Nghiên cứu chế tạo vật liệu biến hóa một chiều hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc đĩa tròn

ỜI Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tơi nghiên cứu suốt thời gian học thạc sĩ hướng dẫn PGS.TS Vũ Đình Lãm số liệu kết trung thực chưa công bố cơng trình sở khác dạng luận văn GƢỜI PHẠM HẢI ỜI Ả Ơ Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS TS Vũ Đình Lãm, người thầy dành nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn tơi nghiên cứu hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn CN.Vũ Đình Q, CN Lê Đình Hải, CN Trịnh Thị Giang, NCS Đặng Hồng Lưu, TS Nguyễn Thị Hiền, NCS Phạm Thị Trang, TS Nguyễn Thanh Tùng…và thành viên nhóm nghiên cứu Metamaterial Phòng Vật lý Vật liệu Từ Siêu dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam giúp đỡ, tương trợ suốt thời gian thực đề tài nghiên cứu nhóm Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Viện ITIMS tận tình giảng dạy, đào tạo tạo điều kiện q trình tơi học tập nghiên cứu luận văn Luận văn thực hỗ trợ kinh phí từ đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam mã số VAST 03.02(15-16) Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè người thân tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Hà nội, ngày 27 tháng năm 2016 HỌC VIÊN PHẠM HẢI Ụ Ụ ỜI ỜI Ả Ơ Ụ Ụ D H Ụ Á KÝ HIỆU VIẾT TẮT D H Ụ Á HÌ H VẼ Ở ẦU HƢƠ G I: TỔ G QU 1.1 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa 1.2 Khái niệm vật liệu biến hóa 1.3 Các hướng nghiên cứu vật liệu biến hóa 1.3.1.Vật liệu có chiết suất âm 1.3.2 Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ 1.4 Mơ hình giải thích tương tác sóng điện từ với vật liệu biến hóa 11 1.5 Cơ chế hấp thụ sóng điện từ 13 1.6 Một số ứng dụng vật liệu biến hóa 15 HƢƠ G II: PHƢƠ G PHÁP GHIÊ ỨU 18 2.1 Lựa chọn cấu trúc vật liệu 18 2.2 Phương pháp mô 20 2.3 Phương pháp thực nghiệm 21 2.3.1 Xây dựng hệ thiết bị chế tạo mẫu 21 2.3.2 Quy trình chế tạo mẫu 22 2.3.3 Phương pháp đo 24 HƢƠ G III KẾT QUẢ VÀ THẢ UẬ 25 3.1 Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa cấu trúc đĩa tròn 25 3.1.1 Cấu trúc đĩa tròn 25 3.1.1.1 Phổ hấp thụ vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa tròn 25 3.1.1.2 Ảnh hưởng phân cực sóng điện từ lên tính chất hấp thụ cấu trúc đĩa tròn 29 3.1.2 Cấu trúc nhẫn tròn 33 3.2 Cấu trúc kết hợp Đĩa-Nhẫn tròn (Dish-ring) 34 3.3 Cấu trúc Đĩa-Nhẫn trịn có rãnh (Dish-split ring) 37 3.4 Hấp thụ dải rộng 42 KẾT UẬ 47 Ơ G TRÌ H Ã Ô G BỐ IÊ QU Ế HƢỚ G GHIÊ ỨU Ủ UẬ VĂ 48 TÀI IỆU TH KHẢ 49 D H Ụ Á KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ MMs Metamaterials MPAs Metamaterial perfect absorber MA Metamaterial absorber CW Cut-wire CWP Cut-wire pair SRR Split-ring resonator CST Computer simulation technology D H Ụ Á HÌ H VẼ Hình 1.1 Sự tương tự mặt cấu tạo vật liệu biến hóa vật liệu truyền thống Hình 1.2 Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) góc phần tư thứ .7 Hình 1.3 (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động tần số GHz; (b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu có cấu trúc SRR Hình 1.4 (a) Ơ sở vật liệu biến hóa có cấu trúc cặp dây bị cắt, gồm lớp: hai lớp kim loại hai bên lớp điện môi giữa, (b) mạch tương đương LC 11 Hình 1.5 Vật liệu biến hóa hoạt động tần số THz 16 Hình 1.6 Hình minh họa sử dụng vật liệu biến hóa làm vật liệu tàng hình 16 Hình 2.1 Sơ đồ tiến trình nghiên cứu .18 Hình 2.2 Sơ đồ tối ưu hóa cấu trúc từ cấu trúc vịng cộng hưởng 19 Hình 2.3 Giao diện chương trình mơ – CST Microwave Studio 2015 21 Hình 2.4 Hệ thiết bị chế tạo vật liệu biến hóa 22 Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động vùng GHz 22 Hình 2.6 (a) Cấu trúc sở có tham số cấu trúc: a = 15 mm, R=2.4 mm, độ dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ dày lớp đồng tm = 0.036 mm; (b) Mẫu chế tạo .23 Hình 2.7 Hệ thiết bị Vector Network Analyzer đặt Viện Khoa học kỹ thuật Quân - Việt Nam .24 Hình 3.1.Cấu trúc đĩa trịn, (a) Ơ sở, phân cực sóng điện từ, (b) Mẫu chế tạo, có tham số cấu trúc a = 15 mm, R = 2.4 mm, độ dày lớp điện môi td = 0.8 mm, độ dày lớp đồng tm = 0.036 mm 25 Hình 3.2 (a) Phổ hấp thụ vật liệu biến hóa có cấu trúc đĩa trịn (b) So sánh kết mơ thực nghiệm 26 Hình 3.3 Sự phân bố dòng bề mặt cấu trúc đĩa tròn, (a) Sự phân bố dòng mặt trước, (b) Sự phân bố dòng mặt sau .27 Hình 3.4 (a) Mặt cắt cấu trúc theo phương H-k; (b)Mặt cắt cấu trúc theo phương E-H; (c) Mạch điện tương đương cấu trúc đĩa trịn .27 Hình 3.5 (a) Ảnh hưởng góc phân cực , (b) Ảnh hưởng góc tới θ, (c) Ảnh hưởng góc tới ψ 30 Hình 3.6 Cấu trúc đĩa trịn có tham số cấu trúc: R = 2.4 mm, td = 0.8 mm, a = 15 mm: (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết mơ phụ thuộc độ hấp thụ vào góc phân cực 30 Hình 3.7 (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết mô phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới θ 31 Hình 3.8 (a) Sự phân cực sóng điện từ; (b) Kết mô phụ thuộc phổ hấp thụ vào góc tới ψ .33 Hình 3.9 Cấu trúc nhẫn tròn, (a) Các tham số cấu trúc: a = 15 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm, td = 0.8 mm, tm = 0.036 mm; (b) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng cấu trúc nhẫn trịn, (c) Kết mơ .33 Hình 3.10 (a) Ơ sở cấu trúc Dish-ring có tham số cấu trúc a = 15 mm, R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm; (b) Mẫu chế tạo (c), (d) Kết mô thực nghiệm phổ hấp thụ cấu trúc Dish-ring 35 Hình 3.11 Sự phân bố dịng bề mặt cấu trúc Dish-ring 8.9 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng mặt trước mặt sau cấu trúc Dish-ring .36 Hình 3.12 Sự phân bố dòng điện cấu trúc Dish-ring 15.8 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng mặt trước mặt sau cấu trúc Dish-ring .37 Hình 3.13 (a), Ơ sở cấu trúc Dish-split ring với tham số a = 15 mm, 38 R = 2.4 mm, Ro = 3.3 mm, Ri =3 mm,g=0.8 mm, (b) Mẫu chế tao, (c) Sơ đồ mạch điện tương đương hiệu dụng cấu trúc Dish- Split ring, (d) kết mô phổ hấp thụ cấu trúc Dish-Split ring 38 Hình 3.14 Sự phân bố dòng bề mặt cấu trúc Dish-split ring 13.04 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng mặt trước mặt sau cấu trúc Dish-split ring 39 Hình 3.15 Sự phân bố điện trường cấu trúc Dish-split ring 13.04 GHz .40 Hình 3.16 (a), Ô sở cấu trúc Dish-split ring, (b) Mẫu chế tạo, (c), (d) Kết mô thực nghiệm phổ hấp thụ khoảng cách (g) thay đổi từ 0.2 đến 1.4 mm 42 Hình 3.17 Cấu trúc có đĩa trịn nhẫn trịn: (a) cấu trúc sở, (b) mẫu chế tạo 43 Hình 3.18 Phổ hấp thụ dải rộng vật liệu dựa cấu trúc Đĩa tròn-Nhẫn tròn .43 Hình 3.19 Từ trường cảm ứng tần số cộng hưởng (f1=12.32 GHz, f2=13.12 GHz, f3=13.8 GHz, f4=14.68 GHz, f5=15.16 GHz, f6=16 GHz, f7=17 GHz f8=17.84) 44 Hình 3.20 Kết mô phổ hấp thụ cấu trúc gồm đĩa tròn nhẫn tròn .45 Hình 3.21 So sánh kết mơ thực nghiệm phổ hấp thụ cấu trúc gồm đĩa tròn nhẫn tròn 45 Ở ẦU Năm 2008, Landy cộng [35] phát tính chất thú vị vật liệu biến hóa Metamaterials (MMs), khả siêu hấp thụ Chính thế, MMs ngày nhà khoa học quan tâm sâu sắc khả ứng dụng to lớn Tấm hấp thụ dựa MMs k vọng có khả hấp thụ gần tuyệt đối không bị phản xạ, với công nghệ chế tạo đơn giản, khả điều khiển vùng hấp thụ linh hoạt Với tính chất chất này, MMs ứng dụng ý nghĩa thiết bị khoa học, y tế, pin lượng lĩnh vực quân Mục đích nhà khoa học sớm đưa vật liệu vào ứng dụng thực tế thiết bị hoạt động vùng tần số GHz đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu hoạt động tần số cao THz, hồng ngoại phục vụ cho ứng dụng quang học Tuy nhiên, trước đưa vật liệu vào ứng dụng, tồn đọng nhiều vấn đề cần làm sáng tỏ giải cách thỏa đáng Một vấn đề then chốt tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc đơn giản để thuận lợi cho việc chế tạo, đặc biệt tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ khơng phụ thuộc vào phân cực sóng điện từ để dễ dàng ứng dụng thực tế Đây lý cho việc chọn đề tài luận văn nghiên cứu chúng tơi Mục đích nghiên cứu luận văn: (i) Tối ưu hóa cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ có dạng đơn giản dễ dàng chế tạo vùng tần số GHz (ii) Nghiên cứu mở rộng vùng tần số hấp thụ vật liệu biến hóa Luận văn thực dựa việc kết hợp tính tốn lý thuyết, mơ hình hóa chế tạo phép đo thực nghiệm Với mục tiêu đó, luận văn chia thành chương sau: hƣơng I: Tổng quan vật liệu biến hóa (Metamaterial – Meta) hƣơng II: Phương pháp nghiên cứu hƣơng III: Kết thảo luận HƢƠ G I: TỔ G QU 1.1 Giới thiệu chung vật liệu biến hóa Xét tương tác ánh sáng với vật liệu bất k Ánh sáng dạng sóng điện từ đặc trưng đại lượng tần số bước sóng Bước sóng ánh sáng thường có kích thước lớn gấp hàng trăm lần kích thước nguyên tử cấu thành vật liệu khoảng cách chúng Vì thế, ánh sáng khơng thể phân giải chi tiết hình ảnh nguyên tử độc lập Nhờ đó, ta tính trung bình tất ngun tử coi vật liệu khối đồng đặc trưng hai tham số điện từ ɛ µ Trên thực tế, điều không thiết phải bị giới hạn nguyên tử hay phân tử Lý thuyết môi trường hiệu dụng (effective medium theory– EMT), cho phép bất k vật chất không đồng mà kích thước khoảng cách vật chất nhỏ nhiều lần so với bước sóng sóng điện từ mơ tả thơng qua tham số ɛ µ hiệu dụng Trong tự nhiên, tính chất vật lý vật liệu thường định tính chất nguyên tử cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử [37] Một ví dụ đơn giản cho thấy, kim cương than chì cấu tạo từ bon xếp cấu trúc mạng tinh thể khác dẫn đến khác biệt tính chất vật lý kim cương than chì Từ kết đó, ý tưởng tồn nguyên tử nhân tạo loại khác loại xếp có chủ ý mạng tinh thể nhân tạo, cho phép người tạo tính chất lạ khơng tồn tự nhiên, từ lâu thu hút quan tâm nhà khoa học Một ví dụ điển hình thành cơng việc tạo tính chất vật liệu cách can thiệp nhân tạo vào mạng tinh thể kể đến ống nano bon [22], gần graphene [25] Tuy nhiên, thú vị đời vật liệu điện từ nhân tạo “vật liệu biến hóa”, khả sở hữu tính chất khác lạ tồn dải tần [50] Vật liệu biến hóa xây dựng dựa "giả nguyên tử" mạch cộng hưởng điện từ nhỏ nhiều lần bước sóng mà tính chất đặc biệt vật liệu biến hóa xuất Bằng cách thay đổi tính chất mạng tinh thể (quy luật xếp) "giả nguyên tử" cách đồng thời, nhà khoa học thu tính chất bất thường không tồn vật liệu tự nhiên Hình 1.1 đưa hình ảnh so sánh cấu tạo vật liệu truyền thống vật liệu biến hóa cho thấy có hồn tồn tương tự hai cấu trúc coi nguyên tử tương đương mạch cộng hưởng điện từ LC Hình 1.1 Sự tương tự mặt cấu tạo vật liệu biến hóa vật liệu truyền thống Dựa lý thuyết mơi trường hiệu dụng, vật liệu biến hóa thường định nghĩa: Vật liệu biến hóa vật liệu có cấu trúc nhân tạo, bao gồm cấu trúc xếp cách tuần hồn (hoặc khơng tuần hồn), mà tính chất phụ thuộc vào cấu trúc ô sở vật liệu cấu thành nên Cấu trúc vật liệu biến hóa khơng phải đồng có kích thước nhỏ nhiều lần bước sóng hoạt động nên tính chất điện từ vật liệu biến hóa biểu diễn thông qua tham số hiệu dụng ɛ µ Một điểm cần ý mặt cấu tạo vật liệu biến hóa có cấu trúc tương tự loại vật liệu nhân tạo khác tinh thể photonic Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động hai loại vật liệu hoàn toàn khác chất Cấu trúc sở tinh thể photonic thường có kích thước cỡ bước sóng hoạt động dựa nguyên lý nhiễu xạ Trong đó, cấu trúc sở vật liệu biến hóa nhỏ nhiều lần bước sóng (cỡ 1/7 lần bước sóng) nhằm mục đích loại bỏ tượng nhiễu xạ Gần đây, giá trị giới hạn bước sóng dài lý thuyết mơi trường hiệu dụng gây nhiều tranh cãi kích thước thật vật liệu biến hóa số trường hợp so sánh với bước sóng hoạt động [43] Điều có nghĩa cần thiết điều kiện nhỏ nhiều lần bước sóng lý thuyết mơi trường hiệu dụng trở thành chủ đề để tranh luận Hơn nữa, lý thuyết môi trường hiệu dụng vượt khỏi giới hạn bước sóng dài phát triển Wu cộng [50] Lý thuyết phù hợp cho trường hợp sóng tới có bước sóng lớn 1, lần kích thước sở vật liệu biến hóa Ưu điểm vật liệu biến hóa tạo vật liệu nhân tạo với tính chất lạ thường khơng có vật liệu truyền thống Để điều khiển tính chất này, dựa việc điều khiển tham số cấu trúc mạch cộng hưởng dẫn đến việc điều khiển sóng điện từ Vật liệu chiết suất âm đời mở cánh cửa với tính chất khác lạ, mà tiếp cận từ trước đến Từ tảng đó, kiểm sốt sóng điện từ hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ dựa việc điều khiển thành phần vật liệu đời hứa hẹn ứng dụng mà mang lại Do vật liệu biến hóa có kích thước ô sở nhỏ nhiều lần bước sóng hoạt động nên sóng điện từ chiếu đến vật liệu tách thành ba thành phần: thành phần phản xạ (reflection - R) không phối hợp trở kháng tốt vật liệu với mơi trường ngồi, thành phần hấp thụ (absorption - A) chất vật liệu thành phần truyền qua (T), bỏ qua thành phần nhiễu xạ tán xạ Như vậy, ta dễ dàng nhận thấy tổng lượng ba tín hiệu phản xạ, truyền qua hấp thụ phải tổng lượng tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R + T + A = (100%) [36, 6] Như vậy, biết hai ba giá trị Cấu trúc Dish-split ring trình bày hình 3.13 với thành phần nhẫn bị cắt khoảng g = 0.8 mm.Với cấu trúc thu phổ hấp thụ mới, ta thấy đỉnh hấp thụ thứ bị dịch chuyển từ tần số 8.9 GHz đến 13.04 GHz, đỉnh hấp thụ thứ không thay đổi Điều cho thấy, thay đổi thành phần cấu trúc nhẫn bên làm cho đỉnh cộng hưởng thứ tương ứng với bị dịch chuyển với khoảng tần số đáng kể Để thấy rõ nguyên dịch chuyển đỉnh hấp thụ thứ nhất, tiến hành khảo sát mật độ dịng Hình 3.14 trình bày mật độ phân bố dòng mặt trước mặt sau tương ứng tần số 13.04 GHz Ở xuất hiện tượng tách dòng từ dòng thành dòng, lúc dòng điện ban đầu ứng với phần nhẫn bị cắt bị tách làm dòng nối tiếp gây giảm chiều dài thành phần cuộn cảm (a) (b) Hình 3.14 Sự phân bố dòng bề mặt cấu trúc Dish-split ring 13.04 GHz, (a), (b) Sự phân bố dòng mặt trước mặt sau cấu trúc Dish-split ring Để khẳng định điều này, tiếp tục khảo sát điện trường cấu trúc Dish-split ring Kết cho thấy phần điện trường tập trung nhiều phần bị cắt nhẫn, tạo tạo cặp lưỡng cực gây tượng dịch đỉnh cấu trúc 39 Hình 3.15 Sự phân bố điện trường cấu trúc Dish-split ring 13.04 GHz Theo Zhang [24], vòng nhẫn bị cắt, điện trường từ trường nhẫn phân bố lại hình thành ba lưỡng cực tương ứng với ba cộng hưởng Do thay tính tần số cộng hưởng cấu trúc, luận văn tính tần số cộng hưởng ứng với 1/3 cấu trúc nhẫn tròn Sơ đồ mạch điện tương đương cấu trúc dish-split ring trình bày hình 3.13(c) Độ tự cảm 1/3 nhẫn xác định dựa độ tự cảm nhẫn mà luận văn đề cấp phần cấu trúc hình trịn: (3.14) Trong bán kính ngồi bán kính nhẫn Giá trị điện dung tụ ứng với 1/3 nhẫn xác định qua công thức: (3.15) Ở đây, giá trị c1 phải nhỏ giá trị c1 tính tốn điện dung ứng với nhẫn 2/3 lần Vì 0.05