(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax

(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế và mô phỏng vật liệu meta có kích thước siêu nhỏ hập thụ sóng điện từ trong vùng tần số LTE Bluetooth Wimax

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN TIẾN LÂM THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG VẬT LIỆU META CĨ KÍCH THƯỚC SIÊU NHỎ HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ TRONG VÙNG TẦN SỐ LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hồng Hạnh TS Bùi Xuân Khuyến THÁI NGUYÊN - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Vũ Thị Hồng Hạnh TS Bùi Xuân Khuyến Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Học viên Trần Tiến Lâm i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Vũ Thị Hồng Hạnh TS Bùi Xuân Khuyến Thầy Cơ ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn GS TS Vũ Đình Lãm (Học viện Khoa học Công nghệ Việt Nam), TS Bùi Sơn Tùng, TS Nguyễn Thị Hiền, CN Nguyễn Vân Ngọc giúp đỡ trao đổi ý tưởng khoa học liên quan đến cơng trình luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thành viên Nhóm nghiên cứu Metamaterials Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ, hỗ trợ suốt thời gian thực đề nghiên cứu Viện Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Thầy Cô Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên dày công trang bị tri thức, tạo điều kiện thuận lợi môi trường mô phạm đại giúp cho tơi trưởng thành q trình học tập Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln bên cạnh động viên tơi vượt qua khó khăn suốt trình thực luận văn Học viên Trần Tiến Lâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa 1.2 Lịch sử hình thành phát triển vật liệu biến hóa 1.3 Định nghĩa phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ 11 1.4 Cơ chế hấp thụ vật liệu biến hóa 13 1.5 Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 14 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Phương pháp mô 18 2.2 Phương pháp chế tạo 20 2.3 Phương pháp đo đạc 22 Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN NGOẠI VI LÊN ĐẶC TÍNH HẤP THỤ SĨNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HĨA 24 3.1 Tích hợp MPA với tụ điện cuộn cảm 24 3.2 Điều khiển dải tần số hấp thụ vật liệu biến hóa vùng tần số WIMAX/WLAN 31 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 37 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt CST Computer Simulation Technology Công nghệ mô máy tính CW Cut - Wire Dây bị bắt MM Metamaterial Vật liệu biến hóa MPA Metamaterial Perfect Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối SRR Split - Ring Resonator Vịng cộng hưởng có rãnh TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: So sánh cấu trúc vật liệu truyền thống vật liệu biến hóa Hình 1.2: Sơ đồ mơ tả tín hiệu phát (a) tín hiệu thu (b) từ hai phía mơi trường Hình 1.3: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động vùng tần số GHz; (b) Phổ phản xạ truyền qua tương ứng Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động siêu thấu kính dựa vật liệu biến hóa có chiết suất âm 10 Hình 1.5: Ngun lý hoạt động áo chồng tàng hình Nhờ cách xếp lớp vật liệu biến hóa có chiết suất khác (hình a) cách hợp lý xung quanh vật thể, ánh sáng bị bẻ cong khơng phản xạ (hình b) vật thể trở nên "tàng hình" 11 Hình 1.6: (a) Các thành phần cấu thành nên vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (từ trái sang phải): vịng cộng hưởng có rãnh (SRR), kim loại bị cắt (CW) cấu trúc kết hợp MPA; (b) So sánh phổ hấp thụ trường hợp mô (đỏ), thực nghiệm (xanh lục) tính tốn (nét đứt) độ hấp thụ thay đổi theo góc tới sóng điện từ 12 Hình 1.7: Một số ứng dụng bật vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ thực tế, từ trái sang phải: Cảm biến y sinh, vi nhiệt kế ảnh nhiệt 15 Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu luận văn 17 Hình 2.2: Hình ảnh minh họa phần mềm thương mại CST 19 Hình 2.3: Quy trình hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa IMS 20 Hình 2.4: Các bước chế tạo vật liệu biến hóa 21 Hình 2.5: Một số mẫu chế tạo phương pháp quang khắc mạch in tiêu chuẩn với cấu trúc hình dạng khác 22 v Hình 2.6: Hệ đo Vector Network Analyzer Rodge & Schawarz ZNB20 đặt Viện Khoa học vật liệu Ký hiệu θ góc tới sóng điện từ đến bề mặt mẫu MPAs 23 Hình 3.1: (a) Sơ đồ thiết kế ô sở MPA đề xuất Sự phụ thuộc độ hấp thụ mô theo biến đổi (b) tụ điện (c) cuộn cảm tích hợp rãnh cấu trúc MPA đề xuất 25 Hình 3.2: Phổ hấp thụ mơ theo góc tới sóng điện từ trường hợp phân cực (a) TE (b) TM, trường hợp tích hợp tụ điện C = 200 pF 26 Hình 3.3: Phổ hấp thụ mơ theo góc tới sóng điện từ trường hợp phân cực (a) TE (b) TM, trường hợp tích hợp cuộn cảm L = 200 nH 26 Hình 3.4: Mơ phân bố chiều cho lượng từ trường cảm ứng lượng tổn hao tần số (a) - (b) 106,3 MHz (c) - (d) 1,9 GHz 27 Hình 3.5: Thiết kế cấu trúc sở (bên trái) mẫu chế tạo (bên phải) MPA tích hợp với hai loại tụ điện để đạt hấp thụ đỉnh kép 106 MHz 123 MHz 28 Hình 3.6: So sánh phổ mô thực nghiệm trường hợp góc tới TE: (a) 5o, (b) 15o, (c) 30o, (d) 45o (e) 55o 29 Hình 3.7: Mơ hình điều khiển độ hấp thụ BMPA đa lớp D1 D2 tương ứng đường kính đĩa trịn vị trí hình nón cụt t1 L tương ứng chiều dày đế điện môi (FR-4) chiều cao mực nước tích hợp vào khơng gian ô sở 31 Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào độ cao (L) môi trường nước tích hợp vào cấu trúc BMPA 32 vi Hình 3.9: Phân bố mật độ dịng điện cảm ứng tần số 4.7 GHz trường hợp L = mm 33 Hình 3.10: Phân bố lượng (a) điện trường cảm ứng (b) từ trường cảm ứng tần số 4.7 GHz trường hợp L = mm 34 Hình 3.11: Phổ hấp thụ mơ với (a) thay đổi góc tới (b) góc phân cực sóng điện từ trường hợp L = mm 35 vii MỞ ĐẦU Những năm gần đây, cách mạng khoa học cơng nghệ việc tìm kiếm nghiên cứu vật liệu diễn sôi động nước toàn giới Mục tiêu cách mạng hướng đến việc tìm loại vật liệu với hiệu sử dụng cao, dễ dàng sản xuất thương mại với chi phí rẻ có tính chất điện từ vượt trội so với vật liệu truyền thống Trong trình nghiên cứu, xuất phát từ mơ hình tính tốn lý thuyết, nhà khoa học tìm kiểm chứng loại vật liệu nhân tạo có tên vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) mà tính chất điện từ chúng điều khiển cách xếp cấu trúc cộng hưởng (giả nguyên tử) khác [27] Hiện có nhiều hướng nghiên cứu khác MMs, điển Việt Nam triển khai nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm MMs chiết suất âm, MMs suốt cảm ứng điện từ MMs dẫn truyền lượng khơng dây dựa MMs Ngồi ra, số hướng nghiên cứu có tiềm lớn vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (Metamaterial Perfect Absorbers MPAs) Vật liệu đề xuất chế tạo lần vào năm 2008 Landy cộng Landy rằng, đồng thời điều khiển ɛeff = µeff trì cộng hưởng điện (hoặc từ) mạnh MMs hấp thụ gần tuyệt đối sóng điện từ thể tích khơng gian siêu nhỏ (chiều dày giảm xuống λ/30 so với bước sóng hấp thụ) Khám phá vượt qua giới hạn kích thước vật liệu hấp thụ truyền thống (λ/4) nên nhiều nhóm nghiên cứu giới quan tâm phát triển cho ứng dụng quốc phòng an ninh, y sinh [36] Bên cạnh đó, MPAs cịn có nhiều ưu điểm mỏng nhẹ, dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ dàng điều khiển tính chất điện từ dựa tác động ngoại vi dễ dàng tích hợp với thiết bị điện tử lọc tần số [1], cảm biến y sinh [35] Với tính chất đặc biệt khả ứng dụng cao thực tế, vật liệu biến hóa thu hút quan tâm không nhỏ nhà nghiên cứu khoa học nước Thống kê cho thấy số lượng báo cơng trình nghiên cứu khoa học nước quốc tế tăng lên nhanh chóng thời gian gần Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa dần tiếp cận mơ hình MPAs dải tần số thấp cho định hướng ứng dụng thơng tin liên lạc - viễn thơng Trong đó, tiên phong nhóm nghiên cứu MMs Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (IMS - MetaGroup) GS TS Vũ Đình Lãm phát triển bề dày kinh nghiệm mô - chế tạo đo đạc Những năm gần đây, phủ nước phát triển ưu tiên sử dụng công nghệ cao vào lĩnh vực giáo dục, nông nghiệp, y tế, … đặc biệt công nghệ viễn thông Nhận thấy tầm quan trọng xu hướng phát triển MMs, Thủ tướng Chính phủ Quyết định số 66/2014/QĐ-TTg 13/2017/QĐ-TTg việc phê duyệt sửa đổi, bổ sung danh mục công nghệ cao ưu tiên đầu tư phát triển danh mục sản phẩm công nghệ cao khuyến khích phát triển, có Cơng nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, quang điện tử, quang tử siêu vật liệu biến hóa (Metamaterials) Trong đó, công nghệ giao tiếp trường gần chiếm phần lớn thời gian tâm huyết nhà nghiên cứu phát triển ứng dụng nhằm tìm giải pháp cho thiết bị đa với kích thước nhỏ gọn mà trì hiệu suất hoạt động ổn định phạm vi rộng Do đó, vật liệu biến hóa giải pháp tiên phong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vùng tần số thấp Đã có nhiều đề xuất hiệu nhằm thu nhỏ kích thước sở MPAs định hướng cho ứng dụng vùng tần số Rada vô tuyến như: công nghệ nhận dạng tần số vô Để kiểm chứng thực nghiệm mơ hình tích hợp MPA với tụ điện, lựa chọn thiết kế cấu trúc đơn giản hơn, quan sát Hình 3.5 Trong trường hợp này, hai loại tụ điện (C 1) (C2) tích hợp vào rãnh khơng khí tạo cấu trúc hình vng Các thơng số tối ưu cho cấu trúc là: t = 3.0, A = 66.0 W = 30.0 mm; C1 = 360 pF C2 =180 pF Hình 3.6: So sánh phổ mơ thực nghiệm trường hợp góc tới TE: (a) 5o, (b) 15o, (c) 30o, (d) 45o (e) 55o 29 Kết mô thực nghiệm mơ hình MPA có cấu trúc hình vng trình bày Hình 3.6 Dễ thấy, vị trí tần số biên độ hấp thụ có phù hợp tốt mô thực nghiệm Cơ chế hấp thụ cấu trúc dựa cộng hưởng từ, thảo luận cơng trình trước nhóm chúng tơi [9] Độ hấp thụ lớn đạt mô (thực nghiệm) góc tới 50, 150, 300, 450 550 tương ứng là: 96.5% (93.88%), 99.6% (98.3%), 99.8% (97.6%), 95.2% (97.4%) 85.4% (88.2%) Cần nhấn mạnh rằng, đỉnh hấp thụ đạt cộng hưởng từ bậc cao hệ ăngten đo IMS hoạt động từ 1-18 GHz Tại tần số hấp thụ thực nghiệm bậc cao thấp (3.07 GHz), giá trị chiều dày MPA tối ưu là: t = λ/32 Kết luận Trong phần này, khảo sát tính chất hấp thụ mơ hình MPA đưa phương pháp đơn giản để thu nhỏ kích thước ô sở đến giá trị số mạng 0,01λ độ dày 0,001λ tần số 103,6 MHz Đặc biệt, cách chuyển đổi phần tử tích hợp vào cấu trúc ban đầu, chúng tơi dịch chuyển dải tần số hấp thụ mong muốn Cả hai mơ hình MPA tích hợp xác nhận hai đỉnh hấp thụ (độ hấp thụ 90%) trì tốt cho góc tới sóng điện từ 50o Đặc biệt, mơ hình tích hợp với tụ điện hoạt động tốt dải tần số WiMAX/WLAN (3 - GHz) dựa cộng hưởng từ bậc cao với chiều dày 0.03λ Do đó, chúng tơi tin MPA tối ưu sử dụng rộng rãi để đồng thiết bị vô tuyến/viễn thông tương lai 30 3.2 Điều khiển dải tần số hấp thụ vật liệu biến hóa vùng tần số WIMAX/WLAN Hình 3.7: Mơ hình điều khiển độ hấp thụ BMPA đa lớp D1 D2 tương ứng đường kính đĩa trịn vị trí hình nón cụt t1 L tương ứng chiều dày đế điện mơi (FR-4) chiều cao mực nước tích hợp vào không gian ô sở Để tiến tới ứng dụng MPA thực tiễn, vấn đề điều khiển biên độ tần số hấp thụ lĩnh vực nghiên cứu đẩy mạnh lý thuyết thực nghiệm, đặc biệt quan trọng MPAs hấp thụ dải rộng Mơ hình cấu trúc BMPA dạng hình nón cụt (đa lớp) thiết kế trình bày Hình 3.7 Cấu trúc bao gồm lớp FR-4 (chiều dày 1.182 mm) phủ Đồng (chiều dày 0.036 mm) có hình đĩa tròn Các cặp vật liệu đặt đế điện môi (FR-4 chiều dày t1 = 2.2 mm) Độ dẫn lớp kim loại Đồng 5.8×107S/m, số điện mơi hệ số tổn hao FR-4 4.2 0.025 Chất lỏng tích hợp khe tạo sở liền kề lựa chọn 31 Nước, có số điện môi hệ số tổn hao vùng tần số từ đến GHz sử dụng theo tài liệu tham khảo [39] Các tham số cấu trúc tối ưu là: A = 23.8, D1= 21.8, D2 = 13.8 h = 6.3 mm Số cặp lớp kim loại - điện môi thiết kế tạo thành cấu trúc hình nón cụt 27 Ý tưởng mơ hình nhằm đạt dải hấp thụ sóng điện từ rộng dựa hai yếu tố: xếp chồng cặp kim loại - điện môi thay đổi bán kính cặp đĩa từ D1 đến D2 có tác dụng tạo đa đỉnh hấp thụ tần số gần Để dịch chuyển phổ hấp thụ dải rộng, Nước tích hợp vào khoảng không gian ô sở liền kề Do Nước có độ dẫn điện thấp (1.59 S/m) nên mong đợi có tác dụng nối tắt Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ hấp thụ vào độ cao (L) mơi trường nước tích hợp vào cấu trúc BMPA Hình 3.8 kết mô thay đổi phổ hấp thụ ứng với độ cao nước tích hợp cấu trúc BMPA Độ rộng tương đối (FBW) phổ hấp thụ tính tốn theo cơng thức sau: FBW=[2(fhigh-flow)/(fhigh+flow)] Trong đó, fhigh flow tương ứng với vị trí tần số cao thấp mà 32 độ hấp thụ đạt 90% Ở trạng thái ban đầu chưa có Nước (Non-Water), độ hấp thụ đạt 90% từ 3.99 GHz tới 5.27 GHz (độ rộng tương đối đạt giá trị cực đại FWB = 27.6%) Khi mực nước tăng dần từ đến mm, độ rộng tương đối phổ hấp thụ giảm dần Các giá trị mô tương ứng là: FWB = 21.6% L = mm FWB = 13.5% L = mm Đặc biệt, L tiếp tục tăng, độ hấp thụ giảm xuống 90% (L= mm) 40% (L = mm) Hình 3.9: Phân bố mật độ dòng điện cảm ứng tần số 4.7 GHz trường hợp L = mm Để giải thích chế điều khiển độ rộng tương đối phổ hấp thụ BMPA, tiến hành mơ phân bố mật độ dịng cảm ứng lượng điện trường từ trường cảm ứng cấu trúc BMPA Hình 3.9 minh họa phân bố mật độ dòng điện cảm ứng tần số thấp (4.7 GHz) phổ hấp thụ trường hợp L = mm Dễ nhận thấy rằng, mật độ điện tích cảm ứng 33 tập trung cặp đĩa kim loại, sát bề mặt phân cách Nước khơng khí Hiện tượng dẫn tới phân bố mật độ lượng điện trường từ trường cảm ứng tần số 4.7 GHz quan sát Hình 3.10 Có thể nhận xét rằng, mơ hình BMPA đa lớp, chất hấp thụ xuất phát từ cộng hưởng từ (minh chứng dòng điện đối song xuất bề mặt cặp đĩa kim loại, tương tự chế phân tích tài liệu tham khảo [29]) Thể tích Nước tăng dần nối tắt cặp đĩa kim loại có bán kính từ lớn đến nhỏ hay làm triệt tiêu cộng hưởng xảy tần số thấp đến tần số cao Do đó, lượng điện trường từ trường cảm ứng tăng cường phần cấu trúc không bị nhúng môi trường Nước Hệ bề rộng phổ hấp thụ bị thu hẹp lại phía tần số cao (trong vị trí đỉnh hấp thụ cao gần khơng thay đổi) Hình 3.10: Phân bố lượng (a) điện trường cảm ứng (b) từ trường cảm ứng tần số 4.7 GHz trường hợp L = mm Để khảo sát xa hoạt động ổn định BMPA phương pháp điều khiển này, mô thay đổi phổ hấp thụ góc phát xạ 34 góc phân cực khác sóng điện từ, quan sát Hình 3.11 Trong trường hợp góc tới sóng điện từ thay đổi từ đến 300, L = mm, độ rộng tương đối phổ hấp thụ trì giá trị FWB = 21.6% (độ hấp thụ lớn 90% từ 4.25 đến 5.26 GHz) Khi góc tới đạt giá trị 40o, độ hấp thụ giảm xuống 81% dải tần số Nguyên nhân dẫn đến suy giảm độ hấp thụ giải thích thơng qua phối hợp trở kháng khơng hồn hảo cấu trúc BMPA với khơng khí góc phát xạ lớn Tuy nhiên, trường hợp thay đổi góc phân cực sóng điện từ từ 00 đến 450 phổ hấp thụ gần không thay đổi tính đối xứng cấu trúc mặt phẳng vng góc với phương truyền sóng điện từ Có thể kết luận rằng, phương pháp điều khiển biên độ tần số hấp thụ BMPA dựa việc tích hợp với mơi trường Nước thỏa mãn điều kiện khắt khe thực tiễn (góc phát xạ rộng không phụ thuộc vào phân cực) Hình 3.11: Phổ hấp thụ mơ với (a) thay đổi góc tới (b) góc phân cực sóng điện từ trường hợp L = mm Kết luận 35 Trong phần này, đề xuất nghiên cứu mơ hình đơn giản để điều khiển độ rộng vùng tần số hấp thụ sóng điện từ gần tuyệt đối vật liệu biến hóa tích hợp với chất lỏng Sử dụng lợi cộng hưởng từ cấu trúc đa lớp, độ rộng tương đối phổ hấp thụ FWB = 27.6% điều khiển linh hoạt 21.6% (khi L = mm), 13.5% (khi L = mm) độ hấp thụ 40% (khi L = mm) Phương pháp điều khiển hoạt động ổn định góc tới lên tới 300 góc phân cực sóng điện từ chiếu đến Các kết tảng quan trọng để mở rộng khả tích hợp BMPA với mơi trường vật chất tự nhiên, đặc biệt cho định hướng ứng dụng lĩnh vực cảm biến 36 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn đề xuất, tối ưu chế tạo số cấu trúc MPAs kích thước nhỏ, hấp thụ đơn đỉnh dải rộng vùng tần số thấp: - Mô cấu trúc nối tắt mặt trước sau sử dụng để tích hợp tụ điện cuộn cảm nhằm đưa vùng tần số hấp thụ vùng MHz Các kết mô xác nhận độ hấp thụ đạt 90% 106,3 MHz góc tới sóng điện từ lên tới 500 Đặc biệt, độ dày mẫu so với bước sóng hấp thụ có giá trị nhỏ: t =/940 Trong trường hợp thay tụ điện cuộn cảm vào cấu trúc MPA ban đầu, đỉnh hấp thụ đạt 90% tần số 1,9 GHz ứng với góc tới 50o Độ dày trường hợp t =/53 - Đã chế tạo đo đạc cấu trúc MPA có cấu trúc hình vng tích hợp tụ điện để hấp thụ vùng tần số từ - GHz Kết cho thấy, độ hấp thụ thực nghiệm đạt gần 90% góc tới sóng điện từ lên tới 50o - Đã đề xuất điều khiển đặc tính hấp thụ dải rộng (Broadband metamaterial perfect absorber - BMPA) vùng tần số thấp (WiMAX-WLAN), cách tích hợp chất lỏng (nước) vào cấu trúc đa lớp Theo kết mô phỏng, tỷ số độ rộng băng tần (FBW) 27.6% phổ hấp thụ (độ hấp thụ 90% từ 3.99 đến 5.27 GHz) điều chỉnh linh hoạt hấp thụ dải hẹp hấp thụ đơn đỉnh tùy theo thể tích chất lỏng sử dụng Đặc biệt, phương pháp điều khiển áp dụng hiệu (bảo tồn giá trị FBW) góc tới rộng (30o) cho góc phân cực sóng điện từ Các kết góp phần làm tăng khả thực hóa thiết bị điện tử thơng minh tương lai tích hợp với BMPA hoạt động đa chức lĩnh vực quân sự, cảm biến thông tin liên lạc Hướng nghiên cứu MPAs hoạt động vùng tần số thấp: 37 - Kiểm soát biến đổi biên độ tần số phổ hấp thụ thông qua chiều dày vật liệu plasmonic hai chiều (2D) sử dụng; - Cải tiến cơng nghệ tích hợp vật liệu 2D đa dạng đơn giản hơn, không cần sử dụng mặt nạ; - Điều khiển tính chất hấp thụ thay hoàn toàn lớp kim loại 2D; - Tối ưu mơ hình kiểm chứng thực nghiệm hấp thụ hai chiều dựa cấu trúc đẳng hướng; - Điều khiển biên độ tần số hấp thụ dựa tác động ngoại vi (cơ học, nhiệt, điện); - Điều khiển chuyển đổi linh hoạt hiệu ứng chuyển đổi phân cực hấp thụ cấu trúc bất đối xứng 38 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Tran Tien Lam, Dinh Ngoc Dung, Dinh Van Thien, Pham The Linh, Le Dac Tuyen, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung and Vu Dinh Lam, “Influence of the integrated elements on perfect absorption in ultrathin metamaterial perfect absorber” CASEAN - 6, 23rd-26th Octorber, Thai Nguyen City, Vietnam, P39 (2019) Tran Tien Lam, Dinh Thi Nga, Dinh Van Thien, Nguyen Sy Khiem Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, and Vu Dinh Lam, “Ultrathin perfect absorber based on integrated metamaterial,” Vietnam Journal of Science and Technology (2020) (Submitted) Bùi Xuân Khuyến, Bùi Sơn Tùng, Nguyễn Thanh Tùng, Trần Tiến Lâm, Vũ Thị Hồng Hạnh, Đỗ Thùy Chi, Nguyễn Thị Hiền Trần Văn Huỳnh, Vũ Đình Lãm, “Điều khiển dải tần số hấp thụ vật liệu biến hóa vùng tần số WiMAX-WLAN”, SPMS2019, Tập 1, trang 119-123 Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Nguyen Thanh Tung, Pham Thanh Son, Tran Tien Lam, Nguyen Thi Hien, Young Ju Kim, YoungPak Lee, and Vu Dinh Lam, “Dependence of high-order absorption on incident radiation for ultrathin metamaterial,” The 4th International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, 13rd-16th Octorber, Hanoi, Vietnam, IN12 (2019) Pham The Linh, Nguyen Thi Viet Ninh, Nguyen Dinh Quang, Tran Tien Lam, Nguyen Van Ngoc, Bui Xuan Khuyen,Nguyen Thi Hien, Vu Dinh Lam, and Bui Son electromagneticallyinduced Tung, “All-dielectric transparency in Communications in Physics 30(2), 189-196(2020) 39 metamaterial optical for region,” TÀI LIỆU THAM KHẢO Bonache, J., et al., Novel microstrip bandpass filters based on complementary split-ring resonators IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006 54(1): p 265-271 Chen, J., et al., Observation of the inverse Doppler effect in negative-index materials at optical frequencies Nature Photonics, 2011 5(4): p 239-242 Costa, F., S Genovesi, and A Monorchio, A chipless RFID based on multiresonant high-impedance surfaces IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2012 61(1): p 146-153 Costa, F., et al., Low-cost metamaterial absorbers for sub-GHz wireless systems IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013 13: p 27-30 Dang, H.L., et al., Broadband metamaterial perfect absorber obtained by coupling effect Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials, 2017 26(03): p 1750036 Dhar, A., et al., Metamaterial Mirror as Back Reflector for Thin Silicon Solar Cell Application Materials Today: Proceedings, 2018 5(11): p 23203-23209 Ding, F., et al., Ultra-broadband microwave metamaterial absorber Applied physics letters, 2012 100(10): p 103506 Fang, N., et al., Sub–diffraction-limited optical imaging with a silver superlens Science, 2005 308(5721): p 534-537 Khuyen, B.X., et al., Ultra-subwavelength thickness for dual/triple-band metamaterial absorber at very low frequency Scientific reports, 2018 8(1): p 1-9 10 Khuyen, B.X., et al., Realization for dual-band high-order perfect absorption, based on metamaterial Journal of Physics D: Applied Physics, 2019 53(10): p 105502 11 Kim, Y.J., et al., Flexible ultrathin metamaterial absorber for wide frequency band, based on conductive fibers Science and Technology of Advanced Materials, 2018 19(1): p 711-717 12 Koschny, T., et al., Effective medium theory of left-handed materials Physical review letters, 2004 93(10): p 107402 40 13 Labidi, M and F Choubani, Performances enhancement of metamaterial loop antenna for terahertz applications Optical Materials, 2018 82: p 116-122 14 Landy, N.I., et al., Perfect metamaterial absorber Physical review letters, 2008 100(20): p 207402 15 Liu, N., et al., Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor Nano letters, 2010 10(7): p 2342-2348 16 Liu, X., et al., Infrared spatial and frequency selective metamaterial with nearunity absorbance Physical review letters, 2010 104(20): p 207403 17 Luu, D.H., et al., Multi-band absorption induced by near-field coupling and defects in metamaterial Optik, 2018 156: p 811-816 18 Nguyen, H.T., et al., Broadband negative refractive index obtained by plasmonic hybridization in metamaterials Applied Physics Letters, 2016 109(22): p 221902 19 Nguyen, T.A., et al., Enhanced Perpendicular Exchange Bias in Co/Pd Antidot Arrays Journal of Electronic Materials, 2019 48(3): p 1492-1497 20 Niesler, F.B., et al., Metamaterial metal-based bolometers Applied Physics Letters, 2012 100(20): p 203508 21 Okano, Y., S Ogino, and K Ishikawa, Development of optically transparent ultrathin microwave absorber for ultrahigh-frequency RF identification system IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2012 60(8): p 2456-2464 22 Oldham, K.T.S., The doctrine of description: Gustav Kirchhoff, classical physics, and the “purpose of all science” in 19 th-century Germany 2008: University of California, Berkeley 23 Pendry, J.B., Negative refraction makes a perfect lens Physical review letters, 2000 85(18): p 3966 24 Pendry, J.B., et al., Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures Physical review letters, 1996 76(25): p 4773 25 Pendry, J.B., et al., Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1999 47(11): p 2075-2084 41 26 Pendry, J.B., D Schurig, and D.R Smith, Controlling electromagnetic fields science, 2006 312(5781): p 1780-1782 27 Ramakrishna, S.A and T.M Grzegorczyk, Physics and applications of negative refractive index materials 2008: CRC press 28 Smith, D., et al., Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials Physical review E, 2005 71(3): p 036617 29 Smith, D.R., et al., Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity Physical review letters, 2000 84(18): p 4184 30 Tung, B.S., et al., Multi-band near-perfect absorption via the resonance excitation of dark meta-molecules Optics Communications, 2015 356: p 362-367 31 Tung, B.S., et al., Reversibly-propagational metamaterial absorber for sensing application Modern Physics Letters B, 2018 32(04): p 1850044 32 Van Dung, N., et al., Simple metamaterial structure enabling triple-band perfect absorber Journal of Physics D: Applied Physics, 2015 48(37): p 375103 33 Van Dung, N., et al., Metamaterial perfect absorber using the magnetic resonance of dielectric inclusions Journal of the Korean Physical Society, 2016 68(8): p 1008-1013 34 Viktor, G., The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ Soviet physics uspekhi, 1968 10(4): p 509 35 Wang, S., et al., Terahertz biosensing based on a polarization-insensitive metamaterial IEEE Photonics Technology Letters, 2016 28(9): p 986-989 36 Watts, C.M., X Liu, and W.J Padilla, Metamaterial electromagnetic wave absorbers Advanced materials, 2012 24(23): p OP98-OP120 37 Yagitani, S., et al., Imaging radio-frequency power distributions by an EBG absorber IEICE transactions on communications, 2011 94(8): p 2306-2315 38 Yoo, Y., et al., Flexible and elastic metamaterial absorber for low frequency, based on small-size unit cell Applied physics letters, 2014 105(4): p 041902 39 Yoo, Y.J., et al., Metamaterial absorber for electromagnetic waves in periodic water droplets Scientific reports, 2015 5: p 14018 42 40 Ziolkowski, R.W., Pulsed and CW Gaussian beam interactions with double negative metamaterial slabs Optics Express, 2003 11(7): p 662-681 41 Zuo, W., et al., A miniaturized metamaterial absorber for ultrahigh-frequency RFID system IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2016 43 ... kế mơ vật liệu Meta có kích thước siêu nhỏ hấp thụ sóng điện từ vùng tần số LTE/ BLUETOOTH/ WIMAX? ?? Kết thu luận văn hứa hẹn góp phần đáng kể việc tìm thực hóa thiết bị điện tử tiên tiến dựa vật. .. phân loại vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ (MPA) vật liệu có khả hấp thụ hồn tồn lượng sóng điện từ chiếu tới khơng có thành phần... TÍNH HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA 24 3.1 Tích hợp MPA với tụ điện cuộn cảm 24 3.2 Điều khiển dải tần số hấp thụ vật liệu biến hóa vùng tần số WIMAX/ WLAN 31 KẾT LUẬN