Chương 1. Các hiện tượng và vật liệu hấp thụ sóng vi ba. Kỹ thuật thực nghiệm. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano điện môi La1,5Sr0,5NiO4.
Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của các hạt nano kim loại Fe. Công nghệ chế tạo và tính chất hấp thụ sóng vi ba của một số hệ hạt nano tổ hợp điện môi/sắt từ, ferrite. Mục tiêu của luận án: - Chế tạo các hệ hạt nano (điện môi, ferrites, sắt từ, kim loại) và các hệ hạt nano tổ hợp của chúng. Tìm quy trình công nghệ tối ưu, phù hợp cho việc chế tạo các mẫu hấp thụ.
Khảo sát các tính chất cơ bản của các vật liệu nano chế tạo. - Đo đạc và nghiên cứu các hiệu ứng hấp thụ sóng vi ba trong các hệ hạt nano từ- điện môi, các cơ chế hấp thụ và sự phụ thuộc của tính chất hấp thụ vào các thông số của vật liệu, từ đó tìm giải pháp nâng cao khả năng hấp thụ cũng như điều chỉnh các tham số hấp thụ. - Tìm kiếm và phát triển những vật liệu mới (hấp thụ đồng thời nhiều cơ chế) với khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba, bắt kịp các thành tựu của thế giới (RL tại đỉnh hấp thụ đạt -40 dB đến -60 dB, tương ứng với khả năng hấp thụ trên 99,99% công suất sóng điện từ tại tần số cộng hưởng trong vùng vi ba). Đối tượng nghiên cứu của luận án: - Các hạt nano sắt từ và ferrites có µ và Ms cao như gốm sắt từ La0.7MnO3, các ferrite CoFe2O4, NiFe2O4, hệ hạt nano kim loại Fe.
- Các hạt nano của vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ La1,5Sr0,5NiO4. - Các hạt nano tổ hợp của sắt từ/ferrite từ và điện môi. 4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu: - Cách tiếp cận: Dựa trên những kết quả nghiên cứu sẵn có của nhóm nghiên cứu kết hợp với một số bài báo, công bố của các tác giả trong và ngoài nước về vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói chung và vật liệu hấp thụ sóng vi ba, sóng radar nói riêng để làm nền tảng và cơ sở nghiên cứu. Từ đó, xây dựng phương pháp nghiên cứu thích hợp trong điều kiện thí nghiệm trong nước, từ việc chế tạo vật liệu, xây dựng các phép đo, áp dụng các mô hình lý thuyết phù hợp để phân tích và xử lý số liệu, cho đến việc đánh giá các kết quả thực nghiệm thu được và định hướng các nghiên cứu tiếp theo.
- Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sẽ được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm. Mẫu bột có kích thước hạt nanomet được chế tạo chủ yếu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao kết hợp với các công đoạn xử lý nhiệt thích hợp. Cấu trúc vật liệu, hình thái pha, hình dạng và kích thước hạt được khảo sát, phân tích và đánh giá trên cơ sở phân tích nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM. Các phép đo đánh giá tính chất từ của vật liệu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung (PPMS, VSM).
Cuối cùng, các phép đo phản xạ và truyền qua sóng vi ba trong vùng tần số từ 4- 18 GHz được thực hiện trong không gian tự do (môi trường không khí) và ở nhiệt độ phòng. Từ các số liệu thực nghiệm thu được, tính toán hệ số tổn hao phản xạ (RL) sử dụng lý thuyết đường truyền [162] và thuật toán NRW [115, 164]. Kết quả thực nghiệm sẽ được biện luận và phân tích nhằm giải thích các hiện tượng vật lý và tìm kiếm cơ chế hấp thụ. Trên cơ sở đó, đưa ra các giải pháp phát triển các tính năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu, điều chỉnh các tham số công nghệ và đánh giá khả năng ứng dụng.
Các kết quả mới đã đạt được của luận án: - Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu dạng tấm bằng phương pháp bột nhồi nano với chất mang paraffin. - Lần đầu tiên phát hiện ra khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba trong vùng tần số từ 4-18 GHz trên các tấm vật liệu La1,5Sr0,5NiO4/paraffin. Giá trị độ tổn hao phản xạ thấp nhất vào khoảng -36,7 dB, đạt hiệu suất hấp thụ 99,98%, được quan sát trên tấm hấp thụ có độ dày d = 3,0 mm. - Quan sát thấy sự gia tăng hiệu ứng cộng hưởng phù hợp pha trong các tấm hấp thụ bằng cách sử dụng đế kim loại Al trong kỹ thuật đo phản xạ.
- Đã quan sát thấy hai hiệu ứng dịch chuyển đỉnh hấp thụ trái ngược nhau trong các tấm vật liệu tổ hợp La1,5Sr0,5NiO4/NiFe2O4 và La1,5Sr0,5NiO4/La0,7Sr0,3MnO3, đưa ra khả năng mở rộng dải tần số hấp thụ sóng vi ba. Trong quá trình thực hiện và viết luận án, mặc dù tác giả đã rất cố gắng nhưng vẫn không thể tránh được những sai sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản biện của các nhà khoa học, các nhóm nghiên cứu lĩnh vực liên quan cũng như những người quan tâm đến đề tài. CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI BA 1.
Lịch sử hình thành và phát triển của vật liệu hấp thụ sóng vi ba Vật liệu hấp thụ sóng vi ba (MAM) và vật liệu hấp thụ sóng rada (RAM) đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu trong các lĩnh vực thương mại, kỹ thuật phòng tối và kỹ thuật làm giảm tín hiệu phản xạ từ vật thể quanh các trạm radar quan sát. Gần đây, những ứng dụng ngày càng phổ biến của các công nghệ sử dụng sóng vi ba đang thúc đẩy sự phát triển của các loại vật liệu hấp thụ. Trong phần này, chúng tôi đưa ra tổng quan ngắn gọn về lịch sử phát triển của MAM/RAM làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tìm hiểu các loại vật liệu và cấu trúc hấp thụ được giới thiệu trong các phần tiếp theo. Vào những năm 1930, vật liệu hấp thụ sóng vi ba, đặc biệt là vật liệu hấp thụ trong dải tần số sóng radar (8-12 GHz) đã bắt đầu được nghiên cứu, phát triển và công bố trong một số các công trình khoa học [98, 135].
Các tấm hấp thụ được thiết kế dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa vật liệu với các cơ chế tổn hao khác nhau nhằm tối ưu hóa sự hấp thụ trên một dải tần rộng. Do đó, chúng có thể có hình dạng và cấu trúc khác nhau trải rộng từ các cấu trúc kim tự tháp dày đến các lớp phủ mỏng dạng đơn lớp và đa lớp. Công trình nghiên cứu đầu tiên về các lớp hấp thụ gồm hai thành phần than carbon (carbon black - C), và TiO2, đã được đăng ký sáng chế ở Pháp năm 1936 [109]. Hiện tượng hấp thụ được quan sát trong loại vật liệu này là loại cộng hưởng một phần tư bước sóng, sử dụng than Carbon để tăng độ dẫn (thành phần tổn hao điện trở) và TiO2 để tăng hằng số điện môi (thành phần tổn hao điện môi) nhằm giảm độ dày lớp hấp thụ.
Trong Chiến tranh thế giới lần thứ 2, tại Đức, vật liệu “Wesh” dạng composite của bột hỗn hợp carbonyl Fe và cao su tổng hợp đã được chế tạo thành công, cho khả năng hấp thụ mạnh tại tần số cộng hưởng 3 GHz trên lớp hấp thụ có độ dày 7,6 mm. Cấu trúc hấp thụ đa lớp Jaumann cũng được thiết kế thành công, độ tổn hao phản xạ thu được khoảng - 20dB trong dải tần số rất rộng từ 2-15 GHz [133]. Tuy nhiên, các loại vật liệu này có thời gian sống khá ngắn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và do đó gây cản trở lớn trong việc triển khai ứng dụng trong thực tế. Cũng trong thời gian này, Halpern (phòng thí nghiệm bức xạ MIT, Mỹ) đã nghiên cứu và phát triển vật liệu ”HARP” dùng cho sơn Halpern (HARP- Halpern Anti Radiation Paint) dựa trên vật liệu than carbon và hệ hạt kim loại Fe có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong dải tần số sóng rada (X - band) với RL đạt khoảng -15 dB đến -20 dB [53, 54].
Ngoài ra, cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury cũng được phát triển [132]. Cấu trúc ban đầu được làm bằng vải phủ than chì, dán trên khung gỗ được hỗ trợ sản xuất bởi công ty cao su Hoa Kỳ (US Rubber), kéo theo sự ra đời của cấu trúc hấp thụ dạng kim tự tháp dài, là cấu trúc có đỉnh định hướng theo phương truyền sóng tới và bên trong được phủ bởi các lớp Salisbury [114]. Sau này, cấu trúc hấp thụ Salisbury được cải tiến 6 gồm một lớp hấp thụ điện môi hay một lớp polymer dẫn đặt trước bề mặt kim loại ở khoảng cách phần tư bước sóng. Cho đến khi tầm quan trọng của vật liệu ferrites được biết đến, ngoại trừ các lớp hấp thụ Jaumann và cấu trúc kim tự tháp đảo, hầu hết các vật liệu và cấu trúc hấp thụ đều thuộc loại vật liệu hấp thụ sóng điện từ dải hẹp.
Sau chiến tranh (1945-1950), các công trình nghiên cứu về MAM/RAM được thực hiện chủ yếu theo hướng tìm kiếm các vật liệu hoặc cấu trúc hấp thụ dải rộng nhằm mục đích ứng dụng trong kỹ thuật buồng tối. Trong giai đoạn này, các vật liệu hấp thụ (chủ yếu là carbon, than chì, oxit sắt, bột sắt, bột nhôm, đồng) trộn với các chất kết dính (thường là một số loại nhựa hoặc gốm, chất tạo độ xốp như xà phòng, chất xơ, vỏ bào) và việc suy giảm sóng điện từ băng thông rộng được tạo ra bằng cách sắp xếp các tấm vật liệu theo các cấu trúc hấp thụ dạng kim tự tháp hay dạng nón thiết kế sẵn [54]. Những năm 1950 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của MAM/RAM bằng việc sản xuất thương mại MAMs dựa trên vật liệu carbon, có tên gọi là “Spondex”, bởi công ty Sponge Products Company, Emerson and Cuming và tập đoàn công nghiệp McMillan. Hệ số tổn hao phản xạ đạt xuống đến -20 dB trong dải tần số 2,4-10 GHz cho lớp hấp thụ có độ dày 5,1 cm.
Cũng trong thập kỷ này, Severin và Meyer đã bắt đầu nghiên cứu về các thiết bị mạch tương tự (analog circuit devices) sử dụng các lý thuyết mạch mô tả các thành phần hay các quá trình xảy ra trong các chất hấp thụ [101], từ đó dẫn đến việc chế tạo ra các MAM dựa trên các vòng nạp trở kháng, lá kim loại có rãnh, các lưỡng cực nạp trở kháng, các dải vật liệu điện trở hay vật liệu từ tính với các định hướng khác nhau, cấu trúc dạng mặt và từ tính của các vật liệu cộng hưởng. Điều này mở ra sự bắt đầu cho một lĩnh vực mới trong nghiên cứu các bề mặt lọc lựa tần số (Frequency Selective Surfaces -FSS), trên cơ sở các vật liệu meta (Metamaterial) [107].