Luận văn ThS: Mở rộng vùng tần số chiết suất âm siêu vật liệu lưới đĩa

Khám phá nghiên cứu đột phá về siêu vật liệu lưới đĩa giúp mở rộng đáng kể vùng tần số chiết suất âm, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực âm học và

• Tác giả: Phạm Thị Mai Hiên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hiền
• Trường học: Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu sự mở rộng vùng tần số chiết suất âm sử dụng cấu trúc lưới đĩa đa lớp dựa trên siêu vật liệu
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về siêu vật liệu chiết suất âm và cấu trúc lưới đĩa

Siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo có tính chất điện từ vượt trội so với vật liệu tự nhiên. Chúng được thiết kế để sở hữu các thông số điện từ không có trong tự nhiên như độ điện thẩm âm, độ từ thẩm âm và chiết suất âm. Chiết suất âm cho phép ánh sáng truyền theo hướng ngược lại so với vật liệu thông thường. Cấu trúc lưới đĩa là một trong những đơn vị cơ bản để tạo ra siêu vật liệu có chiết suất âm. Cấu trúc này bao gồm các đĩa kim loại排列 trên nền chất điện môi. Khi sóng điện từ tương tác với lưới đĩa, hiện tượng cộng hưởng từ xảy ra tạo ra vùng có độ từ thẩm âm. Kết hợp với cấu trúc dây dẫn tạo độ điệnẩm âm, vật liệu đạt được chiết suất âm trong một dải tần số nhất định. Tuy nhiên, vùng tần số chiết suất âm thường hẹp. Đây là hạn chế lớn cần được khắc phục để mở rộng ứng dụng thực tế của siêu vật liệu.

1.1. Khái niệm siêu vật liệu và chiết suất âm

Siêu vật liệu là vật liệu nhân tạo có cấu trúc周期 nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ tương tác. Chúng thể hiện các tính chất điện từ奇异 như độ điện thẩm âm và độ từ thẩm âm. Chiết suất âm xảy ra khi cả độ điện thẩm và độ từ thẩm đều âm đồng thời. Hiện tượng này được Veselago预言 năm 1968. Vật liệu có chiết suất âm có khả năng聚焦 hoàn hảo và ứng dụng trong ống kính siêu phân giải.

1.2. Cấu trúc lưới đĩa trong siêu vật liệu

Cấu trúc lưới đĩa gồm các đĩa kim loại排列 thành mảng trên nền chất điện môi. Các đĩa này tạo ra cộng hưởng LC khi tương tác với sóng điện từ. Cộng hưởng này sinh ra độ từ thẩm âm trong một dải tần số. Khoảng cách giữa các đĩa và kích thước đĩa quyết định tần số cộng hưởng. Cấu trúc lưới đĩa đơn lớp thường cho vùng chiết suất âm hẹp. Sử dụng đa lớp giúp mở rộng đáng kể dải tần số làm việc.

II. Thách thức trong mở rộng vùng tần số chiết suất âm

Một trong những thách thức lớn nhất của siêu vật liệu là vùng tần số có chiết suất âm thường rất hẹp. Điều này hạn chế nghiêm trọng khả năng ứng dụng thực tế. Với cấu trúc lưới đĩa đơn lớp, vùng từ thẩm âm chỉ xuất hiện quanh một tần số cộng hưởng duy nhất. Độ rộng băng thông này phụ thuộc vào hệ số Q của cộng hưởng. Hệ số Q cao dẫn đến vùng cộng hưởng hẹp. Ngoài ra, điều kiện để đạt chiết suất âm yêu cầu cả độ điện thẩm và độ từ thẩm đều âm trong cùng một dải tần số. Sự chồng lấp giữa vùng độ điện thẩm âm và vùng độ từ thẩm âm thường rất nhỏ. Điều này tạo ra giới hạn tự nhiên cho băng thông chiết suất âm. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng giảm khoảng cách giữa các lớp có thể kích hoạt hiện tượng lai hóa bậc hai. Hiện tượng này làm tách một cộng hưởng từ thành hai cộng hưởng mới. Kết quả là vùng từ thẩm âm được mở rộng đáng kể.

2.1. Giới hạn của cấu trúc đơn lớp

Cấu trúc lưới đĩa đơn lớp chỉ tạo ra một đỉnh cộng hưởng từ duy nhất. Vùng độ từ thẩm âm xuất hiện quanh đỉnh này với băng thông rất hẹp. Nguyên nhân là do hệ số Q của cộng hưởng LC trong cấu trúc đơn lớp cao. Khi tăng hệ số ghép giữa các phần tử, băng thông có thể cải thiện nhưng vẫn bị giới hạn. Hơn nữa, sự không khớp giữa tần số plasma điện tử và tần số cộng hưởng từ cũng thu hẹp vùng chiết suất âm.

2.2. Vai trò của tương tác liên lớp

Tương tác giữa các lớp trong cấu trúc đa lớp đóng vai trò quan trọng. Khi khoảng cách giữa hai lớp lớn, tương tác yếu và mỗi lớp hoạt động độc lập. Giảm khoảng cách làm tăng cường độ tương tác dẫn đến hiện tượng lai hóa. Tương tác từ là主导 trong trường hợp cấu trúc lưới đĩa hai lớp. Các lưỡng cực từ cảm ứng trên hai lớp có thể cùng chiều hoặc ngược chiều tùy mức năng lượng. Điều này tạo ra hai mode cộng hưởng mới tách biệt.

III. Phương pháp mở rộng vùng tần số bằng cấu trúc lưới đĩa đa lớp

Phương pháp mở rộng vùng tần số chiết suất âm dựa trên cấu trúc lưới đĩa đa lớp sử dụng mô hình lai hóa bậc hai. Khi hai lớp lưới đĩa đặt gần nhau, tương tác từ giữa chúng trở nên mạnh mẽ. Mô hình lai hóa bậc hai giải thích rằng mode cộng hưởng từ cơ bản sẽ tách thành hai mode mới. Mode này对应 với các dao động liên tục và phản liên tục của các lưỡng cực từ trên hai lớp. Khoảng cách giữa các lớp là tham số quan trọng để điều khiển mức độ lai hóa. Giảm khoảng cách d từ 3.6 mm xuống 1.2 mm làm tăng显著 sự tách biệt giữa hai mode. Kết quả mô phỏng bằng CST Microwave Studio xác nhận sự hiện diện của hai đỉnh truyền qua tương ứng với hai cộng hưởng từ. Phần thực của độ từ thẩm cho thấy vùng độ từ thẩm âm mở rộng khi giảm khoảng cách. Phương pháp này áp dụng được cho cả vùng tần số GHz và vùng quang học.

3.1. Mô hình lai hóa bậc hai cho cấu trúc lưới đĩa hai lớp

Mô hình lai hóa bậc hai dựa trên lý thuyết mạch điện LC. Mỗi lớp lưới đĩa được mô tả bằng một mạch LC cộng hưởng. Khi hai lớp ghép với nhau, hệ thống trở thành mạch LC kép có hai tần số cộng hưởng riêng. Tần số cao tương ứng với mode liên tục và tần số thấp tương ứng với mode phản liên tục. Hệ số ghép tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai lớp. Mô hình này cho phép dự đoán chính xác hai tần số tách ra.

3.2. Kỹ thuật mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế

Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm CST Microwave Studio dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Cấu trúc lưới đĩa hai lớp được thiết kế với các tham số biến đổi gồm khoảng cách giữa các lớp, kích thước đĩa và bán kính lỗ trung tâm. Quá trình tối ưu hóa nhằm đạt vùng chiết suất âm rộng nhất. Thông số S được trích xuất để tính toán độ điện thẩm và độ từẩm. Kết quả mô phỏng được验证 bằng thực nghiệm sử dụng hệ đo vector network analyzer.

IV. Kết luận và ứng dụng của siêu vật liệu lưới đĩa đa lớp

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng mở rộng vùng tần số chiết suất âm bằng cấu trúc lưới đĩa đa lớp. Mô hình lai hóa bậc hai giải thích thành công cơ chế tách mode cộng hưởng từ khi giảm khoảng cách giữa các lớp. Vùng độ từ thẩm âm mở rộng显著 khi khoảng cách giảm từ 3.6 mm xuống 1.2 mm. Kết quả này phù hợp với lý thuyết và mô phỏng số. Cấu trúc lưới đĩa đa lớp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các ứng dụng bao gồm ống kính siêu phân giải, cảm biến sinh học và anten siêu vật liệu. Công nghệ này cũng áp dụng được cho vùng tần số quang học với cấu trúc kích thước nano. Nghiên cứu mở đường cho việc thiết kế siêu vật liệu có băng thông rộng hơn phục vụ通信 và y tế.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến sinh học

Siêu vật liệu có tiềm năng lớn trong cảm biến sinh học. Cảm biến dựa trên siêu vật liệu không cần đánh dấu mẫu như phương pháp huỳnh quang. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và thời gian phân tích. Khi chất phân tích bám trên bề mặt siêu vật liệu, tần số cộng hưởng thay đổi có thể đo được. Cấu trúc đa lớp tăng độ nhạy cảm biến do vùng cộng hưởng rộng hơn. Ứng dụng bao gồm chẩn đoán dịch bệnh và kiểm định chất lượng thực phẩm.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu trong tương lai tập trung vào mở rộng vùng chiết suất âm sang các dải tần số khác nhau. Thiết kế cấu trúc đa lớp với số lớp nhiều hơn để đạt băng thông siêu rộng. Tối ưu hóa quy trình chế tạo để sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Kết hợp siêu vật liệu với các công nghệ mới như metamaterial absorber và anten định hướng. Mở rộng ứng dụng sang vùng terahertz và quang học cho cảm biến và imaging tốc độ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Những năm gần đây, cuộc cách mạng khoa học công nghệ về tìm kiếm vật liệu mới và năng lƣợng mới đang rất đƣợc quan tâm và diễn ra sôi nổi trên toàn thế giới. Hiện nay việc nghiên cứu vật liệu mới để tìm ra các loại vật liệu tốt hơn, rẻ hơn thay thế cho các vật liệu truyền thống đã và đang trở thành nhu cầu cấp thiết. Nghiên cứu vật liệu mới còn nhằm mục đích chế tạo ra những vật liệu có tính chất khác biệt, tốt hơn nhiều so với vật liệu đã biết trong tự nhiên, có tiềm năng ứng dụng to lớn. Khoảng từ năm 2000 trở về đây, siêu vật liệu (metamaterials) nổi lên nhƣ một lĩnh vực rất tiềm năng trong nghiên cứu vật liệu mới.

Hiện nay có rất nhiều hƣớng nghiên cứu khác nhau về siêu vật liệu. Trong đó, một hƣớng nghiên cứu chính về siêu vật liệu đƣợc các nhà khoa học rất quan tâm đó là siêu vật liệu có chiết suất âm. Siêu vật liệu có chiết suất âm là sự kết hợp của vật liệu đồng thời có độ từ thẩm âm (μ< 0) và độ điện thẩm âm (ε< 0) trên cùng một dải tần số. Vật liệu này sở hữu nhiều tính chất bất thƣờng nhƣ sự nghịch đảo của định luật Snell, sự nghịch đảo trong dịch chuyển Dopler, sự nghịch đảo của bức xạ Cherenkov, đặc biệt là ba vector của sóng điện từ: E , H , k tuân theo quy tắc tam diện nghịch.

Nhờ vào những tính chất đặc biệt kể trên, vật liệu này hứa hẹn rất nhiều ứng dụng mang tính đột phá trong thực tế nhƣ: Thiết bị khoa học; pin năng lƣợng; y tế; đặc biệt là lĩnh vực quân sự. Ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là “siêu thấu kính” đã đƣợc chế tạo thành công năm 2005[1]. Một loạt các ứng dụng quan trọng khác của siêu vật liệu cũng đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhƣ: “áo choàng” để che chắn sóng điện từ (electromagnetic cloaking); bộ cộng hƣởng cảm biến; bộ lọc tần số; bộ cộng hƣởng; sensor. Siêu vật liệu nói chung hoạt động dựa trên tính chất cộng hƣởng từ và cộng hƣởng điện từ khi tƣơng tác với các thành phần điện trƣờng E và từ 1 trƣờng H của sóng điện từ chiếu đến.

Tuy nhiên, các cấu trúc siêu vật liệu đã biết có tính chất cộng hƣởng thƣờng xảy ra trong vùng tần số hẹp và phụ thuộc vào phân cực của sóng điện từ. Do đó, để đƣa siêu vật liệu vào ứng dụng thực tế cần phải nghiên cứu giải quyết một số vấn đề sau: tìm kiếm vật liệu có cấu trúc đơn giản, có dải tần số hoạt động rộng, không phụ thuộc phân cực sóng điện từ, dễ dàng trong việc chế tạo và triển khai ứng dụng.Trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung vào hƣớng nghiên cứu việc mở rộng vùng tần số có chiết suất âm của siêu vật liệu thông qua việc nghiên cứu cấu trúc lƣới đĩa đa lớp, bằng kết hợp cả thực nghiệm, mô phỏng và tính toán. Đồng thời tìm ảnh hƣởng của tổn hao các điện môi, ảnh hƣởng của từng lớp cấu trúc khi sử dụng nhiều lớp cấu trúc trong việc mở rộng vùng tần số có chiết suất âm ở các vùng tần số khác nhau (đặc biệt là vùng quang học). Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về siêu vật liệu Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 2 CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ SIÊU VẬT LIỆU 1. Giới thiệu chung về siêu vật liệu Với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật trong thời gian gần đây, con ngƣời đã tạo ra những vật liệu nhân tạo, mà ở đó, các nguyên tử đƣợc sắp xếp một cách có chủ ý để có thể điều khiển các tính chất điện, từ và quang học của vật liệu. Loại vật liệu nhân tạo này đƣợc đặt tên là “Metamaterial-Meta” hay “siêu vật liệu”. Siêu vật liệu có thể có những tính chất giống nhƣ các loại vật liệu đã biết hay xuất hiện những tính chất hoàn toàn mới chƣa từng đƣợc quan sát trong tự nhiên.

Đây không chỉ là cầu nối cho những hiểu biết hiện tại giữa nguyên tử và vật lý chất rắn mà còn hứa hẹn là một nguồn vật liệu mới với những tính chất đặc thù không tồn tại trong vật liệu tự nhiên [2]. Từ đó đã thay đổi quan niệm trƣớc đây cho rằng: các tính chất vật lý của vật liệu đƣợc quyết định bởi tính chất của các nguyên tử và cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, những tính chất đƣợc mặc định và không thể thay đổi đƣợc. Siêu vật liệu đƣợc hình thành từ rất nhiều các thành phần riêng biệt với những hình thái đặc trƣng kết hợp với nhau để tạo nên các “giả nguyên tử” (meta-atom) quyết định tính chất chung của cả khối vật liệu. Các nguyên tử siêu vật liệu đƣợc đặt trong các ô cơ sở có kích thƣớc nhỏ hơn rất nhiều lần bƣớc sóng hoạt động [3].

Trong một môi trƣờng tổng hợp nhƣ vậy, sóng điện từ khi đƣợc chiếu đến vật liệu sẽ tƣơng tác với từng thành phần vi mô cấu thành, tạo ra các mô men cảm ứng điện từ và từ đó trực tiếp ảnh hƣởng đến độ điện thẩm và độ từ thẩm ở cấp độ vĩ mô của cả siêu vật liệu. Bằng việc sắp xếp vị trí và thay đổi độc lập các tham số của các thành phần cấu thành vật liệu, ta có thể tùy ý điều khiển tính chất điện từ của siêu vật liệu và tạo ra những hiện tƣợng thú vị chƣa từng có trong tự nhiên nhƣ tính chiết suất âm [4], nghịch đảo định luật Snell [5], nghịch đảo định luật Dopler [6]…. Sự tƣơng quan giữa cấu trúc của vật liệu truyền thống và siêu vật liệu đƣợc thể hiện trong hình 1. Theo đó, siêu vật liệu về cơ bản có cấu trúc tƣơng tự 3 nhƣ vật liệu truyền thống, tuy nhiên, các “nguyên tử” siêu vật liệu (thƣờng đƣợc mô hình hóa bằng mạch dao động riêng LC) có thể đƣợc điều biến, sắp xếp lại trật tự một cách có chủ đích để tạo ra những tính chất mới, không có sẵn trong vật liệu truyền thống [7,8].

Sự tương quan giữa cấu trúc của vật liệu truyền thống và siêu vật liệu. Siêu vật liệu là sự sắp xếp một cách có chủ ý của các thành phần riêng biệt trong không gian, về bản chất, siêu vật liệu không phải là vật liệu đồng nhất ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, kích thƣớc của các thành phần tạo thành này cũng nhƣ khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với vùng bƣớc sóng hoạt động. Dựa vào lý thuyết môi trƣờng hiệu dụng (Effective medium theory – EMT), ta có thể coi siêu vật liệu nhƣ một khối đồng nhất với các thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng đặc trƣng cho toàn khối.

Việc coi siêu vật liệu là các thành phần riêng lẻ hay một khối đồng nhất thực chất là hai mặt của cùng một vấn đề đƣợc liên kết với nhau bởi thuật toán truy hồi (retrieval 4 algorithms). Trong nghiên cứu siêu vật liệu, ta giả thiết rằng tƣơng tác của môi trƣờng không đồng nhất với sóng điện từ có thể đƣợc mô tả chỉ bằng hai thông số dạng phức ε và μ. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích thƣớc của các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều so với bƣớc sóng hoạt động, từ đó tƣơng tác của sóng tới với môi trƣờng truyền đƣợc tính bằng trung bình của các thành phần tạo thành trong không gian. Tính trung bình đƣợc chia thành hai cấp.

Ở cấp thứ nhất, các ô cơ sở của vật liệu là tƣơng đối lớn so với kích thƣớc các phân tử, do vậy ta có hệ phƣơng trình Maxwell đối với từng vật liệu thành phần: 1 B E   , (1.4) trong đó, D   0 r E và B  0 r H với  r và r là thông số của các vật liệu thành phần. Tuy nhiên, ở cấp độ thứ hai, kích thƣớc các ô cơ sở là rất nhỏ so với kích thƣớc mà ở đó trƣờng điện từ biến thiên do tác động của các dòng cảm ứng điện từ trong cấu trúc đóng góp gây nên sự phân cực. Hay nói cách khác, không tồn tại một cấu trúc rõ ràng của sự phân bố các hạt mang điện hay các dòng trên cả vật liệu mà chỉ có thể lấy giá trị trung bình của một số trƣờng lƣỡng cực (hay đôi khi là các trƣờng tứ cực) tƣơng ứng. Do vậy ta có các giá trị trƣờng trung bình: D   0 eff E (1.6) thể hiện các giá trị điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng của siêu vật liệu.

5 Các giá trị hiệu dụng này đƣợc tính toán dựa trên mô hình môi trƣờng hiệu dụng Maxwell-Garnett. Theo đó, độ điện thẩm hiệu dụng  eff của môi trƣờng gồm: m môi trƣờng hình cầu có độ điện thẩm của từng môi trƣờng là  i đƣợc bao quanh bởi môi trƣờng khác có độ điện thẩm  m có thể đƣợc xác định từ điều kiện [9]:  eff   m   (1. (2  fi ) m  (1  fi ) i Tuy nhiên, giới hạn bƣớc sóng để có thể áp dụng đƣợc lý thuyết môi trƣờng hiệu dụng đối với siêu vật liệu cho đến nay vẫn còn là một vấn đề cần phải làm rõ. Một số nghiên cứu gần đây [10, 11] cho thấy, bằng việc sử dụng cấu trúc lõi-vỏ dạng cầu với điều kiện sóng điện từ chiếu đến không bị tán xạ, lý thuyết môi trƣờng hiệu dụng có thể đƣợc áp dụng khi sóng điện từ chiếu đến có bƣớc sóng chỉ lớn hơn 1.3 lần hằng số mạng.

Do siêu vật liệu có kích thƣớc ô cơ sở nhỏ hơn nhiều lần bƣớc sóng hoạt động nên khi sóng điện từ tƣơng tác với vật liệu, ta có thể coi thành ba thành phần: thành phần phản xạ (reflection - R) do trở kháng của vật liệu với môi trƣờng là khác nhau, thành phần hấp thụ (absorption-A) do bản chất của vật liệu và thành phần truyền qua (T). Ở đây, chúng ta bỏ qua các thành phần nhiễu xạ và tán xạ. Nhƣ vậy, ta thấy tổng năng lƣợng của ba tín hiệu phản xạ, truyền qua và hấp thụ phải bằng tổng năng lƣợng của tín hiệu sóng truyền đến vật liệu theo công thức: R + T + A = 1 (100%) [12, 13]. Từ đó, khi biết đƣợc hai trong ba giá trị này thì có thể tính toán đƣợc giá trị còn lại.