DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.iii
DANH MỤC CÁC BẢNG . v
DANH MỤC HÌNH VẼ .vi
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC .xi
MỞ ĐẦU . 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ . 9
1.1. Tổng quan về sóng điện từ. 9
1.2. Cơ chế hấp thụ sóng radar . 13
1.3. Tán xạ và phản xạ sóng radar trên bề mặt vật liệu . 19
1.4. Cấu trúc vật liệu hấp thụ sóng radar. 21
1.5. Vật liệu Nano và khả năng hấp thụ sóng điện từ. 36
1.6. Kết luận chương 1. 38
Chương 2: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA
VẬT LIỆU NANO. 40
2.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano. 40
2.2. Phương pháp phun sương đồng kết tủa . 42
2.3. Công nghệ chế tạo vật liệu nano Zn0.5Ni0.5Fe2O4 . 44
2.4. Công nghệ chế tạo vật liệu nano Zn0.5Mn0.5Fe2O4. 47
2.5. Chế tạo một số vật liệu nano từ tính khác . 50
2.6. Công nghệ chế tạo vật liệu nano C. 55
2.7. Kết luận chương 2. 61
164 trang |
Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 15/03/2022 | Lượt xem: 529 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sử dụng cho tấm phủ đa lớp hấp thụ sóng radar băng X, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
(b)
Hình 2.17: Ảnh TEM của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO) với
độ phóng đại khác nhau.
55
Chu trình từ trễ của vật liệu được trình bày trên Hình 2.18. Từ hình
này ta xác định được từ độ bão hòa của vật liệu chỉ vào khoảng 25 emu/g.
Ta thấy rằng vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3 (BCFO) thể hiện tính
chất từ cứng khá rõ rệt (với Mr 12,5 emu/g, Hc 1000Oe). Kết quả này
là dễ hiểu: vì vật liệu BCFO thực chất là hỗn hợp cơ học của 2 vật liệu
CoFe2O4 và BiFeO3, trong đó BiFeO3 là vật liệu sắt điện, không có từ tính,
cho nên từ độ bão hòa của vật liệu BCFO chỉ bằng cỡ một nửa của CoFe2O4.
Tuy nhiên tính chất từ cứng hoàn toàn do CoFe2O4 quy định nên lực kháng từ
trong trường hợp này cũng khá lớn, cỡ 1000 Oe.
Hình 2.18: Chu trình từ trễ của vật liệu multiferroic CoFe2O4 - BiFeO3
2.6. Công nghệ chế tạo vật liệu nano C
2.6.1. Lựa chọn công nghệ
Căn cứ vào điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm vật
lý kỹ thuật, tác giả lựa chọn phương pháp phân hủy khí thiên nhiên trong
môi trường khí trơ để chế tạo vật liệu nano C. Đây là phương pháp thường
được sử dụng để chế tạo vật liệu nano C và nanotube cácbon [66, 74]. Bột
nano cácbon được chế tạo bằng phương pháp phân hủy khí đốt thiên nhiên
trong môi trường khí N2 và khí trơ Ar ở nhiệt độ 700 - 1000oC.
Nguyên liệu đầu vào được sử dụng là khí ga dùng trong sinh hoạt và khí
acetylen. Quá trình được tiến hành trong lò khuếch tán Samostel (Hình
2.19) của phòng thí nghiệm Vật lý Kỹ thuật, Học viện KTQS. Để tạo được
56
bột nano cácbon, hỗn hợp khí được thổi qua vào reactor đã được nâng lên
nhiệt độ phù hợp. Kết quả ta nhận được bột nano C dưới dạng bột mịn,
nhẹ hơn nước và có màu đen đặc trưng.
Hình 2.19: Thiết bị lò khuếch tán Samostel
2.6.2. Khảo sát tính chất của vật liệu nano C
2.6.2.1 Khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
Hình 2.20 trình bày phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu nano C chế
tạo được. Ta thấy rằng vật liệu nhận được là vật liệu vô định hình.
Hình 2.20: Phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu nano cácbon
2.6.2.2. Khảo sát bằng phương pháp hiển vi điện tử quét
Trên Hình 2.21 biểu diễn ảnh TEM của vật liệu nano C nhận được ở
điều kiện thời gian phân hủy ngắn. Ta thấy lúc này vật liệu nhận được là
57
vật liệu nano có kích thước hạt cỡ 20nm. Các hạt có dạng hình cầu rất nhỏ
có kích thước lớn dần lên nếu ta kéo dài thời gian phân hủy khí ga lên từ
vài chục phút lên nhiều giờ.
Hình 2.21: Ảnh TEM của vật liệu nano C ở điều kiện thời gian phân hủy ngắn
Hình 2.22: Ảnh TEM của các quả cầu cácbon.
Khi đó kích thước của những quả cầu có thể đạt tới 400 – 500 nm,
thậm chí cỡ micromet (Hình 2.22). Các hạt vật liệu có dạng hình cầu gần
như lý tưởng khi chúng đạt kích thước lớn cỡ hàng trăm nano mét.
Đây là một hiện tượng hiếm thấy, tuy nhiên trong các thực nghiệm
đã thực hiện, sự hình thành các quả cầu cácbon này hầu như được lặp lại.
Bước đầu đánh giá khối lượng riêng của vật liệu chế tạo được cho phép
giả thiết rằng các quả cầu này là có cấu trúc nano vì vật liệu chế tạo được
58
có tỷ khối chỉ vào quãng 0,1g/cm3. Sự hình thành và lớn dần lên của các
quả cầu cácbon cũng được khẳng định trên Hình 2.23 trình bày ảnh SEM
của vật liệu nano các bon nhận được.
Hình 2.23: Ảnh SEM của vật liệu nano cácbon
Hình 2.24: Ảnh SEM phân giải cao của các quả cầu cácbon.
Khi chụp ảnh SEM ở chế độ phân giải cao như trên Hình 2.24, ta thấy
rõ các quả cầu này được bồi đắp nên từ những vảy nhỏ. Để khẳng định
điều đó nghiên cứu sinh đã tiến hành xử lý bột cácbon tạo được trong môi
trường dung môi, kết quả cho thấy các quả cầu cácbon đã vỡ thành các hạt
nhỏ có kích thước dưới 50 nm (Hình 2.25).
59
Hình 2.25: Ảnh TEM quả cầu cácbon tan trong dung môi.
Bước tiếp theo, tiến hành xử lý bột cácbon ở nhiệt độ 1000oC trong
môi trường khí CO2. Khi đó lộ ra rất rõ trên ảnh SEM phân giải cao cấu
trúc nano của các hạt cácbon: trên các Hình 2.26 có thể thấy các quả cầu
cácbon lớn sau khi xử lý chuyển thành những vảy tròn cácbon có đường
kính cỡ 50 – 100 nm và có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính
của chúng, chỉ cỡ 10 nm. Ngoài ra ta còn có thể thấy rằng chính các vảy
này lại được tạo thành từ những hạt nano cácbon có kích thước nhỏ hơn
nữa, chỉ vào cỡ nano mét.
Như vậy có thể khẳng định rằng vật liệu nano cácbon thu được có
kích thước hạt kết tinh rất nhỏ, chỉ vào cỡ nanomet, điều này là phù hợp
với kết quả khảo sát XRD và đo diện tích bề mặt riêng (200 - 400 m2/g)
của vật liệu nano cácbon chế tạo được.
60
Hình 2.26: Ảnh SEM của vật liệu nano cácbon sau khi xử lý.
2.6.2.3. Khảo sát bằng phương pháp từ kế mẫu rung
Hình 2.27 trình bày đường cong từ trễ của vật liệu nano cácbon thu
được. Trên hình này ta thấy rõ vật liệu nano C nhận được là vật liệu nghịch
từ. Điều này là hợp lý vì xét về nguyên tắc nguyên tử cácbon phải có tính
nghịch từ và vật liệu cácbon nguyên chất phải là vật liệu nghịch từ.
-10000 -5000 0 5000 10000
-0.06
0.00
0.06
M
(
e
m
u
/g
)
H (Oe)
MAU 01- F01
Hình 2.27: Đường cong từ trễ của vật liệu nano cácbon chế tạo được.
61
2.7. Kết luận chương 2
Chương 2 của luận án trình bày sơ đồ công nghệ chế tạo được vật
liệu nano cácbon và các vật liệu nano từ tính.
Sử dụng các thiết bị công nghệ trên, đã nghiên cứu chế tạo được vật
liệu cácbon và các vật liệu từ tính như Zn0.5Ni0.5Fe2O4, Zn0.5Mn0.5Fe2O4,
BaCo ferrite, multiferroic BCFO.
Khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái học và kích thước hạt của các vật
liệu tạo được bằng các phương pháp nhiễu xạ Rơnghen, hiển vi điện tử
quét, hiển vi điện tử truyền qua. Kết quả khảo sát cho thấy các vật liệu thu
được có kích thước nanomét.
Tiến hành khảo sát tính chất từ của các vật liệu nano thu được. Kết
quả cho thấy các vật liệu Ni0.5Zn0.5Fe2O4, Zn0.5Mn0.5Fe2O4 là các vật liệu
siêu thuận từ, BaCo ferrite, multiferroic BCFO là vật liệu từ cứng.
Vật liệu nano từ và nano cácbon được sử dụng để chế tạo mẫu RAM
đơn lớp, đo tham số điện, từ của chúng nhằm xây dựng ngân hàng dữ liệu
vật liệu sẽ được trình bày trong chương 3 của luận án.
62
Chương 3: ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN TỪ VÀ XÂY
DỰNG NGÂN HÀNG DỮ LIỆU VẬT LIỆU
3.1. Giới thiệu
Giống như bất kỳ sản phẩm nào khác, thiết kế của một loại vật liệu
hấp thụ sóng radar phụ thuộc rất nhiều vào mục đích ứng dụng. Căn cứ
vào mục đích ứng dụng và trên cơ sở những đặc tính của vật liệu cho phép
xây dựng một hoặc một số cấu hình để sản xuất vật liệu RAM. Khi đã xác
định mục sử dụng chúng ta phát triển một thiết kế hay một ý tưởng phù
hợp với ứng dụng đó. Như vậy việc xác định các đặc tính của vật liệu nói
chung và các thông số điện từ nói riêng của vật liệu là một yêu cầu quan
trọng để thiết kế và sản xuất RAM. Vật liệu dạng hạt được đặc trưng bởi
hai thông số quan trọng là hệ số điện môi phức và độ từ thẩm phức, trong
khi các tấm mỏng lại đặc trưng bởi trở kháng phức. Các đại lượng này
được xác định bằng một số kỹ thuật cơ bản được nêu ra trên Hình 3.1 [8,
9, 34, 48].
- Kỹ thuật “Bản cực song song” còn được gọi là phương pháp điện
dung. Trong phương pháp này, người ta sử dụng một tụ điện phẳng song
song, với các mẫu cần đo kẹp ở giữa hai bản. Thiết bị đo chính được sử
dụng trong phương pháp này là máy đo tổng trở (RLC – meter) hoặc máy
phân tích trở kháng. Kỹ thuật “bản cực song song” là phương pháp có độ
chính xác cao, thường được sử dụng cho dải tần số thấp, dưới 30 MHz và
thích hợp đối với việc khảo sát các mẫu có dạng tấm phẳng, mỏng.
Trong phương pháp này, để khảo sát các thông số vật liệu, người ta
sử dụng một cáp đồng trục gắn với máy phân tích mạng. Phương pháp
63
thích hợp đối với khảo sát vật liệu là các chất lỏng hoặc chất rắn mềm.
Cũng có thể sử dụng được cho các vật liệu cứng có dạng tấm phẳng.
- Phương pháp đầu dò đồng trục là phương pháp đo không phá hủy,
có dải tần rộng, và là phương pháp tốt nhất để khảo sát các vật liệu có độ
tổn hao lớn.
Hình 3.1: Một số kỹ thuật cơ bản đánh giá thông số điện từ của vật liệu
- Kỹ thuật “Hốc cộng hưởng”: Trong phương pháp này, người ta sử
dụng một hộp cộng hưởng được kết nối với máy phân tích mạng để đo tần
số cộng hưởng và năng lượng lưu trữ của hộp trong hai trường hợp, khi
hộp cộng hưởng trống và khi hộp có chứa mẫu đo. Trên cơ sở các số liệu
đo, người ta tính được hệ số điện môi của mẫu. Ưu điểm của phương pháp
64
này là có độ chính xác cao, rất thích hợp cho việc khảo sát các vật liệu có
độ tổn hao thấp.
- Kỹ thuật “Đường truyền”: Phương pháp này có thể sử dụng nhiều
đường truyền tín hiệu khác nhau kết nối với máy phân tích mạng để khảo
sát mẫu đo. Đường truyền có thể là dây đồng trục, ống dẫn sóng... Kỹ thuật
này cho phép đo chính xác nhất độ từ thẩm và hệ số điện môi tỷ đối của
mẫu vì nó hạn chế tối đa sự mất mát năng lượng từ hệ thống, do đó làm
giảm nguy cơ tổn thất năng lượng do không tồn tại trong các mẫu thử
nghiệm. Kỹ thuật này cũng cho phép đánh giá chính xác các thông số của
vật liệu vì các phép đo được xây dựng trên một nền tảng lý thuyết vững
chắc và đúng đắn. Thiết bị đo khá nhỏ gọn, phù hợp với các phòng thí
nghiệm vừa và nhỏ. Phương pháp “Đường truyền” là phương pháp đo dải
rộng với dải tần từ 50 MHz đến 75 GHz và là phương pháp đo thích hợp
nhất để khảo sát các vật liệu có độ tổn hao trung bình và thấp, là các vật
liệu rắn, dễ gia công cơ khí.
- Kỹ thuật “Không gian tự do” bao gồm hai phương pháp chính là
“Vòm NRL” (NRL arch) và “Truyền qua trong không gian tự do”
(Transmission Free-Space), được ứng dụng đối với các mẫu có kích thước
lớn và vùng tần số cao hơn. Trong phương pháp này, người ta sử dụng hai
ăng-ten thu, phát tín hiệu gắn với máy phân tích mạng. Kết quả, hệ số điện
môi và độ từ thẩm được suy ra trên cơ sở tính toán sử dụng tín hiệu tổn
hao phản xạ và tổn hao truyền qua thu được. Đây là phương pháp chủ đạo
được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu hấp thụ radar, các lớp phủ, sơn
hấp thụ radar dùng cho các vũ khí, khí tài quân sự. Phương pháp không
gian tự do là phương pháp đo không tiếp xúc, và là phương pháp đo tốt
nhất đối với việc khảo sát các mẫu phẳng, rộng và nhiệt độ cao.
65
Các phương pháp đánh giá thông số điện từ liên quan trực tiếp đến
khả năng hấp thụ sóng điện từ được nêu ra trên đây đều là các phương
pháp truyền thống. Đa phần các phương pháp này đều dựa trên đặc trưng
cơ bản hoặc là tổn phản xạ, hoặc tổn hai truyền qua và thậm chí sử dụng
cả hai đặc trưng này. Trước đây các phép đo được tiến hành đối với các
dải tần số tương đối hẹp bởi sự hạn chế về thiết bị thí nghiệm cũng như
thời gian cho phép thiết lập và điều chỉnh thiết bị. Trong những năm gần
đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý, công nghệ truyền
dẫn và các thiết bị lưu trữ, các phương pháp này được sử dụng rộng rãi ở
các nước phát triển, phục vụ rất hiệu quả cho nghiên cứu khoa học nói
chung và nghiên cứu về vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói riêng.
Ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu về vật liệu hấp thụ sóng điện từ mặc
dù đã được khởi động một thời gian song việc nghiên cứu một các bài bản
thì còn hạn chế, cùng với đó là các phương tiện, thiết bị phục vụ nghiên
cứu hầu như chưa được trang bị.
Trong chương này tác giả trình bày hai phương pháp được sử dụng
để đo đạc thông số của vật liệu phục vụ nghiên cứu của luận án là phương
pháp “không gian tự do” và phương pháp “đường truyền”.
3.2. Phương pháp không gian tự do.
Để khảo sát các tính chất của vật liệu, đánh giá khả năng hấp thụ,
kiểm soát chất lượng hoặc phát triển sản phẩm RAM đòi hỏi tối thiểu các
phép đo, thao tác thử nghiệm dữ liệu và thường hạn chế sử dụng nhiều
thiết bị tinh vi. Vì vậy, phương pháp “Không gian tự do” là một lựa chọn
tối ưu.
Đối với phương pháp vòm NRL, hệ thống thiết bị đo, các ăng-ten
thu, phát và giá đặt mẫu trong một giới hạn không gian tương đối nhỏ
chính vì vậy gọi là phương pháp không gian tự do cũng chưa hẳn là tuyệt
66
đối chính xác. Tuy nhiên phương pháp này lại cho một kết quả đo đáng
tin cậy nếu vận hành và thao tác đo chuẩn cùng với chi phí khá thấp.
Ngược lại phương pháp không gian tự do được thực hiện trong điều kiện
mô phỏng khắt khe, các thông số về khoảng cách và kích thước mẫu tuân
thủ theo những quy tắc nhất định.
3.2.1. Phương pháp vòm NRL
Phương pháp vòm NRL nghiên cứu vật liệu hấp thụ được phát triển
tại Viện Công nghệ Massachusetts vào những năm 1940. Phiên bản đầu
tiên được thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân - US, và
các sản phẩm đầu tiên đã được chế tạo và đưa vào sử dụng tại đây [88].
Hình 3.2: Hệ thống dùng cho phương pháp “Vòm NRL”
Sơ đồ hệ thống thiết bị đo được mô tả trên Hình 3.2, bao gồm một
máy phát tín hiệu điều biến âm thanh radio RF nối với ăng-ten phát thông
qua bộ suy giảm biến đổi. Tín hiệu phản xạ trên mẫu đo được gửi tới ăng-
ten thu nối với bộ tách sóng tinh thể cuối cùng truyền tới thiết bị khuếch
đại để khuếch đại tín hiệu tới mức có thể đo được. Tín hiệu đầu được chỉnh
67
lưu và hiển thị trên màn hình máy phân tích mạng theo đơn vị dB. Các yêu
cầu về nguồn điện của hệ thống rất nhỏ vì tổng số đường truyền rất ngắn
đồng thời các tín hiệu khá mạnh.
Khoảng cách giữa hai ăng-ten không nhỏ hơn kích thước loa của ăng-
ten, vì vậy không thể thực hiện được phép đo đối với tín hiệu sóng điện từ
với góc tới 0 độ. Tuy nhiên, với phép đo có góc tới đủ nhỏ trong hầu hết
các trường hợp cho kết quả đánh giá hấp thụ khá chính xác.
Vòm hình bán nguyệt có chiều cao không quá 1,8 m được gắn với
một trụ ngắn kim loại tại tâm của vòm làm giá đỡ mẫu đo. Thông thường
mẫu được đặt trên đế kim loại có kích thước tiêu chuẩn 30 cm x 30 cm, đế
kim loại này bên cạnh việc làm cho tín hiệu sóng điện từ truyền tới sau
khi qua mẫu đo sẽ phản xạ hoàn toàn còn một mục đích là dùng để hiệu
chuẩn hệ thống trước khi đo. Trong một số trường hợp giá đỡ được thiết
kế cố định để hiệu chuẩn cũng như đo mẫu, tuy nhiên trong các trường
hợp khác giá đỡ để trên trụ có thể điều chỉnh độ cao tương đối so với vòm
bán nguyệt.
Trước tiên điều chỉnh bộ suy giảm và thiết lập trạng thái cho các thiết
bị nhận tín hiệu sao cho màn hình hiển thị chế độ "comfortable" với một
đế kim loại đặt trên bệ đỡ. Sau khi thiết lập không được thay đổi các chế
độ cài đặt này trừ khi chúng ta phát hiện có thay đổi về nguồn định mức
hoặc là độ nhạy của thiết bị thu. Bước thứ hai là lắp đặt mẫu lên đế kim
loại và tiến hành đo đạc, khảo sát tín hiệu suy hao đầu ra. So sánh tín hiệu
giữa hai lần đo ta đánh giá được mức độ hấp thụ tín hiệu sóng điện từ của
mẫu đo. Các bước này được lặp lại đối với các mẫu đo khác nhau.
Cũng cần lưu ý rằng nếu tín hiệu đầu ra thay đổi ít hơn so với dải động
của bộ tách sóng tinh thể thì chúng ta có thể đo trực tiếp mà không cần
hiệu chỉnh bộ suy giảm biến đổi. Như đã trình bày ở trên, bước đầu tiên
68
chúng ta cần hiệu chỉnh bộ suy giảm nhưng khi đã đạt được chế độ
"comfortable" trên màn hình thì không cần phải hiệu chỉnh bộ suy giảm
nữa.
3.2.2. Phương pháp “Đo lường không gian tự do”
Đây là một biến thể của phương pháp “Đường truyền”. Phương
pháp không gian tự do có thể đo chính xác thông số điện từ của các vật
liệu dị hướng, không đồng nhất như gốm sứ, vật liệu tổng hợp, vv [86,
89].
Sơ đồ khối và hình ảnh hệ đo của thiết bị dùng cho phương pháp đo
lường không gian tự do được mô tả trên Hình 3-3 bao gồm: Một phân tích
mạng, thông thường là máy phân tích mạng Agilent PNA; một đế cố định
và thay đổi vị trí của mẫu đo; hai ăng-ten điện từ và phần mềm Agilent
85071E.
(a)
(b)
Hình 3.3: Sơ đồ khối (a) và hình ảnh thực tế (b) hệ thống thiết bị của
phương pháp Đo lường không gian tự do
69
Hai ăng-ten điện từ được sử dụng như các máy phát và thu tương
ứng, ứng với mỗi dải tần khác nhau có thể sử dụng các ăng-ten có kích
thước và thông số khác nhau.
Các mẫu đo được đặt vuông góc với mặt phẳng ngang; nằm giữa hai
ăng-ten thu phát tín hiệu đặt đối điện nhau và kết nối với máy phân tích
mạng. Trước khi đo phải tiến hành hiệu chuẩn máy VNA bằng cách thực
hiện phép đo đối với không khí, nhằm loại bỏ sự ảnh hưởng của các tạp
do đế đặt mẫu tạo ra. Đồng thời cũng nên sử dụng chức năng “Ngưỡng
miền thời gian” với mục đích loại bỏ tạp do mẫu đo đem đến dù biết rằng
với độ dày thích hợp của mẫu thì có thể tránh được điều này. Nó cũng loại
bỏ được sự nhiễu xạ gây ra bởi các cạnh loa của ăng-ten. Tính năng
ngưỡng miền thời gian của PNA còn cho phép quyết định vị trí của mẫu;
đồng thời phải đảm bảo độ lệch trung bình của tổn hao phản xạ giữa vật
liệu kim loại và vật liệu phi kim không nhỏ hơn 40 dB.
Để đạt được kết quả hoàn hảo thì cần tuân thủ các điều kiện về khoảng
cách như sau [104]:
- Yêu cầu về trường xa: Đảm bảo sóng được truyền tới mẫu là sóng phẳng,
khoảng cách d giữa ăng-ten và mẫu phải thỏa mãn điều kiện d > 2D2/λ;
trong đó λ là bước sóng, D là kích thước lớn nhất của ăng-ten hoặc mẫu.
Đối với loa ăng-ten là hình tròn thì D là đường kính của loa. Nếu loa ăng-
ten là hình chữ nhật thì D là chiều dài của đường chéo.
- Kích thước mẫu: Nếu kích thước mẫu nhỏ hơn rất nhiều so với bước
sóng thì tín hiệu phản xạ trên mẫu giống như phản xạ từ một điểm; vì vậy
để đạt được kết quả chính xác thì kích thước của mẫu phải lớn hơn bước
sóng.
70
- Môi trường đo: Toàn bộ hệ thống phải được đặt trong phòng tối; cũng có
thể sử dụng chức năng "Ngưỡng miền thời gian" để loại bỏ tạp từ môi
trường và ảnh hưởng của các thiết bị xung quanh.
Sau khi hoàn tất quá trình hiệu chuẩn và thiết lập hệ thống, tiến hành
đo đạc, khảo sát và thu được các tín hiệu tổn hao phản xạ và tổn hao truyền
qua nhận được dưới dạng tham số S. Sử dụng các tham số S11, S21 thu
được, có thể tính toán hệ số điện môi và độ từ thẩm của mẫu RAM bằng
công thức Nicolson-Ross-Weir (NRW) [63, 80]:
1 21 11 2 21 11V = S + S , V = S - S (3.1)
1 2 1 2
1 2 1 2
1 V V 1 V V
X , Y
V V V V
(3.2)
Từ (3.1) và (3.2) có thể tính hệ số phản xạ G và hệ số truyền qua Z:
2 2Z X X 1;G Y Y 1 (3.3)
Việc lựa chọn dấu căn cứ vào điều kiện Z 1 và G 1.
Bên cạnh đó chúng ta cũng có thể tính toán G và Z thông qua hai công
thức tương đương:
1 2
1 2
V G Z V
Z ;G
1 G V 1 Z V
(3.4)
Từ (3.1-3.4) tính được số sóng:
1
1
1 V 1 G1
k
jd 1 GV
(3.5)
Cuối cùng tính được giá trị của độ từ thẩm µr và hệ số điện môi εr:
2
2
r r
0 2 0
2 1 V k 1
,
jk d 1 V k
(3.6)
Trong đó k0 = 2πf/c , c là vận tốc ánh sáng, d là độ dày của mẫu.
71
3.3. Phương pháp đường truyền
3.3.1. Lý thuyết đường truyền
3.3.1.1. Các hệ thức cơ bản
Điện áp tại điểm có tọa độ z bất kỳ trên đường truyền có thể biểu diễn
dưới dạng tổng của các điện áp do sóng tới và sóng phản xạ gây ra:
z zi rV z V e V e
(3.7)
trong đó Vi, và Vr là điện áp tới và điện áp phản xạ, có thể nhận các giá trị
phức. Các chỉ số i và r lần lượt ứng với sóng tới và sóng phản xạ. Tương
tự, các dòng điện chạy qua các vật dẫn của đường truyền có thể được biểu
diễn dưới dạng sau:
z zi r 0I z V e V e / Z (3.8)
Trong đó Z0 là trở kháng đặc trưng của đường truyền. Do các số hạng thứ
2 trong các biểu thức (3.7) và (3.8) là ứng với sóng phản xạ, nên dấu của
chúng trong các biểu thức này ngược nhau.
Khi đó trở kháng tại bất kỳ điểm z nào dọc theo đường truyền được xác
định bằng cách lập tỷ số (3.7) và (3.8):
z z
i r
0 z z
i r
V e V e
Z z Z
V e V e
(3.9)
Khi nghiên cứu về đường truyền, ta luôn quan tâm đến giá trị của trở kháng
tại hai điểm đặc biệt trên đường truyền, đó là tại điểm cuối (nơi có tải) của
đường truyền và tại điểm cách tải đó một khoảng bằng d về phía nguồn.
Nếu kí hiệu trở kháng tải bằng ZL, chúng ta có thể đặt z = 0 tại tải và tính
được hệ số phản xạ điện áp của tải Vr/Vi như sau:
r L 0
L
i L 0
V Z Z
V Z Z
(3.10)
Bằng cách cho z = - d và thế giá trị Vr/Vi của (3.10) vào (3.9), ta được:
72
L 0in 0
0 L
Z cosh d - Z sinh d
Z Z
Z cosh d - Z sinh d
(3.11)
trong đó Zin là trở kháng Z(-d) của đường truyền tại điểm nằm cách tải một
đoạn bằng d về phía nguồn.
Các biểu thức (3.10) và (3.11) là những hệ thức quan trọng nhất được
sử dụng trong quá trình đo mẫu kiểm tra bằng phương pháp đường truyền.
Đây là cơ sở lý thuyết để thiết lập mối quan hệ giữa trở kháng đầu vào
của đường truyền với chiều dài d và trở kháng đầu ra, tức là trở kháng của
tải ở cuối đường truyền.
3.3.1.2. Các đường TEM và ống dẫn sóng
Có hai loại đường truyền thường được sử dụng để đánh giá tính chất
điện từ của các vật liệu khối, đó là đường truyền trường ngang (Line with
transverse electric and magnetic fields –TEM Line) và ống dẫn sóng hình
chữ nhật (rectangular waveguide).
(a) (b) (c)
Hình 3.4: Phổ đường sức điện trường và đường sức từ trường
Đường truyền TEM bao gồm ba loại là cáp đồng trục (Hình 3.4a),
đường dây đôi (Hình 3.4b) và đường truyền hai dải phẳng song song (Hình
3.4c). Bên trong đường truyền TEM, cả điện trường lẫn từ trường đều
vuông góc với đường truyền, như trình bày trên Hình 3.4. Điều đó khiến
73
cho năng lượng lan truyền bên trong đường truyền TEM giống hệt như lan
truyền bên trong một môi trường rộng vô hạn được choán đầy hoàn toàn
bởi vật liệu.
Ngược lại, các trường ở bên trong các ống dẫn sóng bắt buộc phải có
cả thành phần hướng dọc theo phương truyền cũng như thành phần hướng
vuông góc với phương truyền đó. Về mặt toán học, sự tồn tại của các thành
phần trường dọc này được biểu diễn dưới dạng một cặp sóng zigzag trong
ống dẫn sóng (Hình 3.5). Điều này là do ống dẫn sóng chỉ có một biên dẫn
điện, dẫn đến hậu quả là ít nhất phải tồn tại hai sóng để thỏa mãn điều kiện
biên đối với điện trường, đó là thành phần tiếp tuyến của điện trường phải
bằng không tại các vách dẫn điện của ống dẫn sóng. Khi tần số giảm xuống
dưới một giá trị tần số cắt xác định, cặp sóng không còn thỏa mãn các điều
kiện biên điện từ và sự lan truyền hầu như dừng lại, kết quả là năng lượng
không được truyền từ đầu vào đến đầu ra của ống. Điều này hạn chế băng
thông có sẵn để đo các thông số điện từ của các vật liệu khối trong các ống
dẫn sóng.
Hình 3.5: Sóng lan truyền trong ống dẫn sóng theo đường zigza g
Ngược lại khi tần số đủ cao, một tập sóng zigzag khác có thể lại thỏa
mãn các điều kiện biên, ống dẫn sóng có thể hỗ trợ không phải chỉ một
mà nhiều mode lan truyền. Các mode lan truyền khả dĩ bị qui định bởi độ
cao và độ rộng điện của ống dẫn sóng chữ nhật và bởi chu vi điện của các
74
ống dẫn sóng tròn, được đo trong vật liệu nạp vào ống dẫn sóng. Để tránh
sự lan truyền của mode bậc cao kích thước tiết diện của ống dẫn sóng được
chọn sao cho chỉ có mode cơ bản (tức là mode bậc thấp nhất) có thể tồn
tại trên toàn dải tần công tác của thiết bị. Đây cũng là lý do mà ứng với
mỗi băng tần khác nhau thì sử dụng những ống dẫn sóng khác nhau.
Các mode lan truyền của ống dẫn sóng được phân loại thành mode
TE (điện trường ngang) và mode TM (từ trường ngang). Các mode TE bao
gồm các sóng có vector điện trường hướng vuông góc với phương truyền,
các mode TM bao gồm các sóng có vector từ trường hướng vuông góc với
phương truyền. Đối với các mode TE thì thành phần hướng dọc theo chiều
dài ống dẫn sóng của vectơ điện trường bằng không, và trong các mode
TM thì thành phần hướng dọc theo chiều dài ống dẫn sóng của vectơ từ
trường lại bằng không.
Hình 3.6: Cấu trúc trường trong ống dẫn sóng hình chữ nhật
đối với chế độ truyền TE10
75
Hai loại mode này lại được phân loại tiếp (bằng cách đánh thêm các chỉ
số) phù hợp với số nửa chu kỳ của hàm cosin có thể tồn tại dọc theo chiều
rộng và chiều cao của ống dẫn sóng. Chẳng hạn như đối với mode TE10
thì các thành phần của điện trường hướng dọc theo chiều dài và chiều rộng
của ống dẫn sóng có độ lớn bằng không, còn độ lớn của thành phần hướng
theo chiều cao của ống dẫn sóng thì biến thiên theo quy luật hình sin, có
giá trị bằng không ở vách ngang phía dưới của ống, tăng dần và đạt cực
đại tại chỗ giữa vách đứng và sau đó giảm dần đến không tại vách ngang
phía trên của ống. Sự biến đổi của cường độ trường đối với trường hợp
này được minh họa trên Hình 3.6, trong đó các Hình 3.6(1), 3.6(2) và
3.6(3) biểu diễn các đường sức điện trường (đường liền nét) và từ trường
(đường đứt đoạn) tại các mặt cắt 1, 2, 3 được chỉ ra trên hình vẽ ba chiều.
Sự tồn tại của các thành phần hướng vuông góc với phương truyền
của sóng zigzag trong ống dẫn sóng khiến cho sự dịch pha dọc theo ống
dẫn nhỏ hơn so với khi sóng truyền trong môi trường không khí. Do đó,
bước sóng được sử dụng để tính hằng số truyền trong ống dẫn sóng dài
hơn so với bước sóng trong không gian tự do. Chẳng hạn, bước sóng trong
ống d
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- luan_an_nghien_cuu_che_tao_vat_lieu_nano_su_dung_cho_tam_phu.pdf