Nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ hoạt động ở vùng khả kiến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ VIỆT NINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ HIỆU ỨNG TRUYỀN QUA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG KHẢ KIẾN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Sơn Tùng TS Nguyễn Thị Hiền THÁI NGUYÊN - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, hướng dẫn TS Bùi Sơn Tùng TS Nguyễn Thị Hiền Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ VIỆT NINH ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Bùi Sơn Tùng TS Nguyễn Thị Hiền Các thầy cô ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Thái nguyên tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất thủ tục hành suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Lương Thế Vinh nơi công tác tạo điều kiện cho thời gian công việc quan suốt trình học thực luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, quan cá nhân giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ VIỆT NINH iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu biến hóa 1.2 Ứng dụng vật liệu biến hóa 1.2.1 Vật liệu hấp thụ 1.2.2 Cảm biến sinh học .7 1.2.3 Truyền dẫn lượng không dây 1.2.4 Siêu thấu kính 10 1.3 Lý thuyết môi trường hiệu dụng 12 1.4 Các tương tác điện từ vật liệu biến hóa .14 1.4.1 Cấu trúc cộng hưởng điện .14 1.4.2 Cấu trúc cộng hưởng từ 17 1.5 Vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ .21 1.6 Một số kết nghiên cứu vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ .24 1.6.1 Tình hình nghiên cứu nước 24 1.6.2 Tình hình nghiên cứu giới 25 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Phương pháp tính tốn .26 2.2 Phương pháp mô .27 2.3 Xử lý phân tích số liệu 31 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa vật liệu kim loại 35 iv 3.1.1 Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại hoạt động vùng quang học 35 3.1.2 Nghiên cứu tính chất điện từ vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc kim loại vùng khả kiến 37 3.2 Cấu trúc vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ dựa vật liệu điện môi .40 3.2.1 Thiết kế vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi hoạt động vùng quang học .40 3.2.2 Nghiên cứu tính chất điện từ vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi vùng khả kiến 42 3.2.3 Nghiên cứu khả làm chậm ánh sáng cảm biến vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ vùng khả kiến .48 KẾT LUẬN 52 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 53 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu ε : Độ điện thẩm µ : Độ từ thẩm  eff : Độ điện thẩm hiệu dụng eff : Độ từ thẩm hiệu dụng n : Chiết suất neff : Chiết suất hiệu dụng Z : Trở kháng R : Độ phản xạ T : Độ truyền qua A : Độ hấp thụ γ : Tần số dập tắt, ωp : Tần số plasma p (eff ) : Tần số plasma hiệu dụng σ : Độ dẫn vật liệu C : Điện dung L : Độ tự cảm Q : Điện tích M : Độ hỗ cảm E : Vector điện trường H : Vector từ trường k : Vector sóng tanδ : Hệ số tổn hao điện môi Danh mục viết tắt FOM : Hệ số phẩm chất SRR : Vịng cộng hưởng có rãnh ERR : Vòng cộng hưởng điện CWP : Cặp dây bị cắt CW : Thanh kim loại bị cắt TE : Sóng phân cực với vector điện trường vi vng góc với mặt phẳng tới TM : Sóng phân cực với vector từ trường vng góc với mặt phẳng tới CB : Mơ hình dạng kết hợp FN : Mơ hình dạng lưới cá DP : Mơ hình cặp đĩa hình trịn CDP : Mơ hình cặp đĩa hình trịn bị nối tắt DN : Mơ hình lưới đĩa hình trịn PIM : Phối hợp trở kháng hồn tồn MPA : Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ WPT : Truyền dẫn lượng không dây MIW : Sự lan truyền sóng cảm ứng từ InSb : Indium Antimonide YIG : Yttrium Iron Garnet NPM : Vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm BSA : Bovine Serum Albumin Rh6G : Rhodamine 6G DTTCI : 3,3′-diethylthiatricarbocyanine iodide vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân loại vật liệu dựa dấu độ điện thẩm từ thẩm [21] 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