Chương 1: Tổng quan, trình bày khái niệm về vật liệu biến hóa và tinh thể quang tử, các đặc trưng cơ bản cũng như một số ứng dụng của loại vật liệu này. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, trình bày phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn, như phương pháp chế tạo vật liệu và đo mẫu. Chương 3: Kết quả và thảo luận, trình bày các kết quả nghiên cứu về chế tạo vật liệu, khảo sát hình thái học, tính chất quang của vật liệu biến hóa cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang tử. Bên cạnh đó nghiên cứu hiệu ứng plasmonic để làm cảm biến xác định phân tử hữu cơ.
Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là những mạch cộng hưởng điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động mà tại đó các tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện. Bằng cách thay đổi tính chất và mạng tinh thể (quy luật sắp xếp) của các “giả nguyên tử” này một cách đồng thời, các nhà khoa học có thể thu được những tính chất bất thường không tồn tại trong vật liệu tự nhiên. Một trong những tính chất thú vị được tìm kiếm đầu tiên của vật liệu biến hóa là khả năng tạo ra môi trường có chiết suất âm. Về mặt lý thuyết, sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm đã được đề xuất vào năm 1968 [16], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0) và độ điện thẩm âm (ε < 0).
Tuy nhiên, sau gần 30 năm, John Pendry và cộng sự đã đưa ra mô hình lưới dây kim loại có độ điện thẩm hiệu dụng âm năm 1996 [17]. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc lưới dây kim loại có thể đưa tần số plasma của kim loại về vùng tần số GHz (bước sóng micro) từ đó có thể tạo ra môi trường có độ điện thẩm âm. Năm 1999, John Pendry và cộng sự cũng chứng minh sự tồn tại của môi trường có độ từ thẩm âm với cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh [18]. Bằng cách kết hợp hai mô hình lưới dây kim loại và vòng cộng hưởng có rãnh, Smith và cộng sự đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa có chiết suất âm (đồng thời độ từ thẩm và điện thẩm âm) năm 2000 [19].
Kể từ đó, nhiều nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu biến hóa trong thực tế. Nhưng tính chất khác thường của vật liệu biến hóa không dừng lại ở đó. Nhờ khả năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu biến hóa có thể được thiết kế để thay đổi toàn diện tính chất truyền sóng điện từ của môi trường. Năm 2006, Pendry một lần nữa thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học khi đưa ra mô hình và chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng điện từ bằng vật liệu biến hóa tại vùng GHz [20].
Gần đây nhất, năm 2008, vật liệu 4 biến hóa hấp thụ sóng điện từ (metamaterial absorber - MA) đầu tiên đã được đề xuất bởi I. Cấu trúc MA gồm ba lớp: hai lớp kim loại và một lớp điện môi được mô tả trên Hình 1.1 có độ hấp thụ là A 99% tại tần số 11. MA đầu tiên được thiết kế bởi Landy năm 2008 [21]. Khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trong cuộc sống và quân sự khiến cho vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn.
Chỉ trong thời gian ngắn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các cấu trúc 5 vật liệu MA hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy (Hình 1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MA [8]. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra các vùng sóng điện từ như sau: vi sóng (1 GHz–30 GHz: 30 cm–1 cm), vùng sóng milimet (30 GHz–300 GHz: 10 mm–1 mm), vùng THz (300 GHz–10 THz: 1mm–30 m), vùng hồng ngoại giữa (10 THz–100 THz: 30 m–3 m), vùng hồng ngoại gần (100 THz– 400 THz: 3 m–0.75 m) và vùng khả kiến (400 THz–800 THz: 750 nm–375 nm). Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa Vật liệu biến hóa thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ, chưa được thấy trong những vật liệu trong tự nhiên.
Chính vì vậy, việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, cảm biến, thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa nằm ở khả năng điều 6 khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu thấu kính được đề xuất bởi Pendry [22] như Hình 1.
Điểm đặc biệt của thấu kính này là có thể vượt qua giới hạn quang học của các thấu kính cổ điển để cho ảnh hội tụ của hai nguồn sáng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bước sóng. Vì thế, độ phân giải sẽ được nâng lên gấp nhiều lần so với các thấu kính quang học truyền thống. Năm 2005, siêu thấu kính quang học dựa trên vật liệu biến hóa đã được Zhang và các cộng sự chứng minh bằng thực nghiệm thành công [23]. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [22].
Một ứng dụng khác là vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu biến hóa do nhóm Smith và Pendry phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm [20]. Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ vật liệu biến hóa, đường đi của sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ cong một cách hoàn hảo. Theo nguyên lý đó, lớp vỏ vật liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng quanh một vật thể, nhờ đó vật thể trở thành “tàng hình” (Hình 1. Với ứng dụng này, chúng ta có quyền nghĩ 7 về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được "bao phủ" bởi nó, thì không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ.
Điều này tạo nên đột phá lớn, đặc biệt là trong quân sự. Các thí nghiệm của nhóm Smith (Đại học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng nhìn thấy, các thí nghiệm với sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy đang được tập trung nghiên cứu. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20]. Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu biến hóa còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số [24], cộng hưởng [25], cảm biến sinh học [26], đặc biệt là tính hấp thụ của loại vật liệu này [7-9].
Với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, kéo theo khả năng chế tạo vật liệu siêu hấp thụ ánh sáng mặt trời, tạo triển vọng ứng dụng vật liệu biến hóa làm pin mặt trời hiệu suất cao [27]. Tuy nhiên, để biến khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa thành những ứng dụng trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu một cách thỏa đáng. Trước tiên là bằng cách nào để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn giản, dễ dàng và có tính đối xứng cao, đặc biệt là hoạt động ở vùng tần số THz hay vùng khả kiến. Tiếp theo là liên quan đến việc mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu, chế tạo vật liệu không phụ thuộc phân cực sóng điện từ, hay 8 việc điều khiển tính chất của vật liệu bằng các tác động ngoại vi (quang, nhiệt, điện, từ…) cũng đang được các nhà khoa học quan tâm một cách sâu sắc.
Ở Việt Nam gần đây, nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, Trường Đại Học Khoa học Thái Nguyên đã có những nghiên cứu bước đầu về tính chất điện từ của vật liệu biến hóa ở vùng sóng viba và cho thấy những khả năng ứng dụng hết sức thú vị [13,28-31]. Vật liệu biến hóa với tính chất siêu hấp thụ có ưu điểm nổi bật so với các vật liệu hấp thụ thông thường khác. Do vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp (như chế tạo vi nhiệt kế, các phòng chắn bức xạ công nghiệp, pin năng lượng…) mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…). Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ Hấp thụ sóng điện từ có thể được phân chia thành hai loại: hấp thụ cộng hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có băng thông rộng (broadband absorbers).
Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng điện từ bằng cách cộng hưởng tại tần số xác định 0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với tần số 0 là 0 = 2c / 0 với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng thông rộng dựa trên vật liệu có tính chất hấp thụ không phụ thuộc vào tần số và do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn. Vật liệu biến hóa (MA) có khả năng hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động. Do MA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên nguyên lí hoạt động của MA là hấp thụ cộng hưởng.
Tại tần số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều bị triệt tiêu. Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu MA vào ứng dụng thực tế, vẫn còn những vấn đề cơ bản cần được giải quyết. Một trong những hướng nghiên cứu được các nhà khoa học tập trung giải quyết đó là tìm kiếm những cấu trúc MA đơn giản. Cấu 9 trúc MA đầu tiên do I.
Landy đề xuất có độ hấp thụ tốt, nhưng đòi hỏi kỹ thuật chế tạo rất tinh vi, với độ chính xác dưới 1% [7]. Khi áp dụng cấu trúc Landy cho vùng tần số cao, kích thước mẫu nhỏ dần, việc chế tạo mẫu với độ chính xác cao càng trở nên khó khăn.