ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Luận văn thạc sĩ 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GIẢ VẬT LIỆU – AAO TEMPLATE. Năm 1968 nhà vật lý người Nga Victor Veselago đề xuất lý thuyết chiết suất âm hay vật liệu nghịch (Left-hand material (LHMs), vật liệu cổ điển là Righ-hand material) và đưa ra các tính chất của vật liệu này đối lập với định luật Snell, hiệu ứng Doppler và sự bức xạ Cerenkov, đây chính là tiền đề mở đường cho các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển các tính năng lạ thường của loại vật liệu này [20]. Tuy nhiên lý thuyết Veselago nhanh chóng bị lãng quên bởi tại thời điểm này chưa thể tạo được LHMs cũng như không tồn tại trong tự nhiên vì không có chất nào vừa đẳng hướng vừa có ε, µ< 0. Đến năm 2001 thì thuật ngữ Metamaterials (MTMs) đã được Rodger M.
Walser của Trường Đại học Texas tại Austin định nghĩa cho các vật liệu có tính chất phụ thuộc cấu trúc chứ không phụ thuộc vào thành phần [34]. MTMs là từ để phân biệt với các vật liệu composite, tên MTMs thường được sử dụng cho một vật liệu có tính chất khác thường trong vật liệu điện từ. Ông đã xác định MTMs là: vật liệu kết hợp nhân tạo, ba chiều, cấu trúc dạng ô có chu kì được thiết kế để tạo ra một sự kết hợp tối ưu, không có sẵn trong tự nhiên, đáp ứng lại 2 hay nhiều kích ứng đặc trưng. Năm 2004, Pendry và các đồng sự tại Imperial College London đã đề xuất 2 cấu trúc nhân tạo đồng nhất có hiệu quả cho sóng điện từ.
Cả 2 cấu trúc này đều có kích thước đặc trưng nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng tác dụng (p << λtd) và vật liệu này chính là MTMs.1: Hai cấu trúc tạo ra hiệu ứng Plasmon ở dải vi sóng. 2 Luận văn thạc sĩ Cấu trúc (hình 1a) là cấu trúc hệ dây dẫn mảnh (thin wires - TW), cấu trúc này thể hiện được tính chất ε < 0, µ > 0 khi thành phần điện trường của sóng tác dụng song song trục dây dẫn. Hình 1b là cấu trúc các vòng hở cộng hưởng (split-ring resonator – SSR), cấu trúc này thể hiện ε > 0, µ < 0 khi thành phần từ trường vuông góc với mặt phẳng chứa vòng cộng hưởng. Mặc dù vẫn ở dạng mô hình, tuy nhiên LHMs đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rải trong quang học cũng như lĩnh vực vi sóng trong tương lai như: siêu thấu kính, bộ lọc dải thông vi sóng, anten rada, hấp thụ sóng điện từ … .Đồng thời thúc đẩy việc chế tạo vật liệu này hoạt động ở tần số cao hơn phục vụ cho các ứng dụng mới trong quang học.
Cho đến nay một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo thành công vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở những dải tần số khác nhau từ GHz tới THz hoặc cao hơn. Như đã nói ở trên, để kết cấu ảnh hưởng đến sóng điện từ (SĐT), MTMs phải có cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của bức xạ điện từ tương tác với nó, trong khi đó muốn sử dụng cho các dải sóng có bước sóng nhỏ thì cần phải có một công nghệ chế tạo vật liệu đến kích cỡ micro hoặc nano. Vì vậy để chế tạo vật liệu có chiết suất âm có cấu trúc nhân tạo, hoạt động ở vùng tần số cao, đòi hỏi sử dụng thiết bị công nghệ nanô hiện đại như hệ khắc dùng chùm tia điện tử hoặc chùm tia iôn (Electron Beam Lithography, Ion Beam Lithography). Năm 2006 nhà khoa học Nhật Riken và các đồng sự tại Viện nghiên cứu Vật lý và Hóa học Nhật Bản (Japan‟s Institute of Physical and Chemical Research) đã chế tạo ra kính không phản xạ (zero-reflection looking glass).
Vật liệu được chế tạo bằng cách cấy những vòng hở (split ring) cộng hưởng kích thước nano của kim loại quí như vàng và bạc gắn vào một tấm Silic, sự sắp xếp này mang đến cho vật liệu hệ số chiết suất âm. Phương pháp chế tạo vật liệu này là ứng dụng của phương pháp quang khắc, phải sử dụng máy E- beam Lithography khá đắt và tinh vi [27]. Một phương pháp có thể tạo ra cấu trúc những sợi dẫn điện kích cỡ nano đặt song song với nhau, phương pháp này dựa trên ứng dụng của phương pháp AAO 3 Luận văn thạc sĩ (anodic aluminum oxide) template [24]. Bằng phương pháp Template người ta tạo ra những khuôn có kích cỡ nano bằng phương pháp anode hóa.
Với những lỗ xốp sắp xếp song song trên vật liệu nền người ta có thể đưa các chất dẫn điện vào trong tạo nên các sợi dẫn điện có kích thước nano đặt song song với nhau [7]. Năm 2006, Huang Lanping và các công sự đã kiểm tra sự hấp thụ sóng điện từ bằng cách cấy các sợi dây α-Fe có kích thước nano trên nền AAO Template và đã cho kết quả tốt ở dải tần số 2-18 GHz [17] Năm 2008, Boren Zheng và các cộng sự đã giới thiệu mô hình gồm các thanh kim loại cắm trong sắt từ [15]. Hấp thụ SĐT ở giải tần số từ 8. Năm 2008, Bo Gao, Liang Qiao và các cộng sự đã kiểm tra khả năng hấp thụ sóng điện từ bằng cách cấy các sợi nano Ni trên AAO Template cho thấy khả năng hấp thụ tốt nhất ở 10 GHz khi chiều dày là 3mm [9].
Rumiche và các cộng sự tại Đại học Chicago giới thiệu cảm biến phát hiện H2 ở nồng độ thấp trên cơ sở AAO được phủ lớp màng mỏng Pd trên bề mặt [36]. Tháng 01/2011 tại trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các công trình nguyên cứu cấu trúc và độ hấp thụ hồng ngoại và radar trên cơ sở AAO template- sơn Epoxy C,Ag nano tinh thể do Nguyễn Thanh Tuấn, Tạ Quang Tuyến [5] thực hiện và đã cho thấy các kết quả rất tốt trong việc hấp thụ SĐT (radar và vùng hồng ngoại). Trong công trình này các tác giả chỉ ra mối liên hệ giữa đường kính cũng như chiều sâu tấm AAO với khả năng hấp thụ SĐT, tuy nhiên trong công trình nghiên cứu này tác giả chưa khảo sát đến ảnh hưởng của chiều sâu lớp hấp thụ đến khả năng hấp thụ của vật liệu.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Lĩnh vực mà MTMs được nguyên cứu nhiều nhất đó chính là lĩnh vực hấp thụ sóng điện từ và những ứng dụng dựa trên các tính chất kì diệu ngày càng được áp dụng rộng rãi trong dân sự cũng như quân sự. Ngày nay vấn đề năng lượng đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia, việc sử dụng năng lượng tái tạo (gió, thủy triều, mặt trời…) đang được khuyến khích nguyên cứu và áp dụng.
Trong đó, năng lượng mặt trời đang được nguyên cứu nhiều nhất bởi nguồn năng lượng sạch ệc chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp thụ của vật liệu lên vùng quang phổ mặt trời sẽ là cuộc cách mạng trong việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời với ứng dụng là pin màng mỏng đa lớp. Trong lĩnh vực quân sự, ngày nay các khí tài hiện đại luôn có khả năng tàng hình trước sự dò tìm của đối phương vì vậy việc “tàng hình” trước các hệ thống RADAR hiện đại có khả năng phát hiện mục tiêu cách xa hàng trăm kilomet là hết sức quan trọng. Bên cạnh ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, vật liệu hấp thụ sóng điện từ (SĐT) còn được ứng dụng trong công nghiệp, y tế nhằm hạn chế ảnh hưởng của SĐT tác động đến cơ thể con người. Các vật liệu hấp thụ hiện nay được chế tạo với nhiều dạng khác nhau, ví dụ như dưới dạng tấm, cuộn, ngói, sơn…, nhưng tất cả đều được nghiên cứu phát triển trên cơ sở lý thuyết tương tác của sóng điện từ (SĐT) với vật rắn.
Mặc dù công nghệ chế tạo, ứng dụng vật liệu hấp thụ SĐT trên thế giới đã được nghiên cứu từ lâu, tuy nhiên tại Việt Nam việc nghiên cứu ứng dụng còn hạn chế, vì vậy việc nghiên cứu các loại giả vật liệu có khả năng hấp thụ SĐT có ý nghĩa quan trọng. Trước tình hình đó, tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu cấu trúc và tính hấp thụ của giả vật liệu Al2O3 anốt hoá (AAO Template) - sợi nano Ag ” với việc kế thừa các kết quả của các nhóm nghiên cứu trước nhằm khảo sát tính hấp thụ của của giả vật liệu này. 5 Luận văn thạc sĩ Mục tiêu đề tài: Chế tạo giả vật liệu trên cơ sở AAO Template - sợi nano Ag Khảo sát sự hình thành, chiều dài sợi nano Ag đến khả năng hấp thụ RADAR, hồng ngoại của giả vật liệu khi thay đổi thời gian tẩm dung dịch AgNO3 Đề tài này nghiên cứu loại vật liệu có cấu trúc Nano với sự hấp thụ sóng điện từ. Khi sóng điện từ tương tác lên trên bề mặt vật liệu có cấu trúc nano Al2O3 + sợi nano Ag, thì dựa vào hiệu ứng plasmon, hiệu ứng cộng hưởng ống dẫn sóng và đặc biệt là hiệu ứng cáp quang.
Những hiệu ứng đó sẽ làm cho sóng điện từ không phản xạ trở lại mà bị khúc xạ vào trong lỗ nano, khi vào trong lỗ nano sóng điện từ sẽ bị “nhốt” lại và giải phóng nhiệt năng cùng các năng lượng khác ra hai bên thành lỗ nano và đi ra ngoài tấm nhôm nền. Chính nguyên lý đó làm cho vật liệu kết hợp trên có khả năng hấp thụ sóng điện từ rất tốt. 6 Luận văn thạc sĩ CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 Luận văn thạc sĩ 2.1 SÓNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ là sự kết hợp của dao động điện trường E và từ trường B vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng, bên cạnh đó sóng điện từ cũng được xem như chùm photon được truyền trong không gian [20].1 Sự truyền sóng điện từ Ánh sáng, nhiệt độ (hay năng lượng bức xạ), sóng rađa, sóng radio, tia Rongen, tất cả đều được xem là những dạng bức xạ điện từ. Mỗi một dạng được đặc trưng trước tiên bởi một phạm vi đặc thù của bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó.
Phổ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ (do các chất phóng xạ phát ra) có bước sóng cỡ 10-12 m đến sóng radio (sóng vô tuyến điện) bước sóng trên 1m (Hình 2.2 Dải sóng điện từ 8 Luận văn thạc sĩ Màu sắc do chúng ta nhìn thấy phục thuộc vào bước sóng xác định và dải bước sóng của vùng ánh sáng nhìn thấy nằm trong 1 vùng hẹp của phổ có bước sóng từ 0,4 m (4. Trong chân không, tất cả sóng điện từ đều được truyền với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (C = 3. Tốc độ truyền này phụ thuộc vào hằng số điện môi εo và độ từ thẩm của chân không μo theo công thức C 1/ 0 0 (2.
