu lớn thơng thường việc chế tạo mẫu hoạt động vùng tần số cao trở nên dễ dàng Cụ thể tạo chiết suất âm quanh vùng 49.64 THz cộng hưởng từ phải tham số cấu trúc phải có giá trị nhỏ gấp 2.3 lần tham số luận văn sử dụng (= tần số cộng hưởng từ bậc 3/cộng hưởng từ = 49.64/22 = 2.3) 53 KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu, luận văn đạt số kết sau: 1.Đã chứng minh mơ tính tốn tạo vùng chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa cách chồng chập cộng hưởng từ bậc ba với cộng hưởng điện vùng GHz vùng hồng ngoại 2.Ngồi ra, chúng tơi vùng chiết suất âm tạo phụ thuộc mạnh vào tham số cấu trúc bán kính đĩa R số mạng ax, phụ thuộc vào số mạng ay, không phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ, nhiên phụ thuộc mạnh vào tổn hao lớp điện môi hoạt động vùng GHz tổn hao ohmic hoạt động vùng tần số cao 54 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu chế tạo thực nghiệm tạo vùng chiết suất âm dựa cộng hưởng từ bậc sử dụng cấu trúc cặp đĩa 55 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Nguyễn Thị Hiền, Phạm Thị Mai Hiên, Nguyễn Thị Hương, Bùi Văn Chỉnh, Nguyễn Xuân Ca, “Ảnh hưởng tham số cấu trúc lên độ mở rộng vùng chiết suất âm cấu trúc lưới đĩa dựa lại hóa Plasmon”, tạp chí Khoa học cơng nghệ Đại Học Thái Nguyên, tập 190, số 14, 2018 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.B.Pendry, A J Holden, W J Steward, and I Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures", Phys Rev Lett 76, 4773 (1996) [2] J Chen, Y Wang, B Jia, T Geng, X Li, L Feng, W Qian, B Liang, X Zhang, and M Gu, “Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies”, Nature Photonics, 5, 239 (2011) [3] V.G.Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ”, Sov Phys Usp 10, 509 (1968) [4] J.B.Pendry, D Schurig, D R Smith, “Controlling electromagnetic fields”, Science 312, 1780 (2006) [5] D Smith, W J Padilla, D Vier, S C Nemat-Nasser, and S Schultz, “Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity”, Phys Rev Lett 84, 4184 (2000) [6] N Fang, H Lee, C Sun, X Zhang, Science 308, 534–537 (2005) [7] N Landy, S Sajuyigbe, J Mock, D Smith, W Padilla, “Perfect metamaterial absorber”, Phys Rev Lett.100, 207402 (2008) [8] Zhiwei Guo, Haitao Jiang, Yunhui Li, Hong Chen, and G S Agarwal, “Enhancement of electromagnetically induced transparency in metamaterials using long range coupling mediated by a hyperbolic material”, Optics Express, 26, 627 (2018) [9] J B Pendry, A J Holden, W J Steward, and I Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures", Phys Rev Lett 76, 4773 (1996) 57 [10] S N Burokur, A Sellier, B Kanté, and A Lustrac, “Symmetry breaking in metallic cut wire pairs metamaterials for negative refractive index”, Appl Phys Lett 94, 201111 (2009) [11] J Pendry, A Holden, D Robbins, and W Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,” GHz Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 47, 2075 (1999) [12] B Kanté, S N Burokur, A Sellier, A Lustrac de, and J M Lourtioz, "Controlling plasmon hybridization for negative refraction metamaterials", Phys Rev B.79, 075121 (2009) [13] J Zhou, E N Economon, T Koschny, and C M Soukoulis, "Unifying approach to left-handed material design", Opt Lett 31, 3620 (2006) [14] N Liu, H Guo, L Fu, S Kaiser, H Schweizer, and H Giessen, “Plasmon Hybridization in Stacked Cut-Wire Metamaterials”, Adv Mater 19, 3628 (2007) [15] Nguyễn Thị Hiền, “Nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc lên dải tần làm việc siêu vật liệu có chiết suất âm”, luận án tiến sĩ, (2016) [16] K Guven, M.D Caliskan, and E Ozbay, “Experimental observation of left-handed transmission in a bilayer metamaterial under normal-to-plane propagation”, Optics Express 14, 8685 (2006) [17] Zhaoyang Shen1, Helin Yang1, Xiaojun Huang1,2 and Zetai Yu, “Design of negative refractive index metamaterial with water droplets using 3D-printing”, Journal of Optics, Volume 19, (2017) [18] V D Lam, B S Tung, N T Hien, L V Hong, and N T Tung, “Design and fabrication of metamaterials operating at GHz frequencies,” J Science and Tech 51, 148 (2013) 58 [19] M Kafesaki, I Tsiapa, N Katsarakis, Th Koschny, C M Soukoulis, and E N Economou, “Left-handed metamaterials: The fishnet structure and its variations”, Phys Rev B 75, 235114 (2007) [20] V D Lam, J B Kim, S J Lee, Y P Lee, “Left-handed behavior of combined and fishnet structures” J Appl Phys 103, 033107 (2008) [21] D T Viet, N T Tung, Nguyen Thi Hien, Y P Lee, B S Tung, and V D Lam, “Multi-plasmon resonances supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials,” J Nonlinear Opt Phys Mater 21, 12500191 (2012) [22] CST.com [23] N I Landy, C M Bingham, T Tyler, N Jokerst, D R Smith, and W J Padilla, “Design, theory, and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging” Phys Rev B 79, 125104 (2009) [24] Sikder Sunbeam Islam, Md Mehedi Hasan, Mohammad Rashed Iqbal Faruque, Mohammad Tariqul Islam, “Double arrow shaped negative index metamaterial for tri-band applications”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 20, 1-6 (2018) [25] Lei Lei, Shun Li, Haixuan Huang, Keyu Tao, and Ping Xu, “Ultrabroadband absorber from visible to near-infrared using plasmonic metamaterial”, Optics Express 26, 5686 (2018) [26] D F P Pile, “New negative index”, Nature Photonics, 13, 303 (2019) [27] N H Shen, L Zhang, T Koschny, B Dastmalchi, M Kafesaki, and C.M Soukoulis, “Discontinuous design of negative index metamaterials based on mode hybridization”, Appl Phys Lett 101, 081913(2012) [28] J.D Jackson, "Classical Electrodynamics", 3rd ed Wiley & Sons, New York, (1999) [29] Nguyễn Thị Hải, Nghiên cứu tính chất siêu vật liệu có chiết suất âm, Đề tài nghiên cứu Khoa học Trường ĐH Khoa học Thái Nguyên (2016) 59 [30] N T Tung, P Lievens, Y P Lee and V D Lam, “Computational studies of a cut-wire pair and combined metamaterials”, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol.2, 033001 (2011) [31] Xiang Xu1, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yuan Hu, Zhaoyang Lin, Lele Peng, Tao Wang, Xuexin Ren, “Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation”, Science, 363, 723-727 (2019) [32] J Zhou, L Zhang, G Tuttle, T Koschny, and C M Soukoulis, Phys Rev B 73, 041101 (2006); [33] S Yves, T Berthelot, M Fink, G Lerosey, and F Lemoult, Left-handed band in an electromagnetic metamaterial induced by sub-wavelength multiple scattering, Appl Phys Lett 114, 111101 (2019)] [34] N T Tung, V D Lam, J W Park, M H Cho, J Y Rhee, W H Jang, and Y P Lee, "Single-and double-negative refractive indices of combined structure", J Appl Phys 106, 053109 (2009) 60 ... cộng hưởng từ bậc cao để tạo chiết suất âm cấu trúc cặp đĩa dựa sở siêu vật liệu Đồng thời tìm ảnh hưởng tham số cấu trúc đến vùng chiết suất âm tạo Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu siêu vật liệu. .. chứng tạo siêu vật liệu có chiết suất âm Có thể kể tên cấu trúc là: cấu trúc kết hợp, cấu trúc fishnet, cấu trúc chữ Φ Để tạo chiết suất âm, cấu trúc cấu tạo từ hai thành phần: Thành phần từ để tạo. .. số FOM vật liệu chiết suất âm kép lớn vật liệu chiết suất âm đơn 1.3 Phƣơng pháp xác định cộng hƣởng điện cộng hƣởng từ cấu trúc cặp dây bị cắt Trong luận văn sử dụng cấu trúc cặp đĩa cấu trúc