Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng GHz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9.44.01.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Vũ Đình Lãm Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, hướng dẫn GS.TS Vũ Đình Lãm Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác NGHIÊN CỨU SINH ĐINH HỒNG TIỆP LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành tới GS TS Vũ Đình Lãm, Thầy ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình học nghiên cứu sinh cơng bố cơng trình khoa học để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn TS Bùi Xuân Khuyến TS Bùi Sơn Tùng động viên trao đổi nhiều ý tưởng khoa học cho công bố luận án Tôi xin chân thành cảm ơn hỗ trợ nhiệt tình thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa (tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam), đặc biệt TS Nguyễn Thị Hiền TS Đặng Hồng Lưu Tôi xin bày tỏ yêu mến lòng biết ơn chân thành đến thầy cô, anh, chị cơng tác Phịng Vật lý Vật liệu từ Siêu dẫn tạo điều kiện động viên suốt thời gian làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi môi trường khoa học chuyên nghiệp, sở vật chất, hỗ trợ kinh phí thủ tục hành thuận lợi q trình nghiên cứu học tập Cuối cùng, tơi xin gửi lịng biết ơn đến gia đình ln tin tưởng nguồn động lực to lớn để tơi hồn thành luận án NGHIÊN CỨU SINH ĐINH HỒNG TIỆP MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử hình thành vật liệu biến hóa ứng dụng 1.2 Lý thuyết môi trường hiệu dụng 11 1.3 Các tương tác điện từ vật liệu biến hóa 13 1.3.1 Cấu trúc cộng hưởng điện 13 1.3.2 Cấu trúc cộng hưởng từ 16 1.4 Sự phối hợp trở kháng vật liệu biến hóa với mơi trường .19 1.5 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 21 1.6 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh dải rộng 30 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Phương pháp quang khắc 37 2.2 Phương pháp mô 40 2.3 Phương pháp đo đạc 41 2.4 Phương pháp tính tốn tham số điện từ hiệu dụng 44 CHƯƠNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH 46 3.1 Hiệu ứng bất đối xứng cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục .46 3.2 Hiệu ứng bất đối xứng cấu trúc vịng cộng hưởng kín 53 3.3 Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép 59 3.4 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X 66 3.5 Kết luận 70 CHƯƠNG MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH TÍCH HỢP POLYMER DẪN 71 4.1 Mở rộng dải tần số hấp thụ MPA dựa việc tích hợp vật liệu polymer dẫn 71 4.2 Mở rộng dải tần số hấp thụ MPA cách thay hoàn toàn cấu trúc kim loại vật liệu polymer dẫn 79 4.3 Kết luận 82 KẾT LUẬN CHUNG 83 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 85 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Broadband Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dải rộng BW Bandwidth Băng thơng Protein BSA Bovine Serum Albumin albumin Bị CW Cut-wire Dây bị cắt CWP Cut-wire pair Cặp dây bị cắt CST Computer simulation technology Công nghệ mô máy tính EMT Effective Medium Theory Lý thuyết mơi trường hiệu dụng EIT Electromagnetically induced transparency Trong suốt cảm ứng điện từ FBW Frequency bandwidth Băng thông tần số Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn GMR Guided-mode resonance Cộng hưởng dẫn sóng MM Metamaterial Vật liệu biến hóa MPA Metamaterial perfect absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ PCB Photolithography Circuit Board Phương pháp quang khắc mạch in RD Ring Disk Cấu trúc đĩa trịn kết hợp với vịng cộng hưởng kín SRR Split-ring resonator Vịng cộng hưởng có rãnh SRD Split Ring Disk Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng có rãnh VNA Vector Network Analyzer Hệ phân tích mạng vector WPT Wireless Power Transfer Dẫn truyền lượng khơng dây BMPA FIT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân loại vật liệu dựa dấu độ điện thẩm từ thẩm [42] Góc phần tư thứ vật liệu thông thường với đồng thời ε > µ>0 Giá trị ε < quan sát thấy vùng tần số quang học kim loại Trường hợp µ