MỞ ĐẦU Vật liệu hấp thụ sóng điện từ là vật liệu được lựa chọn hoặc thiết kế đặc biệt có thể triệt tiêu hoặc giảm thiểu đồng thời sự phản xạ và truyền qua của bức xạ điện từ. Khi đề cập đến vật liệu hấp thụ điện từ, chúng ta có thể dễ dàng liên tưởng khái niệm này với công nghệ tàng hình trong lĩnh vực quân sự. Được đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1950, công nghệ tàng hình đã phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực quân sự và dân dụng. Vật liệu hấp thụ lý tưởng ứng dụng trong thực tế phải có các đặc tính như độ hấp thụ cao, dải tần hấp thụ rộng, mỏng và nhẹ.
Tuy nhiên, các vật liệu hấp thụ truyền thống như màn hình Salisbury (Salisbury screen), bộ hấp thụ Jauman, màn hình Dallenbach (Dallenbach screen) … thường khó đạt được các đặc tính này. Do cơ chế hoạt động, các vật liệu hấp thụ này thường có độ dày ít nhất bằng một phần tư bước sóng. Do đó, kích thước và khối lượng của chúng trở nên lớn hơn ở dải bước sóng dài (chẳng hạn như vùng vi sóng), dẫn đến khó đáp ứng được yêu cầu của các thiết bị hấp thụ nhẹ và kích thước nhỏ. Song song với nỗ lực tìm kiếm các vật liệu mới, tiên tiến, việc tạo ra các vật liệu nhân tạo trong đó có vật liệu biến hóa (Metamaterials - MMs) với các đặc tính điện từ mới lạ là một bước tiến quan trọng, mở ra nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới và nhận được sự quan tâm to lớn từ các nhà khoa học.
MMs có cấu tạo gồm các phần tử có kích thước nhỏ hơn bước sóng hoạt động – được gọi là cấu trúc cộng hưởng, được sắp xếp theo quy luật tuần hoàn [1]. Khác với các vật liệu tự nhiên, MMs có độ từ thẩm và độ điện thẩm có thể điều chỉnh được một cách chủ động bằng cách thay đổi hình dạng hoặc kích thước của các cấu trúc cộng hưởng. Điều này làm cho MMs có được các đặc tính điện từ đặc biệt, không tồn tại trong các vật liệu tự nhiên, bao gồm chiết suất âm, trong suốt cảm ứng điện từ [2,3], truyền qua bất thường [4], hiệu ứng Doppler ngược [5] … Từ các đặc tính điện từ đó, một số ứng dụng quan trọng của MMs đã được các nhà nghiên cứu đề xuất, điển hình là siêu thấu kính [6,7], áo choàng tàng hình [8], và đặc biệt là hấp thụ sóng điện từ [9]. Vật liệu biến hóa hấp thụ mạnh sóng điện từ (Metamaterial perfect absorber - MPA) được Landy và cộng sự đề xuất và chứng minh bằng thực nghiệm lần đầu tiên vào năm 2008 [9].
MPA có ưu điểm là kích thước ô cơ sở nhỏ hơn bước sóng hấp thụ, độ hấp thụ cao, dải tần hấp thụ có thể điều chỉnh được. Do đó, MPA được quan tâm nghiên cứu cho nhiều ứng dụng liên quan đến hấp thụ sóng điện từ, từ lĩnh vực dân dụng đến quân sự trong các vùng tần số khác nhau [10-12]. Ngày nay, sự phát triển các công nghệ hiện đại của AI (trí tuệ nhân tạo), học máy, 5G/6G và IoT (internet vạn vật) đòi hỏi phát triển MPA phù hợp cho công nghệ nhiều đầu vào và 2 nhiều đầu ra (multiple-input and multiple-output - MIMO) trong truyền thông không dây, hoạt động ở các vùng tần số thấp (30 MHz–10 GHz) [13]. Các MPA này được nghiên cứu nhằm tiến tới các ứng dụng đầy hứa hẹn trong thu năng lượng [14], hệ thống UHF-RFID [15,16], thiết bị Wi-Fi cho liên lạc 4G [17], thiết bị đeo được [18], thông tin vệ tinh, viễn thông vô tuyến đường dài và các kênh không dây tốc độ cao [19].
Nghiên cứu về vật liệu biến hóa nói chung và vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ nói riêng đã được triển khai tại Viện Khoa học vật liệu từ năm 2009 và đã thu được nhiều kết quả khoa học quan trọng. Các kết quả này đã được công bố trên các tạp chí quốc tế, các tạp chí chuyên ngành trong nước và các hội thảo khoa học uy tín [20-24]. Đồng thời trong khoảng thời gian triển khai nghiên cứu, nhiều đề tài, luận án về MMs đã được thực hiện. Đỗ Thành Việt đã thực hiện luận án Tiến sĩ, tối ưu hóa cấu trúc và nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ trong vùng vi sóng (2-20 GHz) [25].
Cũng trong năm 2015, luận án nghiên cứu về MMs lai hóa có chiết suất âm ở vùng GHz đã được TS. Nguyễn Thị Hiền hoàn thành và bảo vệ thành công [26]. Tiếp theo đó, năm 2017, TS. Phạm Thị Trang đã hoàn thành luận án nghiên cứu mở rộng dải tần hoạt động của vật liệu và vật liệu có tính đối xứng cao, hấp thụ đẳng hướng sóng điện từ [27].
Nguyên lý, cơ chế của MPA hoạt động với băng tần rộng trong vùng tần số GHz đã được thực hiện bởi TS. Đinh Hồng Tiệp [28]. Đặng Hồng Lưu đã thực hiện luận án về MPA hoạt động trong vùng tần số THz, tạo tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo về MPA hoạt động trong vùng tần số cao [29]. Gần đây nhất, năm 2022, TS.
Trần Văn Huỳnh đã hoàn thành luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng điện từ đẳng hướng của MMs trên cơ sở kết hợp với Graphene [30]. Bên cạnh việc triển khai nghiên cứu thành công tại Viện Khoa học vật liệu, hướng nghiên cứu về MMs còn được mở rộng triển khai tại nhiều nhóm nghiên cứu khác trong nước, ví dụ như nhóm nghiên cứu của PGS. Trần Mạnh Cường, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Trường Đại học Vinh; nhóm nghiên cứu của TS.
Lê Minh Thùy, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; nhóm nghiên cứu của PGS. Lê Đắc Tuyên, Đại học Mỏ địa chất; nhóm nghiên cứu của TS. Lê Văn Quỳnh, VinUni. Các hướng nghiên cứu chính được thực hiện bao gồm tối ưu hóa cấu trúc cộng hưởng theo hướng đơn giản, dễ chế tạo; cải tiến/mở rộng vùng tần số hoạt động của vật liệu nhằm thu được MPA đa đỉnh hoặc dải rộng; điều khiển chủ động đặc tính hấp thụ của vật liệu bằng các tác động ngoại vi … 3 Với bài toán cải tiến/mở rộng băng tần hoạt động của MPA, các nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp để mở rộng băng tần của MPA, bao gồm: thiết kế các MPA có cấu trúc đa lớp bao gồm nhiều cấu trúc cộng hưởng được xếp chồng lên nhau; sử dụng cấu trúc đơn lớp với siêu ô cơ sở bao gồm các cấu trúc cộng hưởng có kích thước/hình dạng khác nhau (sắp xếp đồng phẳng) [31,32]; tích hợp các linh kiện như điện trở, đi ốt, tụ điện [33,34]… Các MPA được thiết kế theo các phương pháp này có sự tương tác giữa các cấu trúc thường phức tạp, quá trình thực nghiệm gặp nhiều khó khăn.
Đồng thời chúng có kích thước ô cơ sở và khối lượng lớn, nên sẽ xuất hiện một số hạn chế ứng dụng trong trường hợp yêu cầu vật liệu MPA kích thước nhỏ và nhẹ. Để khắc phục hạn chế này, MPA băng tần kép hoặc đa băng tần dựa trên cộng hưởng bậc cao đã được đề xuất và nghiên cứu tích cực về lý thuyết và thực nghiệm. Vật liệu MPA hấp thụ băng tần kép dựa trên cộng hưởng từ bậc cao đã được quan sát thấy trong một số cấu trúc cộng hưởng khác nhau như dạng đĩa tròn bị cắt [35], vòng cộng hưởng hình tròn [36] và cặp dây bị cắt (CWP) [27,37]. Bên cạnh việc hỗ trợ để có được đặc tính đa băng tần, cộng hưởng bậc cao còn tạo ra MPA hoạt động ở thang tần số cao hơn, điều này có thể cho phép chế tạo MPA hoạt động trong vùng quang học, đây là giải pháp hiệu quả để thay thế cho các kĩ thuật chế tạo phức tạp và đắt tiền hiện nay.
Cộng hưởng bậc cao trong MPA đã được quan sát thấy và khảo sát. Tuy nhiên, vấn đề cơ chế của cộng hưởng bậc cao, khả năng hoạt động ổn định/điều khiển chủ động của cộng hưởng bậc cao vẫn cần được nghiên cứu và làm rõ. Bên cạnh yêu cầu mở rộng băng tần hoạt động, nghiên cứu chế tạo và đặc trưng điện từ của MPA có tính năng đàn hồi đang được quan tâm và nghiên cứu mạnh mẽ trong thời gian gần đây [38-41]. Phần lớn MPA được chế tạo từ các vật liệu có dạng phẳng và rắn nên khó thay đổi hình dạng sau khi đã gia công.
Điều này làm cho chúng khó có thể bao phủ hoặc tích hợp lên vật thể thực tế (thường có các bề mặt cong phức tạp). Đặc biệt, do không đàn hồi, hầu hết các MPA truyền thống cũng hạn chế về các bậc tự do trong việc điều khiển/đảm bảo hiệu suất hấp thụ cao dưới sự phân cực của sóng điện từ. Do đó, việc nghiên cứu trang bị cho MPA có tính năng linh hoạt/đàn hồi nhằm tăng cường khả năng ứng dụng của vật liệu này trong thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự là một trong những yêu cầu cấp thiết hiện nay. Tuy nhiên, đặc trưng điện từ của các MPA có tính năng đàn hồi vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu làm rõ, đặc biệt là tương tác giữa các ô cơ sở và cộng hưởng bậc cao ở trạng thái bị bẻ cong.
Do đó, luận án sẽ giải quyết bài toán thiết kế các MPA đa đỉnh, có tính năng đàn hồi, với độ hấp thụ cao được duy trì tốt 4 ở cả hai trạng thái phẳng và uốn cong, sử dụng cộng hưởng bậc cao của cấu trúc cộng hưởng. Mặc dù MPA có cộng hưởng bậc cao và MPA có tính năng đàn hồi đã được quan tâm nghiên cứu bởi các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước, nhưng vẫn còn một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và làm rõ, bao gồm: i) Cơ chế của cộng hưởng bậc cao. ii) Khả năng hoạt động ổn định/ điều khiển của cộng hưởng bậc cao. iii) Đặc trưng của cộng hưởng bậc cao trong MPA đàn hồi, ở các trạng thái đàn hồi khác nhau.
Với các ưu điểm của cộng hưởng bậc cao được bàn luận ở trên, luận án tập trung làm rõ cơ chế của cộng hưởng bậc cao trong MPA, hướng tới thiết kế, chế tạo MPA có cộng hưởng bậc cao hoạt động ổn định hoặc có khả năng điều khiển chủ động và khảo sát hiệu ứng cộng hưởng bậc cao trong MPA đàn hồi. Đây là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong quá trình hiện thực hóa các tiềm năng ứng dụng của MPA. Mục tiêu của luận án: - Làm rõ cơ chế hoạt động của các MPA có hiệu ứng cộng hưởng bậc cao và có tính năng đàn hồi.