Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng ghz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)

tạo rẻ mà có thể hoạt động đa dải tần hoặc hoạt động trong dải tần số rộng phù hợp cho các công nghệ trong thực tế tại vùng vi sóng. Bên cạnh đó, để duy trì đồng thời nhiều đỉnh hấp thụ hoặc hấp thụ trên dải rộng trên cùng một thang tần số luôn đòi hỏi sự tăng kích thước ô cơ sở hoặc tăng chiều dày vật lý của các cấu trúc đối xứng truyền thống. Đặc biệt, các vật liệu sử dụng trong chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ (kim loại – điện môi) thường không đàn hồi nên khó bao phủ được các bề mặt cong của các đối tượng cần che chắn trong thực tế. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu và trang bị nhiều tính năng ưu việt hơn cho các mô hình vật liệu biến hóa 3 siêu nhỏ, hoạt động đa dải tần và dải tần rộng sử dụng công nghệ chế tạo hiện có vẫn đang là thách thức cần phải vượt qua. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Xây dựng nền tảng cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số từ 2-18 GHz. - Thiết kế và tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng dựa trên các mô hình mới. Tìm kiếm vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng có cấu trúc đơn giản và không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ. - Lý giải và ứng dụng tính chất bất đối xứng trong cấu trúc hình học của vật liệu biến hóa tạo ra hấp thụ đa đỉnh. - Chế tạo và khảo sát tính chất điện từ của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh và dải rộng trên vùng tần số từ 2-18 GHz. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án - Luận án tập trung nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trên vùng tần số từ 2-18 GHz theo hai hướng chính: Vật liệu biến hóa bất đối xứng và đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh; Mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ bằng cách tích hợp polymer dẫn. - Nội dung của luận án được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình lý thuyết và phần mềm mô phỏng. Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành để kiểm chứng một số kết quả mô phỏng tiêu biểu và phù hợp với điều kiện chế tạo hiện có. 4 Những đóng góp mới của luận án: Luận án này tập trung giải quyết và hoàn thiện các vấn đề vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng tần số GHz như sau: i) Đã kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình mới dựa trên sự phá vỡ tính đối xứng trong cấu trúc cộng hưởng truyền thống trong một ô cơ sở đơn lẻ. Đây là một phương pháp tiếp cận hiệu quả để tạo ra MPA dải kép và đa đỉnh; ii) Đã thiết kế và kiểm chứng bằng thực nghiệm các mô hình MPA được tích hợp vật liệu Polymer độ dẫn thấp (tích hợp một phần và hoàn toàn vào cấu trúc cộng hưởng kim loại); iii) Đã khảo sát bằng mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm sự hoạt động ổn định của các mô hình MPA đa đỉnh và dải rộng dưới sự thay đổi của góc phát xạ và góc phân cực của sóng điện từ. Luận án được chia thành 4 chương như sau: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Phương pháp nghiên cứu Chương 3. Vật liệu biến hóa bất đối xứng hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh Chương 4. Mở rộng dải hấp thụ sóng điện từ bằng cách tích hợp Polymer dẫn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng Về mặt cấu trúc điện từ, vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) được cấu thành từ các “giả nguyên tử”, thực chất là các cấu trúc cộng hưởng điện từ có kích thước nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động. Khởi nguồn vào năm 1968, 5 lĩnh vực nghiên cứu MMs đã hình thành từ một ý tưởng về môi trường có chiết suất âm [đồng thời độ từ thẩm âm (µ<0) và độ điện thẩm âm (ε < 0) trên cùng một dải tần số] được dự đoán về mặt lý thuyết và đề xuất bởi Veselago. Điều này đã hoàn thiện bức tranh tổng quát về các giá trị của chiết suất trong mọi môi trường vật chất [Hình 1.1]. Đặc biệt vào năm 2008, hiện tượng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ trong MMs được khám phá bởi Landy và các cộng sự đã mở ra một tiềm năng phát triển vô cùng to lớn trong sự phát triển khoa học và công nghệ. Hình 1.1. Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42]. Góc phần tư thứ nhất là vật liệu thông thường với đồng thời ε > 0 và µ>0. Giá trị ε < 0 chỉ quan sát thấy trên vùng tần số quang học đối với kim loại. Trường hợp µ<0 chỉ quan sát được đối với một số loại vật liệu từ tại tần số thấp. Đặc biệt tại góc phần tư thứ ba, đồng thời hai giá trị µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa. Hiện nay, các nghiên cứu về MMs không còn giới hạn ở 6 vật liệu có độ điện thẩm âm, độ từ thẩm âm và chiết suất âm, mà còn mở rộng ra rất nhiều lĩnh vực và định hướng cho các ứng dụng hiện đại khác như cảm biến sinh học và dẫn truyền năng lượng không dây (wireless power transfer - WPT). 1.2. Lý thuyết môi trường hiệu dụng Do cấu trúc ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động, để thiết kế, dự đoán và nghiên cứu các đặc tính điện từ của MMs, chúng ta phải dựa trên một mô hình lý thuyết có tên là lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective Medium Theory - EMT). Hai lý thuyết môi trường hiệu dụng phổ biến nhất hiện nay phù hợp để nghiên cứu MMs được biết đến là mô hình tính toán các tham số điện từ hiệu dụng do Bruggeman và Maxwell- Garnett đề xuất. 1.3. Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa 1.3.1. Cấu trúc cộng hưởng điện Trước hết, để xây dựng và tìm hiểu bản chất của tương tác điện xảy ra bên trong từng loại cấu trúc cộng hưởng, chúng ta có thể bắt đầu từ nguyên lý điều khiển hàm điện môi hiệu dụng của vật liệu biến hóa. Một cách khác tương tự cũng cho chúng ta 0  khi sử dụng các cấu trúc cộng hưởng theo mạch LC. Hai yếu tố cộng hưởng cơ bản thường được sử dụng trong các vật liệu MMs truyền thống là cấu trúc SRR và cấu trúc dây kim loại bị cắt (Cut wire - CW), như được mô tả trên Hình 1.7. Cấu trúc SRR [Hình 1.7(a)] hoạt động giống như một mạch điện dao động LC và có tần số cộng hưởng riêng được tính toán bởi công thức 𝜔𝐿𝐶 = 1 √𝐿𝐶⁄ . 7 Hình 1.7. (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR); (b) cấu trúc dây kim loại bị cắt, và định hướng của điện trường ngoài. (c) Mô hình mạch điện LC tương đương và (d) đường đặc trưng của phần thực (𝜀′) và phần ảo (𝜀′′) của độ từ thẩm hiệu dụng. 1.3.2. Cấu trúc cộng hưởng từ Hình 1.8. (Bên trái) Nguyên lý hoạt động của SRR để tạo ra µeff < 0 và (Bên phải) đường tán sắc của độ từ thẩm. Hầu hết các vật liệu thông thường trong tự nhiên đều có độ từ thẩm dương, chỉ có một số ít vật liệu tồn tại độ từ thẩm âm. Bên cạnh đó, tính chất từ của các vật liệu đó thường chỉ tồn tại ở tần số thấp, và hầu hết bị dập tắt ở vùng tần số GHz. Mặc dù vậy, hiện tượng cộng hưởng từ cũng có thể thu được từ các vật liệu phi từ bằng cách kích thích các dòng điện tròn nhằm tạo ra một moment lưỡng cực. Dựa trên nguyên lý này, vào năm 1999, Pendry đã đề xuất mô hình đầu tiên tạo ra độ từ thẩm âm 8 ở vùng tần số GHz gồm một dãy tuần hoàn của hai SRR đồng trục và dưới sự phân cực đặc biệt của sóng chiếu tới. Các kết quả này làm tiền đề quan trọng để thiết kế và điều khiển tần số hoạt động của MPAs sử dụng cấu trúc cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. 1.4. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với môi trường Trở kháng của vật liệu được định nghĩa theo công thức 𝑍(𝜔) = √𝜇(𝜔)/𝜀(𝜔) = 𝑍𝑟 + 𝑖𝑍𝑖. Khi đạt được điều kiện 𝜇(𝜔) = 𝜀(𝜔), năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của sóng chiếu tới sẽ hoàn toàn truyền qua mặt phân cách giữa vật liệu biến hóa và môi trường truyền sóng. Hiện tượng này gọi là sự phối hợp trở kháng giữa vật liệu và môi trường truyền sóng. Trong trường hợp này, 𝑍(𝜔) = 𝑍0(𝜔) = √𝜇0/𝜀0 ≈ 377 Ω dẫn tới độ phản xạ tại bề mặt 𝑅(𝜔) = 0, đây cũng là một đặc tính vượt trội so với các vật liệu tự nhiên. 1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Cấu tạo ô cơ sở của MPAs có thể chia thành hai loại cấu trúc chính: bất đẳng hướng và đẳng hướng. MPAs bất đẳng hướng thường được thiết kế kiểu ba lớp: lớp thứ nhất cấu tạo từ các cấu trúc kim loại tuần hoàn, lớp điện môi ở giữa và một lớp kim loại liên tục. Để xảy ra sự hấp thụ tuyệt đối cần có hai điều kiện: độ phản xạ và độ truyền qua phải bằng 0. Sóng điện từ khi truyền tới MPA sẽ không bị phản xạ do thiết kế của lớp thứ nhất thỏa mãn điều kiện phối hợp trở kháng với môi trường hoạt động tại vị trí tần số mục tiêu. Trong khi đó lớp kim loại liên 9 tục sẽ đảm nhiệm vai trò ngăn cản tất cả các sóng điện từ truyền qua MPA. Vì vậy, độ hấp thụ thường được tính toán dựa trên công thức 𝐴(𝜔) = 1 − |𝑆11(𝜔)| 2. Hình 1.17. (a) Ô cơ sở của MPA được đề xuất bởi Landy và (b) sự phân bố tổn hao Ohmic và tổn hao điện môi tại tần số cộng hưởng trong vùng tần số GHz. *Cơ chế tiêu tán năng lượng trong MPAs Lớp điện môi trong MPAs bên cạnh vai trò cung cấp khoảng không gian “giam giữ” năng lượng tiêu tán sóng điện từ, trong một số trường hợp nó cũng góp phần quan trọng vào cơ chế hoạt động của vật liệu khi vai trò tổn hao điện môi chiếm ưu thế. Lưu ý rằng, tổn hao Ohmic cũng đặc trưng cho sự tiêu tán năng lượng của sóng điện từ nhưng xảy ra bên trong môi trường kim loại, tương tự như sự tiêu tán năng lượng của điện trở bên trong mạch cộng hưởng LC. 1.6. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải rộng Do các tính chất độc đáo của loại vật liệu MPA đều được tạo ra từ các cộng hưởng điện từ vì vậy vùng tần số hoạt động (hấp thụ tuyệt đối) thường rất hẹp và khó điều chỉnh. Vì 10 vậy, việc tăng hay mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu MPAs để dễ dàng ứng dụng trong thực tế là rất cần thiết. Nhìn chung, có một số phương pháp thông dụng sau để tạo ra được MPA dải rộng: tích hợp điện trở, sử dụng cấu trúc đa lớp và kết hợp nhiều cấu trúc cộng hưởng trong mặt phẳng ô cơ sở. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp quang khắc Để chế tạo các mẫu MPAs hoạt động ở dải tần số từ 2 đến 18 GHz, chúng tôi sử dụng phương pháp quang khắc. Vật liệu ban đầu là các tấm mạch in - PCB đã được phủ kim loại đồng (Cu). Vật liệu ban đầu là mạch in PCB gồm lớp điện môi có hằng số điện môi ε xấp xỉ 4.3 và độ dày lớp điện môi có thể thay đổi từ t = 0.4 đến 1.6 mm được phủ một lớp kim loại đồng (Cu - có độ dày khoảng 0.036 mm) trên cả hai bề mặt. Hệ chế tạo mẫu theo phương pháp này đã được lắp đặt tại phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2.2. Phương pháp mô phỏng Dựa trên kỹ thuật tích phân hữu hạn (finite integration technique - FIT) của Weiland trong chương trình CST, chúng ta có thể mô phỏng trực quan các tương tác giữa trường điện từ với vật liệu. Thông qua CST, ưu điểm dễ dàng nhận thấy đó là các đặc tính rất khó kiểm chứng và quan sát bằng thực nghiệm đối với vật liệu biến hóa có thể được quan sát trực quan. 2.3. Phương pháp đo đạc 11 Để nghiên cứu thực nghiệm tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa, thông số phản xạ và truyền qua là hai thông số chính cần đo đạc. Các phép đo trong vùng tần số GHz thường được thực hiện bởi hệ thiết bị Vector Network Analyzers trong buồng tiêu âm (Anechoic Chamber). 2.4. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng Do việc đo đạc trực tiếp các tham số hiệu dụng của vật liệu như độ từ thẩm, độ điện thẩm, trở kháng và chiết suất của vật liệu biến hóa là một công việc rất phức tạp và khó khăn. Vì vậy, phương pháp tính toán của Nicolson – Ross – Weir thường được sử dụng để tính toán các thông số (chiết suất, trở kháng, hệ số điện môi và độ từ thẩm) của một vật liệu dưới dạng phức thông qua dữ liệu phản xạ và truyền qua thu được từ mô phỏng. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH 3.1. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục Ưu điểm trong thiết kế này đó là sự “xếp chặt” các cấu trúc cộng hưởng nhằm nhỏ kích thước ô cơ sở. Hằng số mạng được lựa chọn là a =10 mm và cấu trúc cộng hưởng bao gồm ba lớp vật liệu: kim loại – điện môi – kim loại. Lớp điện môi (FR- 4, chiều dày td=0.8mm) có hằng số điện môi là 4.3 và độ tổn hao 0.025. Hai mặt kim loại được lựa chọn là Đồng (chiều dày tm=0.036 mm) có độ dẫn là 5.8x107 S/m. Để có thể điều khiển được tần số cộng hưởng trong cấu trúc RD và tiến tới ứng dụng để chế tạo vật liệu MPA có dải tần số làm việc rộng, chúng tôi 12 tạo ra “khe hở - g” trên vòng cộng hưởng kín. Do đó, cấu trúc mới sẽ là sự kết hợp giữa cấu trúc đĩa tròn và vòng cộng hưởng có rãnh (SRD), như trình bày trong Hình 3.1(c). Hình 3.1. Ô cơ sở của vật liệu biến hóa sử dụng cấu trúc (a) đĩa tròn, (b) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng kín (RD) và (c) đĩa tròn kết hợp với vòng cộng hưởng có rãnh (SRD). Hình 3.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ (a) mô phỏng và (b) thực nghiệm vào độ rộng của khe g trong cấu trúc SRD. Để khảo sát xa hơn sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào các tham số cấu trúc SRD, chúng tôi thay đổi giá trị của g từ 0.2 đến 1.4 mm. Rõ ràng, sự dịch xanh đã quan sát thấy trong mô phỏng và thực nghiệm tương ứng trên Hình 3.5(a) và 3.5(b), đặc 13 biệt là đỉnh tại tần số thấp. Sự dịch xanh của đỉnh hấp thụ là do giá trị của độ từ cảm hiệu dụng đã bị suy giảm khi khe hẹp xuất hiện (xấp xỉ bằng 1/3 giá trị độ từ cảm hiệu dụng trong trường hợp vòng cộng hưởng kín). Sự giảm này tỉ lệ thuận với độ rộng của khe (g). 3.2. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín Hình 3.7. (a) Mẫu chế tạo của vật liệu biến hóa sử dụng (b) mô hình vòng cộng hưởng kín. (c) Sự so sánh phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm. Trong phần này, chúng tôi đề xuất và khảo sát mô hình vật liệu biến hóa bất đối xứng khác với mục tiêu hấp thụ dải kép trong vùng tần số từ 10 đến 15 GHz. Hình 3.7(a) và 3.7(b) trình bày mẫu chế tạo và thiết kế của một ô cơ sở cấu tạo từ cấu trúc vòng cộng hưởng kín. Cấu trúc này gồm ba lớp: kim loại – điện môi – kim loại. Đế điện môi được lựa chọn là FR-4 có hằng số điện môi và độ tổn hao lần lượt là 4.3 và 0.025. Độ dày của lớp kim loại (Đồng) là tm = 0.036mm. Các thông số cấu trúc khác được tối ưu là: R1=3, R2=0.7 và a = 10 mm. Hình 6(c) trình bày phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm tương ứng. Dễ thấy, trong cả hai trường hợp, độ hấp thụ có thể đạt tới 99% tại tần số 14 13.0 GHz. Cơ chế hấp thụ đối với loại cấu trúc này xuất phát từ cộng hưởng từ, tương tự như các nghiên cứu đã công bố trước đây. Hình 3.10. (a) Mẫu chế tạo tương ứng với (b) cấu trúc bất đối xứng hình mắt cá. (c) Phổ hấp thụ mô phỏng và (d) thực nghiệm trong trường hợp thay đổi khoảng cách d. Dựa trên cấu trúc cơ sở đối xứng [Hình 3.7(b)], chúng tôi tiến hành nghiên cứu hiệu ứng bất đối xứng trong cấu trúc bằng cách dịch chuyển lỗ trống theo đường chéo của ô cơ sở [điều chỉnh thông qua khoảng cách d trong Hình 3.10(b)]. Cấu trúc mới này có hình dạng giống như cấu trúc hình “mắt cá”. Tất cả các thông số cấu trúc khác của ô cơ sở được giữ không đổi. Kế quả mô phỏng và thực nghiệm về sự thay đổi phổ hấp thụ theo khoảng cách d được trình bày trong Hình 3.10(c) và 3.10(d). Dễ thấy, tại giá trị d = 1.5 mm, phổ hấp thụ tồn tại đỉnh hấp thụ duy 15 nhất tại 13.5 GHz (độ hấp thụ trên 99%). Khi d tăng dần đến giá trị 2.3 mm, bên cạnh đỉnh hấp thụ ban đầu (độ hấp thụ không đổi), đỉnh thứ hai xuất hiện xung quanh tần số 13.5 GHz (độ hấp thụ xấp xỉ 99%). 3.3. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép Trong phần này, bên cạnh các mô hình phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc MPA bất đẳng hướng, chúng tôi đề xuất một mô hình MPA đẳng hướng mới nhằm tạo ra hấp thụ đỉnh kép bằng hiệu ứng tương tác trường gần (near-field coupling effect), hay còn gọi là hiện tượng trong suốt truyền qua cảm ứng điện từ (EIT). Cấu trúc cộng hưởng gồm ba lớp: Cu - FR- 4 – Cu. Bốn cặp đĩa kim loại được thiết kế cố định tại tâm các góc phần tư của ô cơ sở ở cả mặt trước và mặt sau của cấu trúc. Kết mô phỏng hoàn toàn trùng khớp với kết quả thực nghiệm khi thu được hai đỉnh cộng hưởng tại 12.88 và 15.56 GHz với độ hấp thụ lần lượt là 90.5% và 90.3%. 3.4. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X Như kết quả đã thảo luận ở trên, bằng cách phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc đồng trục hoặc vòng cộng hưởng kín, chúng ta có thể dễ dàng tạo ra hấp thụ đỉnh kép và đa đỉnh nếu sử dụng phương pháp xây dựng siêu ô cơ sở. Tuy nhiên, phương pháp này rất dễ vi phạm điều kiện về lý thuyết môi 16 trường hiệu dụng khi kích thước của siêu ô cơ sở tiến gần đến bước sóng hoạt động. Bên cạnh đó, việc tích hợp càng nhiều cấu trúc trong một ô cơ sở sẽ khiến cho mẫu MPA trở nên rất dày hơn khi muốn duy trì đồng thời các đỉnh hấp thụ tuyệt đối ở nhiều tần số khác nhau. Do vậy, để vượt qua giới hạn này, chúng tôi nghiên cứu và đề xuất một mô hình cấu trúc MPA có hình dạng chữ X. Cấu trúc này ngoài ưu điểm về tính đơn giản trong thiết kế và chế tạo, chúng tôi còn mong đợi rằng khi tính đối xứng của nó bị phá vỡ sẽ làm tăng thêm số bậc tự do của điện tích cảm ứng để tạo ra hấp thụ đa đỉnh. Hình 3.20. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA có cấu trúc chữ X định hướng theo không gian ba chiều. (b) Cấu tạo mặt trước của cấu trúc đối xứng và (c) trường hợp bất đối xứng, với d là độ dịch theo đường chéo của ô cơ sở của một thanh kim loại. 17 Hình 3.21. So sánh phổ hấp thụ mô phỏng (đường nét đứt màu xanh) và thực nghiệm (đường nét liền màu đỏ) của cấu trúc MPA ba đỉnh trong trường hợp (a) d = 0, (b) d = 0.5 và (c) d = 1.0 mm. Phổ hấp thụ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ hấp thụ trong trường hợp ban đầu (d=0) đạt 24% tại 11.4 GHz. Khi độ dịch d = 0.5 mm, chúng ta quan sát thấy ba đỉnh hấp thụ đồng thời xuất hiện tại tần số 10.8, 11.5 và 14.7 GHz. Độ hấp thụ đạt được tương ứng với các tần số trên là 99%, 99% và 95%. 3.5. Kết luận Trong chương này, chúng tôi đã đề xuất và chứng minh thành công một phương pháp hiệu quả để tạo ra sự hấp thụ đa đỉnh trong vùng tần số GHz. Đầu tiên, chúng tôi thiết kế và tối ưu các cấu trúc đơn đỉnh và bằng việc phá vỡ tính đối xứng của 18 chúng, các đỉnh hấp thụ mới xuất hiện đều dựa trên cộng hưởng từ (đối với mô hình MPA bất đẳng hướng) và tương tác trường gần của các cộng hưởng (đối với mô hình MPA đẳng hướng). Các kết quả trên đều được kiểm chứng bằng phương pháp tính toán mô hình mạch điện tương đương LC, mô phỏng bằng phần mềm CST và đo đạc thực nghiệm. Các kết quả này được kì vọng sẽ mở ra một cách tiếp cần mới đơn giản và hiệu quả hơn cho quá trình tạo ra hấp thụ dải rộng cho các nghiên cứu tiếp theo. CHƯƠNG 4: MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH TÍCH HỢP POLYMER DẪN 4.1. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích hợp vật liệu polymer dẫn Hình 4.1. (a) Sắp xếp ba chiều của ô đơn vị cho MPA dải tần rộng với sự phân cực của sóng EM. (b) Mẫu chế tạo và độ phóng đại của nó cho mặt trước vàlớp sau của các ô đơn vị 2×2. (b) Sắp xếp minh họa cho cấu hình thử nghiệm. Với mục tiêu tạo ra vật liệu biến hoá hấp thụ sóng điện 19 từ dải rộng với cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo hơn, chúng tôi đề xuất một mô hình MPA mới với sự trang bị vai trò “chủ động” cho lớp thứ ba (thường là lớp kim loại liên tục) của MPA bất đẳng hướng. Ý tưởng này dẫn chúng ta đến kỳ vọng về một loại MPA bất đẳng hướng thế hệ mới, hấp thụ dải rộng với cấu trúc phẳng và tích hợp linh hoạt nhiều loại vật liệu. Trong đề xuất này, bằng cách tích hợp vật liệu có độ dẫn điện thấp kết hợp cùng với lớp kim loại liên tục, BMPA đề xuất của chúng tôi dự kiến sẽ đáp ứng yêu cầu thực tế, đòi hỏi tới của sóng điện từ rộng và không phụ thuộc vào phân cực. Hình 4.4. Sự hoạt động ổn định của BMPA phạm vi góc tới của sóng điện từ rộng. (a) Phổ hấp thụ mô phỏng và (b) thực nghiệm theo góc tới của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TE. (c) Mô phỏng sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới 20 của sóng điện từ trong trường hợp phân cực TM. Nhìn chung, hầu hết các BMPA gần đây phụ thuộc rất nhiều vào góc phân cực của sóng tới. Để đánh giá lợi thế của BMPA đề xuất, chúng tôi cũng khảo sát sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào góc tới (θ) cho cả hai trường hợp phân cực TE và TM, như được trình bày trong Hình 4.4. Bằng cách thay đổi góc tới trong trường hợp phân cực TE, phổ hấp thụ mô phỏng cho thấy giá trị FBW = 51% (tại góc tới bằng 0) bị suy yếu nhẹ xuống còn 32.8% ở góc tới θ = 50° [Hình 4.4(a)]. Cụ thể, Hình 4.4(b) xác nhận sự phù hợp tốt giữa kết quả của phổ hấp thụ đo đạc của mẫu chế tạo với phổ mô phỏng. Khi θ = 5°, độ hấp thụ lớn hơn 90% từ 5.7 đến 9.1 GHz (FBW = 46%). Tại θ = 50°, độ hấp thụ vẫn duy trì ở mức 90% từ 6.07 đến 8.41 GHz (FBW = 32,3%). 4.2. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay thế hoàn toàn cấu trúc kim loại bởi vật liệu polymer dẫn Khác với mô hình trình bày ở trên, chúng tôi tiếp tục đề xuất mô hình mới với sự thay thế hoàn toàn lớp kim loại thứ nhất bằng vật liệu Polymer dẫn. Hình 4.7(a) trình bày một ô cơ sở của BMPA bao gồm ba lớp: polymer-điện môi-kim loại. Tại vị trí trung tâm của lớp điện môi bị khoét bởi bốn hình trụ (bán kính và chiều cao tương ứng là r và h). Vị trí này sẽ được được lấp đầy hoàn toàn bằng vật liệu polymer dẫn điện (𝜎 = 150 S/m). Các tham số hình học được tối ưu hóa của BMPA được đề xuất là: a = 6, r = 0.8 và h = 1.8 mm. Lớp điện môi FR-4 có độ dày t = 2.0 mm và hằng số điện môi 4.3. Lớp kim loại liên 21 tục dưới cùng là Đồng (độ dày tm = 0,036 mm) với độ dẫn điện σc = 5.8x107 S/m. Ý tưởng chính của thiết kế này đó là sự kết hợp hai cộng hưởng từ cơ bản (được tạo ra bởi sự tương tác giữa bề mặt trên và dưới, đồng thời là sự tương tác giữa các cấu trúc cộng hưởng đứng liền kề) khi đặt trong điều kiện kết hợp trở kháng hoàn hảo ở tần số vi sóng. Như quan sát trong Hình 4.7(b), hai đỉnh hấp thụ gần như tuyệt đối (độ hấp thụ 99,99%) đã xuất hiện ở tần số 15,3 và 20,1 GHz (đường cong màu đỏ). Do đó, tính chất hấp thụ trên dải tần số rộng với tỷ lệ hấp thụ trên 90% (dải màu xanh lá cây) đã đạt được từ 13,52 đến 22,18 GHz. Trong dải này, FBW thu được là 48,5%. Hình 4.7. (a) Cấu trúc nguyên tử Meta 3 chiều với sự phân cực của sóng điện từ và (b) phổ hấp thụ tương ứng của BMPA được đề xuất. Dải màu xanh biểu thị vùng tần số bị hấp thụ trên 90%. 4.3. Kết luận Trong chương này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu tích hợp và thay thế các thành phần kim loại trong cấu trúc MPA truyền thống bằng vật liệu polymer có độ dẫn thấp. Sự trang bị thêm thành phần tổn hao mạnh trong cấu trúc truyền 22 thống để đạt được hấp thụ rộng cũng là một hướng đi có tiềm năng, tiến tới chế tạo được các vật liệu biến hoá có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và có tính năng đàn hồi. Các kết quả này làm nền tảng quan trọng trong cho các nghiên cứu tiếp theo để ứng dụng tích hợp vật liệu biến hóa trong các thiết bị điện tử hoạt động ổn định dưới sự điều khiển bằng các tác động ngoại vi đa chức năng như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng và điện từ trường. KẾT LUẬN CHUNG Luận án “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng tần số GHz trên cơ sở vật liệu biến hóa (metamaterials)” đã được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ và Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Những kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án đã được công bố và đang chờ phản biện trên 06 tạp chí quốc tế và quốc gia (trong đó 04 bài báo đã đăng trên tạp chí ISI), 02 bài đăng trên kỷ yếu hội thảo khoa học chuyên ngành. Các kết quả của luận án có một số đóng quan trọng cho nghiên cứu về Khoa học vật liệu nói chung và Vật liệu biến hóa nói riêng như sau: 1. Đã nghiên cứu và trình bày nền tảng cơ sở lý thuyết về vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ để xây dựng các mô hình hoạt động đa đỉnh và dải rộng trong vùng tần số từ 2-18 GHz. 2. Đã đề xuất và khảo sát tính chất điện từ của các MPAs bất đối xứng hoạt động đa đỉnh. Đối với sự phá vỡ tính chất đối 23 xứng của hai cộng hưởng đồng trục: cả mô phỏng và thực nghiệm đều xác nhận sự tồn tại hai đỉnh hấp thụ tại 14,0 và 16,2 GHz (độ hấp thụ trên 90%) và có thể điều chỉnh được dựa trên khe hẹp của vòng cộng hưởng phía ngoài. Đây là nguyên lý để tạo ra tám đỉnh hấp thụ trên 80% trong vùng tần số từ 12,5 đến 16,2 GHz. Các mô hình bất đối xứng khác cũng tỏ rõ ưu thế khi đạt được độ hấp thụ gần tuyệt đối (100%) trong trường hợp đỉnh kép (tại 13,05 và 13,5 GHz đối với cấu trúc mắt cá) và trường hợp ba đỉnh (tại 9,7, 11,6 và 17,1 GHz đối với cấu trúc chữ X). 3. Lần đầu tiên đề xuất và kiểm chứng bằng thực nghiệm mô hình MPA đỉnh kép và đẳng hướng hoạt động tại tần số 12,8 và 15,5 GHz với độ hấp thụ đều đạt trên 90%. Các kết quả đo đạc thực nghiệm đều đồng nhất với mô phỏng và tính toán lý thuyết. 5. Đề x