Luận án: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ băng tần rộng vùng GHz trên cơ sở metamaterials

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Hồng Tiệp NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ BĂNG TẦN RỘNG VÙNG GHz TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU BIẾN HÓA (METAMATERIALS) Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Vũ Đình Lãm Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của GS. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. NGHIÊN CỨU SINH ĐINH HỒNG TIỆP LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới GS.

Vũ Đình Lãm, Thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học nghiên cứu sinh và công bố các công trình khoa học để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến và TS. Bùi Sơn Tùng đã luôn động viên và trao đổi nhiều ý tưởng khoa học mới cho các công bố của luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của các thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa (tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Hiền và TS. Tôi xin được bày tỏ sự yêu mến và lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô, anh, chị đang công tác tại Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã luôn tạo điều kiện và động viên trong suốt thời gian tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về môi trường khoa học chuyên nghiệp, cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục hành chính thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và học tập.

Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình đã luôn tin tưởng và là nguồn động lực to lớn để tôi hoàn thành luận án này. NGHIÊN CỨU SINH ĐINH HỒNG TIỆP MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU. Lịch sử hình thành của vật liệu biến hóa và ứng dụng. Lý thuyết môi trường hiệu dụng.

Các tương tác điện từ của vật liệu biến hóa. Cấu trúc cộng hưởng điện. Cấu trúc cộng hưởng từ. Sự phối hợp trở kháng của vật liệu biến hóa với môi trường.

Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ tuyệt đối đa đỉnh và dải rộng. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp quang khắc.

Phương pháp mô phỏng. Phương pháp đo đạc. Phương pháp tính toán các tham số điện từ hiệu dụng. VẬT LIỆU BIẾN HÓA BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐẲNG HƯỚNG HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐA ĐỈNH.

Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc hai vòng cộng hưởng đồng trục. Hiệu ứng bất đối xứng của cấu trúc vòng cộng hưởng kín. Vật liệu biến hóa đẳng hướng hấp thụ sóng điện từ đỉnh kép. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ đa đỉnh có cấu trúc hình chữ X.

MỞ RỘNG DẢI HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ BẰNG CÁCH TÍCH HỢP POLYMER DẪN. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA dựa trên việc tích hợp vật liệu polymer dẫn. Mở rộng dải tần số hấp thụ của MPA bằng cách thay thế hoàn toàn cấu trúc kim loại bởi vật liệu polymer dẫn. 82 KẾT LUẬN CHUNG.

83 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 85 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 87 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Tiếng Anh Tiếng Việt viết tắt Broadband Metamaterial Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng BMPA Perfect Absorber điện từ dải rộng BW Bandwidth Băng thông BSA Bovine Serum Albumin Protein albumin Bò CW Cut-wire Dây bị cắt CWP Cut-wire pair Cặp dây bị cắt Computer simulation Công nghệ mô phỏng bằng CST technology máy tính Lý thuyết môi trường hiệu EMT Effective Medium Theory dụng Electromagnetically induced EIT Trong suốt cảm ứng điện từ transparency FBW Frequency bandwidth Băng thông tần số FIT Finite Integration Technique Kỹ thuật tích phân hữu hạn GMR Guided-mode resonance Cộng hưởng dẫn sóng MM Metamaterial Vật liệu biến hóa Metamaterial perfect Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt MPA absorber đối sóng điện từ Photolithography Circuit Phương pháp quang khắc mạch PCB Board in Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với RD Ring Disk vòng cộng hưởng kín SRR Split-ring resonator Vòng cộng hưởng có rãnh Cấu trúc đĩa tròn kết hợp với SRD Split Ring Disk vòng cộng hưởng có rãnh VNA Vector Network Analyzer Hệ phân tích mạng vector Dẫn truyền năng lượng không WPT Wireless Power Transfer dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.

Phân loại vật liệu dựa trên dấu của độ điện thẩm và từ thẩm [42]. 7 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.

Đồng thời µ<0 và ε <0 chỉ đạt được dựa trên cấu trúc vật liệu biến hóa. (a) Mô hình và mặt cắt của cấu trúc MM sử dụng làm cảm biến tần 9 số dao động riêng của phân tử. (a) bố trí thí nghiệm của hệ thống WPT sử dụng cấu trúc MMs. 10 (b) So sánh hiệu suất truyền dẫn giữa các cấu hình theo tần số.

Chi tiết về các tham số cấu trúc và bố trí của thí nghiệm có thể được tham khảo trong tài liệu [51]. (Bên trái) Sự tương tự giữa môi trường đồng nhất của vật liệu tự 12 nhiên được tạo thành từ các nguyên tử và (Bên phải) vật liệu biến hóa được cấu thành từ các cấu trúc cộng hưởng. (a) Cấu trúc các dây kim loại sắp xếp tuần hoàn với bán kính dây 14 là r và khoảng cách giữa các dây là a. (b) Sự phụ thuộc của độ điện thẩm vào tần số.

Độ điện thẩm hiệu dụng của lưới dây bạc theo tần số với r = 5 µm, a = 40 mm và độ dẫn của bạc là σ = 6,3×107 S/m [62]. (a) Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh (SRR); (b) cấu trúc dây kim 15 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. (a) Cấu trúc SRR kép và phân cực của sóng điện từ.

(a) Cấu trúc ô cơ sở và (b) mô hình mạch LC tổng quát cho một ô 19 cơ sở của cấu trúc CWP. Mô hình mạch điện dao động trong trường hợp (c) cộng hưởng từ và (d) cộng hưởng điện [67]. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hoàn hảo của vật liệu biến hóa 20 với môi trường hoạt động Hình 1. (a) Cấu trúc ô cơ sở của MPA đỉnh kép gồm các vòng cộng hưởng 23 liên kết với nhau và (b) mạch điện dao động tương đương.

Thông số cấu trúc a=7,2, r=2,89, w=0,2, g=0,14 và l=0,4 mm. Minh họa sự biến đổi của cấu trúc. Phổ truyền qua, phổ phản xạ, phổ hấp thụ, phần thực của độ điện 25 thẩm và phần thực của độ từ thẩm ứng với CWP hình vuông [32]. Phổ hấp thụ ứng với các trường hợp CWP hình vuông (m = 6 mm), 26 CWP hình bát giác (m = 4 mm và m = 2 mm) và CWP hình kim cương (m = 0 mm) [32].

Phổ hấp thụ (Absorption), phần ảo của độ điện thẩm và phần ảo 27 của độ từ thẩm của CWP hình kim cương [32]. (a) Mô hình cấu trúc ô cơ sở MPA đa lớp graphene/MgF2/Au trên 29 đế Silica. (c) Sự phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cấu trúc trong khoảng thời gian 4. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo tương ứng của MPA đỉnh 30 kép sử dụng cấu trúc cộng hưởng tích hợp với tụ điện.

Phổ hấp thụ (b) mô phỏng và (d) mô thực nghiệm [90]. (a) Thiết kế ô cơ sở của MPA và (b) ảnh mẫu chế tạo. Phổ hấp thụ 31 (c) mô phỏng và (d) thực nghiệm của MPA phụ thuộc vào độ dịch chuyển (từ vị trí trung tâm ô cơ sở) của thành phần hình vuông [91]. Cấu trúc ô cơ sở của MPA 4 đỉnh (bên trái) và mẫu chế tạo bằng 32 phương pháp quang khắc (bên phải) [78].

Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ bốn đỉnh theo góc tới trong trường 33 hợp (a) phân cực TE và (b) phân cực TM của sóng tới. (bên trái) (a)-(b) Thiết kế cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo của 34 MPA hình kim tự tháp. Cấu trúc ô cơ sở của MPA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau 35 khi tích hợp điện trở ngoại vi. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng 35 điện từ [22,93-95].

Mô hình ứng dụng của MPA có tính năng đàn hồi và hoạt động 36 trong dải tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân sự. Nếu toàn bộ tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được bọc bởi MPA thì sự tồn tại của chúng sẽ không thể bị phát hiện bởi các máy dò sóng tần số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [96]. Sơ đồ quá trình nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ 37 Hình 2. Hệ thiết bị quang khắc dung trong chế tạo vật liệu biến hóa trong 38 vùng tần số GHz tại Viện khoa học vật liệu.

Quy trình chế tạo vật liệu MMs hoạt động ở vùng GHz. Một số mẫu vật liệu biến hóa hấp thụ có cấu trúc kim loại – điện 39 môi – kim loại được chế tạo theo phương pháp quang khắc. Sự phân bố điện – từ trường và dòng điện cảm ứng trên bề mặt của 41 vật liệu biến hóa tại tần số cộng hưởng được quan sát bởi CST. (Từ trái sang phải) Hệ thiết bị Vector Network Analyzer tại Trung 42 tâm Radar – Hàn Quốc và Viện Khoa học Vật liệu.

Minh họa sơ đồ bố trí hệ đo phổ phản xạ và truyền qua trong vùng 43 tần số từ 2-18 GHz.