Nghiên cứu cấu trúc và tính chất vật liệu biến hóa đa chức năng hấp thụ & chuyển đổi phân cực sóng điện từ

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Minh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA ĐA CHỨC NĂNG HẤP THỤ VÀ CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC SÓNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Hà Nội - 2025 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Minh NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA ĐA CHỨC NĂNG HẤP THỤ VÀ CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC SÓNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9440123 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Kí, ghi rõ họ tên) (Kí, ghi rõ họ tên) PGS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa GS. Vũ Đình Lãm Hà Nội - 2025 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án: “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu biến hoá đa chức năng hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ” là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và GS.

Luận án sử dụng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc. Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tôi. Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2025 Tác giả luận án Nguyễn Thị Minh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và GS. Vũ Đình Lãm đã tận tình chỉ dẫn, định hướng, hỗ trợ từ những bước nghiên cứu đầu tiên cho đến khi hoàn thành luận án. Những góp ý quý báu, kinh nghiệm thực tiễn và những lời động viên, khích lệ trong nghiên cứu của Thầy/Cô đã giúp tôi định hướng rõ ràng và vượt qua những khó khăn trong quá trình nghiên cứu.

Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, các Phòng chức năng của Học viện Khoa học và Công nghệ, Ban Lãnh đạo và các Thầy, Cô Viện Khoa học vật liệu đã giảng dạy về kiến thức, tạo điều kiện về môi trường học tập, nghiên cứu. Nhờ sự hỗ trợ về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu hiện đại cùng như môi trường học thuật chuyên nghiệp, tôi đã có cơ hội tiếp cận và vận dụng những kiến thức chuyên sâu phục vụ cho nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn PGS. Lê Đắc Tuyên, PGS.

Bùi Xuân Khuyến, TS. Bùi Sơn Tùng, các anh chị em nghiên cứu tại Phòng Vật liệu biến hóa và ứng dụng, Viện Khoa học vật liệu đã chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và hỗ trợ trong quá trình thực hiện chế tạo, đo đạc mẫu thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Vinh, Trung tâm Kiểm định chất lượng giáo dục đã tạo điều kiện về thời gian, công việc giúp tôi tập trung học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên cạnh động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2025 Tác giả luận án (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thị Minh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC BẢNG .vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. viii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BIẾN HOÁ HẤP THỤ VÀ CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC SÓNG ĐIỆN TỪ. Tổng quan về vật liệu biến hóa. Các giai đoạn phát triển của vật liệu biến hóa. Phân loại và tính chất của vật liệu biến hóa.

Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa. Vật liệu biến hóa hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ và tiềm năng ứng dụng. Vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng điện từ và ứng dụng.

Vật liệu biến hóa đa chức năng hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ. Một số phương pháp thiết kế vật liệu biến hóa đa chức năng hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ. Ứng dụng của vật liệu biến hoá đa chức năng hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ. Kết luận chương 1.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp tính toán lí thuyết. Phương pháp mô phỏng. Phương pháp chế tạo và đo đạc thực nghiệm.

Kết luận chương 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU BIẾN HÓA CÓ ĐẶC TÍNH HẤP THỤ VÀ ĐẶC TÍNH CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC SÓNG ĐIỆN TỪ. Thiết kế cấu trúc và khảo sát tính chất hấp thụ của MA hoạt động vùng tần số THz. Thiết kế cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng tần số THz.

Khảo sát tính chất hấp thụ của MA hoạt động vùng tần số THz. Ảnh hưởng của độ dày lớp cộng hưởng đến hiệu suất hấp thụ của MA .4 Ảnh hưởng của góc tới đến hiệu suất hấp thụ của MA. Thiết kế cấu trúc và khảo sát tính chất của vật liệu biến hóa chuyển đổi phân cực sóng điện từ. Thiết kế cấu trúc MPC cho ứng dụng băng tần S, C.

Thiết kế cấu trúc MPC cho ứng dụng băng tần C, X và Ku. Thiết kế cấu trúc MPC hoạt động vùng tần số THz. Kết luận chương 3. THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HOÁ ĐA CHỨC NĂNG HẤP THỤ VÀ CHUYỂN ĐỔI PHÂN CỰC SÓNG ĐIỆN TỪ.

Thiết kế và tối ưu cấu trúc MFM hấp thụ và chuyển đổi phân cực hoạt động vùng tần số GHz. Thiết kế cấu trúc MFM hấp thụ và chuyển đổi phân cực tích hợp nước. Khảo sát tính chất của MFM ở chế độ hấp thụ. Khảo sát tính chất của MFM hoạt động ở chế độ chuyển đổi phân cực.

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vật liệu, kích thước đến hiệu suất của MFM. Thiết kế và tối ưu cấu trúc MFM hấp thụ và chuyển đổi phân cực sóng điện từ hoạt động vùng tần số THz. Thiết kế cấu trúc MFM hấp thụ và chuyển đổi phân cực tích hợp vật liệu chuyển pha VO2. Khảo sát tính chất của MFM tích hợp VO2 hoạt động ở chế độ hấp thụ.

Khảo sát tính chất của MFM tích hợp VO2 ở chế độ chuyển đổi phân cực. Khảo sát ảnh hưởng của tham số cấu trúc và các lớp vật liệu lên tính chất hấp thụ và chuyển đổi phân cực. Kết luận chương 4. 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 121 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 122 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các kí hiệu A() Thành phần năng lượng sóng bị hấp thụ ABS Độ hấp thụ E Điện trường H Từ trường k Hướng truyền sóng PCR Hiệu suất chuyển đổi phân cực R() Thành phần năng lượng sóng phản xạ Rs Điện trở của Đi-ốt PIN Rxy Hệ số phản xạ vuông góc Ryy Hệ số phản xạ đồng phân cực S11 Hệ số phản xạ S21 Hệ số truyền qua T() Thành phần năng lượng sóng truyền qua Z Trở kháng vi 2.

Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt 2D Two-Dimensional Hai chiều 3D Three-Dimensional Ba chiều CST Computer Simulation Công nghệ mô phỏng máy tính Technology ECR Energy Conversion Ratio Tỉ lệ chuyển đổi năng lượng FIT Finite Integration Technique Kĩ thuật tích phân hữu hạn FSS Frequency Selective Surfaces Bề mặt chọn lọc tần số LH Left-handed Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái MMs Metamaterials Vật liệu biến hóa MFM Multifunction Metamaterial Vật liệu biến hóa đa chức năng Metamaterials Absorber Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng MA điện từ Metamaterials Polarization Vật liệu biến hóa chuyển đổi MPC Converter phân cực sóng điện từ PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RBW Relative Bandwidth Băng thông tương đối RCS Radar Cross Section Tiết diện phản xạ Ra đa Right-handed Vật liệu theo quy tắc bàn tay RH phải SRRs Split-Ring Resonators Vòng cộng hưởng có rãnh TE Transmission Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang VNA Vecter Network Analyzer Máy phân tích mạng véctơ vii DANH MỤC BẢNG Bảng 3. Bảng kích thức các tham số của MA sử dụng VO2. Sự thay đổi độ dẫn của vật liệu VO2 vào nhiệt độ. So sánh hiệu suất của cấu trúc MA đề xuất với các cấu trúc MA sử dụng VO2 đã được công bố.

Giá trị các tham số tối ưu ô đơn của MPC đề xuất ……………………. So sánh hiệu suất của cấu trúc đề xuất với các cấu trúc công bố gần đây. Kích thước tối ưu ô đơn vị của MFM đề xuất. So sánh hiệu suất của MFM đề xuất với hiệu suất của các MFM báo cáo trong các công bố gần đây……………………………………………………………… 103 Bảng 4.

So sánh hiệu suất của MFM đề xuất với hiệu suất của các MFM tiên tiến được công bố gần đây……………………………………………………………… …. 117 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. MMs đầu tiên do Pendry đề xuất: (a) Cấu trúc dây dẫn mảnh (b) Cấu trúc SRRs (c) Dãy tuần hoàn SRRs ……………………………………………………. Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm (ε) và từ thẩm (µ).

(a) Mô hình nguyên tử vật liệu trong tự nhiên và (b) Nguyên tử MMs ……. Mô hình mô phỏng MMs ứng dụng trong thiết kế ăng-ten hoạt động tại tần số 1.88 GHz (a) ô đơn vị, (b) biểu đồ biên độ, pha của hệ số phản xạ và hệ số truyền qua. Mô hình ứng dụng MMs trong cải thiện độ lợi của ăng-ten: (a) MMs xung quanh phần tử bức xạ, (b) MMs làm tải của ăng-ten, (c) MMs ở lớp trên và dưới phần tử bức xạ ………………………………………………………………………………11 Hình 1. Cảm biến sinh học (a) hình ảnh từ trên xuống của một đường truyền vi dải, (b) mặt cắt ngang của đường truyền vi dải với một cặp cộng hưởng vòng có rãnh và sơ đồ phân bố trường điện từ .