BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Đặng Hồng Lưu

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU BIẾN HÓA

(METAMATERIALS) HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ Ở

VÙNG TẦN SỐ THZ

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 62.44.01.23

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2018

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công

nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Vũ Đình Lãm

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Đắc Tuyên

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ

cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’,

ngày … tháng … năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo với

một số tính chất đặc trưng chưa được tìm thấy trong vật liệu tự

nhiên. Cấu trúc của vật liệu biến hóa được thiết kế hợp lý bởi

các giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa hay meta-atoms), chúng

tương tác với cả hai thành phần điện trường và từ trường của

sóng điện từ theo cách hoàn toàn khác so với các loại vật liệu

truyền thống, do vậy có thể tạo ra những tính chất mới lạ không

tìm thấy trong tự nhiên. Hiện nay, nhiều tính chất của vật liệu

biến hóa đã được chứng minh bằng cả lý thuyết và thực nghiệm

một cách độc lập bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Mặc

dù vậy, những phát hiện về các tính chất mới của vật liệu biến

hóa vẫn xuất hiện mỗi ngày và có tác động lớn đến cả ngành vật

lý nói riêng và các ngành khoa học trên thế giới nói chung.

Các nghiên cứu đột phá cho đến nay thường tập trung

vào vật liệu có chiết suất âm, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, hay

kết hợp hai loại vật liệu này cho những ứng dụng cụ thể. Vật liệu

biến hóa hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ sóng điện từ

với kích thước rất nhỏ so với bước sóng nên có có nhiều ứng

dụng trong thực tế. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu biến

hóa đang được tập trung phát triển trong vùng tần số viba (GHz)

do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc.

Đối với vùng tần số Terahertz (THz), sự tương tác của

sóng điện từ với các cấu trúc vật liệu biến hóa có kích thước

micro mét và nano mét phức tạp hơn do các hiệu ứng lượng tử

mạnh hơn, bên cạnh đó công nghệ chế tạo và kiểm chứng các

đặc tính hoạt động cũng phức tạp hơn. Hiện nay, công nghệ

2

THz đang được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

quân sự, công nghệ thông tin và truyền thông, sinh học và y

khoa, đánh giá không phá hủy, kiểm tra an ninh, kiểm soát chất

lượng thực phẩm và nông sản, giám sát môi trường. Vì vậy, vật

liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz bắt đầu thu hút được

rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, với

một số kết quả đáng chú ý trong chế tạo laser xung tần số THz,

máy quét an ninh thế hệ mới, công nghệ bảo mật và an ninh

quốc phòng. Ngoài ra, đây còn là một nền tảng quan trọng để

triển khai các nghiên cứu trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Với

những lý do trên ,việc nghiên cứu vật liệu biến hóa hoạt động ở

tần số THz là rất quan trọng và cần thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Xây dựng cơ sở vật lý để nghiên cứu vật liệu biến hóa

hấp thụ sóng điện từ hoạt động ở vùng sóng tần số THz.

- Thiết kế, đưa ra mô hình, mô phỏng đặc tính vật liệu

biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz. Tối ưu hóa

tham số cấu trúc nhằm tăng khả năng hấp thụ và mở rộng dải tần

làm việc, điều chỉnh tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.

- Chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số

THz. Nghiên cứu đặc tính điện từ của chúng và khả năng ứng

dụng trong thực tế.

3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ ở

tần số THz.

- Nghiên cứu tìm kiếm cấu trúc đơn giản,dễ chế

tạo,hoạt động ở tần số Thz với dải tần làm việc rộng và có khả

năng điều khiển tần số hoạt động bằng tác động ngoại vi.

3

- Nghiên cứu tìm kiếm ứng dụng của vật liệu biến hóa

trong thực tế.

Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đề xuất

cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động vùng

tần số THz: (1) Đã tối ưu được cấu trúc vật liệu biến hóa để

tăng độ hấp thụ và mở rộng dải tần làm việc; (2) Đã đề xuất mô

hình điều khiển tính chất hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng

kích thích quang và nhiệt độ ở vùng tần số THz; (3) Đã chứng

tỏ vật liệu biến hóa có thể tăng cường tín hiệu dao động của các

phân tử và thử nghiệm làm cảm biến dò phân tử protein bò cho

kết quả tốt.

Luận án được chia thành 5 chương như sau:

Chương 1. Tổng quan

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu

Chương 3. Tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ

sóng điện từ

Chương 4. Điều khiển tần số hoạt động của vật liệu

biến hóa hấp thụ sóng điện từ và ứng dụng vật liệu biến hóa làm

cảm biến

Chương 5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trên

cơ sở hiệu ứng tương tác trường gần và hiệu ứng Babinet

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa

Vật liệu biến hóa là vật liệu có cấu trúc nhân tạo, được

xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử” sắp xếp theo một trật

tự nhất định tương tự như ô cơ sở (unit-cell) trong mạng tinh

thể của vật liệu thông thường. Trong đó, kích thước của giả

4

nguyên tử trong vật liệu biến hóa nhỏ hơn nhiều lần bước sóng

hoạt động. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu

biến hóa đã phát triển rất nhanh, liên quan đến các nghiên cứu

trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm vật lý cơ bản, quang

học, khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật điện (được thiết kế

trong việc chặn, hấp thụ, tăng cường hoặc bẻ cong đường đi của

sóng điện từ).

1.2. Phân loại vật liệu biến hóa

Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ

1.3. Lý thuyết môi trường hiệu dụng

Dựa vào lý thuyết môi trường hiệu dụng (Effective

medium theory – EMT), ta có thể coi vật liệu biến hóa như một

khối đồng nhất với các thông số điện thẩm và từ thẩm hiệu dụng

đặc trưng cho toàn khối. Giả thiết này dựa trên thực tế rằng kích

thước của các thành phần cấu thành vật liệu nhỏ hơn rất nhiều

so với bước sóng hoạt động, từ đó tương tác của sóng tới với

môi trường truyền được tính bằng trung bình của các thành

phần tạo thành trong không gian.

1.4. Vật liệu biến hóa chiết suất âm

Vật liệu chiết suất âm là sự kết hợp hoàn hảo của hai

thành phần điện và từ trong vật liệu biến hóa. Tạo nên vật liệu

5

đồng thời có độ từ thẩm âm và độ điện thẩm âm (μ < 0, ε < 0). Để

tạo ra chiết suất âm, các cấu trúc trên đều được cấu tạo từ hai

thành phần: (1) thành phần từ để tạo ra độ từ thẩm âm (µ < 0); (2)

thành phần điện để tạo ra độ điện thẩm âm (ε < 0) trong vùng tần

số bên dưới tần số plasma.

1.5. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ

Khi cấu trúc được tối ưu để đạt được đồng thời sự phối

hợp trở kháng tại tần số cộng hưởng (điện hoặc từ), vật liệu

biến hóa thể hiện một đặc tính rất thú vị đó là khả năng hấp thụ

hoàn toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt

động. Loại vật liệu này được đặt tên là vật liệu biến hóa hấp thụ

tuyệt đối (MPA). Tại tần số cộng hưởng, năng lượng được lưu

trữ và tiêu tán dần dưới dạng nhiệt năng hay mất mát điện môi

bên trong cấu trúc nên các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ

đều bị triệt tiêu.

Để tìm hiểu các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng

tần số THz, chúng ta có thể xem xét cấu trúc vật liệu biến hóa

có hình dạng vòng dây bị cắt (SRR). Cụ thể, cấu trúc SRR có

thể được xem xét như các cấu trúc cộng hưởng hoạt động theo

mô hình dao động mạch điện LC và lưỡng cực điện .

Từ đó nhận xét rằng, tổn hao điện môi và tổn hao trên

kim loại (dưới dạng nhiệt lượng Joule) là hai cơ chế tiêu tán

năng lượng chính đối với các vật liệu biến hóa (kim loại – điện

môi – kim loại) hoạt động trong vùng tần số THz.

1.6. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trong vật liệu biến

hóa (EIT)

Hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ (electromagnetically

6

induced transparency - EIT) có nguồn gốc là một hiệu ứng

lượng tử khiến cho một môi trường hấp thụ sóng điện từ trở

thành trong suốt trong một vùng tần số hẹp (với độ hấp thụ

không đáng kể). Về mặt bản chất, vật liệu biến hóa được cấu tạo

từ các cấu trúc cộng hưởng điện từ. Do vậy, vật liệu biến hóa

hoàn toàn có thể tạo ra được hiệu ứng EIT mà không cần đến

bất kỳ điều kiện lượng tử phức tạp nào. Cho đến thời điểm hiện

tại, hai phương pháp cơ bản thường được áp dụng để tạo ra vật

liệu biến hóa có hiệu ứng EIT. Phương pháp thứ nhất thường

được gọi là tương tác “sáng – sáng” mà ở đó cả hai cộng hưởng

đều có thể được kích thích bởi trường điện từ ngoài. Cách tiếp

cận thứ hai là dựa trên tương tác “sáng - tối”, ở đó chỉ có một

cộng hưởng có thể được kích thích bởi sóng tới và cộng hưởng

còn lại thì được kích thích thông qua tương tác trường gần sinh

ra bởi cộng hưởng ban đầu. Do bản chất của sự kích thích cộng

hưởng khác nhau, cộng hưởng ban đầu thường được gọi là

mode sáng còn cộng hưởng sau thì được gọi là mode tối.

1.7. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa

1.7.1. Siêu thấu kính

Nhờ vào vật liệu biến hóa chiết suất âm, siêu thấu kính

có thể phục hồi không chỉ thành phần truyền qua mà cả thành

phần dập tắt của sóng tới. Đây là khác biệt cơ bản giữa siêu

thấu kính và thấu kính thông thường. Do đó, độ phân giải của

siêu thấu kính được tăng lên gấp nhiều lần.

1.7.2. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm tàng hình

Bằng cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ bao

quanh vật thể bằng siêu vật liệu biến hóa meta từ dương sang

âm, đường đi của sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ

7

cong hoàn hảo theo ý muốn. Theo nguyên lý đó lớp vỏ siêu vật

liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vòng qua một vật thể

nhờ đó vật thể trở thành tàng hình đối với một bước sóng nhất

định. Điều này tạo nên đột phá lớn trong cả lĩnh vực dân sự và

quân sự.

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ cũng

chính là vật liệu tàng hình.

Hình 1.1. (a) Vật liệu biến hóa có chiết suất thay đổi bao quanh

vật cần tàng hình; (b) Nguyên lý hoạt động của của áo choàng

tàng hình

1.7.3. Vật liệu biến hóa ứng dụng làm cảm biến

Phương pháp phổ biến sử dụng vật liệu biến hóa làm

cảm biến trên cơ sở cộng hưởng plasmon bề mặt điện môi vùng

THz, trong đó phân tử có thể được dò ra nhờ sự dịch phổ do sự

hấp thụ của phân tử trên các thiết bị.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu

Cấu trúc đĩa tròn và cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh

(SRR) đang được coi là giải pháp hiệu quả và phù hợp đối với

các mục tiêu nghiên cứu siêu vật liệu khác nhau như: vật liệu

chiết suất âm, vật liệu hấp thụ tuyệt đối và hiệu ứng trong suốt

cảm ứng điện từ (EIT) hoạt động trên các vùng tần số cao. Đây

cũng là cấu trúc cơ sở mà chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu,

8

khảo sát và tối ưu trong phạm vi của luận án.

2.2. Phương pháp mô phỏng

Trong luận án này, chúng tôi sử dụng phần mềm mô

phỏng thương mại CST Microwave Studio (Computer Simulation

Technology) có bản quyền, để mô phỏng tính chất điện từ của

vật liệu biến hóa vì tính hiệu quả và độ chính xác cao, phù hợp

với nhiều kết quả thực nghiệm đã được công bố.

2.3. Phương pháp tính toán mạch LC tương đương

Một trong những công cụ hiệu quả để tìm ra quy luật

hoạt động của vật liệu biến hóa dựa trên các thông số hình học

của cấu trúc đó là lý thuyết mạch điện dao động cộng hưởng

LC. Dưới kích thích của trường điện từ bên ngoài, cuộn cảm

hiệu dụng (L) được quyết định bởi hình dạng lớp kim loại, trong

khi tụ điện hiệu dụng (C) được tạo thành do sự sắp xếp các

thành phần cấu tạo của vật liệu biến hóa (điện môi – kim loại).

Từ đó, tần số cộng hưởng có thể được dự đoán một cách tương

đối thông qua các thông số hình học của từng cấu trúc.

2.4. Xử lý và phân tích số liệu

Trong luận án này, chúng tôi sử dụng các phương pháp

tính toán của nhóm X.D. Chen đã đề xuất, để xác định các thông

số hiệu dụng (chiết suất hoặc trở kháng hiệu dụng) áp dụng cho

vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số GHz và THz

2.5. Phương pháp thực nghiệm

Trong phạm vi luận án này, chúng tôi bước đầu hiện

thực hóa vật liệu biến hóa hoạt động trong vùng tần số THz

định hướng ứng dụng cho cảm biến y sinh. Cấu trúc được lựa

chọn bao gồm ba lớp Ag-Si-Ag, được chế tạo trên một đế

saphia kích thước 11 cm2 bằng cách sử dụng phương pháp

9

quang khắc tiêu chuẩn hai bước. Độ dày của các lớp đĩa từ dưới

lên trên là 0,5 μm, 3,0 μm và 0,2 μm. Mẫu chế tạo này đã được

tối ưu dựa trên mô phỏng bằng phần mềm CST.

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BIẾN HÓA

HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ

3.1. Tối ưu hóa cường độ hấp thụ sử dụng cấu trúc có hốc

cộng hưởng (MAC)

Bằng phương pháp tạo ra hốc cộng hưởng trên cấu trúc

MAC (bằng việc tạo một lỗ hổng ngay trung tâm của ô cơ sở

gồm các đĩa kim loại tròn), luận án đã tối ưu hóa được cường độ

hấp thụ có thể đạt tới 100%, giá trị này cao hơn so với những

MA được nghiên cứu trước đây.

3.2. Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa hấp

thụ sóng điện từ

3.3.1. Sử dụng hiệu ứng tương tác

Để đạt được sự hấp thụ tuyệt đối băng thông rộng, chúng

tôi đã đưa ra mô hình MPA mới, cấu tạo từ siêu ô cơ sở 3x3.

Bằng cách loại bỏ bốn đĩa tròn ở các vị trí 1, 3, 7, 9 trong siêu ô

cơ sở, dải tần thu được lên tới 1,0 THz với độ hấp thụ trên 90%.

Độ hấp thụ cao nhất xấp xỉ 98% tại 14,6 THz. Mô hình vật liệu

MPA này có thể cung cấp một giải pháp tiềm năng cho những

ứng dụng trong tương lai gần.

3.3.2. Sử dụng hàng rào khuyết mạng

Vật liệu biến hóa hấp thụ cấu trúc đĩa tròn tiếp tục được

tối ưu bằng cách kết hợp với cấu trúc hình vuông như mô hình cấu

trúc ô cơ sở trên hình 3.17(a). Ô cơ sở gồm lớp điện môi RF-4 với

độ điện thẩm ε = 4,3 và độ dày td = 1,5 mm xen giữa hai lớp đồng

chiều dày ts = 0,03 mm, có độ dẫn σ = 5,82 × 107 S/m. Lớp trên

10

cùng là một hình vuông bao quanh một đĩa tròn trung tâm có

đường kính D = 3,5 mm, lớp dưới cùng phủ toàn bộ diện tích.

Cạnh ngoài hình vuông là 9 mm, cạnh trong hình vuông là 6,5 mm.

(a)

(b)

Hình 3.17. (a) Cấu trúc ô cơ sở; (b) Cấu trúc với các hàng rào

khác nhau

Chúng tôi khảo sát độ hấp thụ của cấu trúc với 100 ô cơ

sở và 2 hàng rào khuyết mạng với các góc phân cực khác nhau.

Kết quả cấu trúc với 2 hàng rào khuyết mạng cho dải hấp thụ

siêu rộng với độ hấp thụ đạt trên 95% trong vùng từ 20 THz đến

25,3 THz (hình 3.21).

Hình 3. 21. Kết quả mô phỏng biểu thị phổ hấp thụ của cấu trúc

MA với hai hàng rào khuyết mạng trong trường hợp thay đổi góc

phân cực sóng điện từ

3.3. Kết luận

Trên cơ sở đĩa tròn kim loại, các nghiên cứu cấu trúc

hốc cộng hưởng, tương tác của 5 đĩa tròn và hàng rào khuyết

mạng trong vùng tần số THz. Cơ chế hấp thụ và mở rộng dải

11

hấp thụ được phân tích bởi các phân bố dòng điện, điện trường

và từ trường. Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả phân tích

theo mô hình mạch điện tương đương và tính toán lý thuyết. Từ

đó đề xuất phương pháp tối ưu các tham số cấu trúc của vật liệu

biến hóa. Tối ưu hóa cấu trúc MA kết hợp với hàng rào khuyết

mạng cho dải hấp thụ tiếp tục được mở rộng lên tới 5 THz với

độ hấp thụ lớn hơn 90%.

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ

ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA TRONG CẢM BIẾN

4.1. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng

phương pháp kích thích quang

Trong nghiên cứu này, vật liệu VO2 được sử dụng như

là một chất trung gian để điều khiển vật liệu MPA bằng yếu tố

quang học. Khi cường độ kích thích quang thay đổi, VO2

chuyển pha dần từ kim loại sang điện môi và ngược lại. Do độ

dẫn VO2 thay đổi dẫn tới đáp ứng điện từ của cấu trúc vật liệu

biến hóa cũng bị ảnh hưởng.

4.1.1. Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh

Để nghiên cứu hiệu quả về khả năng điều khiển MPA

bằng phương pháp bơm quang học. Mô hình MPA có cấu trúc

vòng cộng hưởng có rãnh (SRR) được lựa chọn để tối ưu hoạt

động tại vùng tần số tương ứng (xung quanh tần số 0,5 THz).

4.1.2. Cấu trúc đĩa tròn bị khoét

Trên hình 4.4(a) mô tả cấu trúc MPA với ba lớp chính bao

gồm: (1) lớp trên cùng chứa các đĩa vàng bán kính R1 = 4,0 µm và

độ dày tm = 0,072 µm; (2) lớp điện môi polyimide ở giữa với độ

12

dày td = 0,6 µm và hằng số điện môi (độ điện thẩm) ε = 3,5; (3)

dưới cùng là lớp màng mỏng bằng vàng cùng độ dày tm. Để

khảo sát khả năng hấp thụ và điều khiển tần số của cấu trúc này,

phần đĩa tròn có bán kính R1 được khoét khuyết theo phần giao

nhau của các đĩa tròn có bán kính lần lượt là R1 và R2 (hình

4.4(a)) và phần khoét khuyết được thay thế bằng vật liệu nhạy

quang VO2.

Hình 4.4. (a) Cấu trúc đĩa tròn bị khoét; (b) Sơ đồ mạch điện

tương đương

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa tròn bị

khoét vào bán kính phần đĩa bị khuyết

Hình 4.5(a) mô tả sự dịch chuyển tần số của phổ hấp

thụ về phía tần số cao khi R2 tăng lên. Điều này được giải thích

dựa trên mô hình mạch LC tương đương của cấu trúc mô tả trên

hình 4.4(b). Khi bán kính phần bị bị khoét R2 tăng lên, dẫn tới

13

diện tích hiệu dụng của đĩa vàng có bán kính R1 bị giảm đi do

đó thành phần điện cảm Lm và Cm của cấu trúc cũng giảm. Hệ

quả là tần số đáp ứng cộng hưởng từ của cấu trúc sẽ tăng lên.

Hình 4.5 cho thấy kết quả mô phỏng cho thấy tại R2 = 0 đỉnh

cộng hưởng phổ hấp thụ tại 10,8 THz, tại R2 = 0,3 μm, 1,2 μm,

2,4 μm, 3,6 μm, 4,8 μm đỉnh cộng hưởng phổ hấp thụ lần lượt

là 10,9 THz, 11,0 THz, 12,2 THz, 13,8 THz và 15,8 THz.

4.1.3. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ

Trong phần này, dựa trên sự thay đổi giá trị độ dẫn điện

của phần đĩa khuyết VO2 (bán kính R2) trong dải tần số từ 10

THz đến 25 THz, vật liệu MA có thể dễ dàng điều khiển được

cường độ và tần số hấp thụ trong vùng tần số THz.

4.2. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ bằng

phương pháp kích thích nhiệt

4.2.1. Tính chất nhiệt của vật liệu InSb

Để nghiên cứu khả năng điều khiển hiệu quả hoạt động

của vật liệu MPA bằng yếu tố nhiệt độ trong vùng THz, vật liệu

bán dẫn InSb được lựa chọn nghiên cứu trong phần này. Khi

nhiệt độ tăng lên làm cho nồng độ hạt tải cũng tăng lên, dẫn tới

tính chất kim loại của InSb được biểu hiện rõ ràng hơn và ảnh

hưởng đáng kể tới sự tương tác của vật liệu biến hóa với trường

điện từ bên ngoài.

4.2.2. Điều khiển tần số và cường dộ hấp thụ của cấu trúc

vòng cộng hưởng

Hình 4.11(a) mô tả cấu trúc MA với ba lớp: (1) lớp trên

cùng chứa các vòng nhẫn có rãnh được sắp xếp một cách tuần

hoàn: a = 50 μm, l = 40 μm 0, g = 5 μm và w = 6 μm; (2) lớp ở

giữa là điện môi với chiều dày ts = 8 μm, và (3) lớp đế được phủ

14

một lớp kim loại bằng vàng. Để tiện trong tính toán, độ dày của

các vật liệu kim loại trong cấu trúc được đặt tm = 1 μm. Để điều

khiển MA bằng nhiệt độ, giữa hai khe của SRR được thêm vật

liệu InSb. Hình 4.11(b) mô tả mạch điện tương đương LC của

cấu trúc này.

(a)

(b)

Hình 4.11. (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb;

(b) sơ đồ mạch điện tương đương

Hình 4.12. Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào

nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng từ 260 K đến 380 K, tần số hấp thụ đã bị

dịch chuyển từ 0,5 THz đến 0,65 THz. Điều này được giải thích

khi nhiệt độ tăng, nồng độ hạt tải (N) của vật liệu InSb tăng, kéo

theo giá trị điện cảm L1 và L3 tăng. Do đó, giá trị điện cảm tổng

cộng L của vật liệu MPA sẽ giảm đi. Vì vậy, tần số cộng hưởng từ

của MPA này sẽ tăng lên đúng như kết quả trên đồ thị hình 4.12.

15

4.3. Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ làm cảm biến

4.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày cách ứng dụng

cấu trúc vật liệu biến hóa bản mỏng kích thước micromet, hoạt

động như một bộ khuếch đại nhằm tăng cường tín hiệu dao

động hấp thụ ở vùng THz của một lớp hấp phụ siêu mỏng các

phân tử hữu cơ cỡ lớn.

4.3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân

tử bò(BSA)

Hình 4.13. (a) Minh họa mẫu MM; (b) mặt cắt của mẫu;

(c) ảnh SEM của mẫu

Cấu trúc MM ba lớp bạc-Silic-bạc (Ag-Si-Ag) được cho

trên hình 5.10(a) và (b). Hình 5.10(c) là hình ảnh SEM nghiêng

30 độ của thiết bị MM. Các dãy gồm hai đĩa bạc, được dùng như

cấu trúc cộng hưởng ở trên và ở dưới, với lớp điện môi Si kẹp ở

giữa, được đặt trên đế saphia. Các bề dày khác nhau (0,2 μm và

0,5 μm) và độ rộng khác nhau (6 μm và 10 μm) được chọn cho

các đĩa bạc cộng hưởng trên và dưới. Bề dày của điện môi Si và

độ tuần hoàn của cấu trúc tương ứng là 3 μm và 20 μm.

4.3.3. Tính chất quang của vật liệu biến hóa

Hình 4.14(a,b) trình bày kết quả đo và mô phỏng phổ

truyền qua của mẫu chế tạo. Phổ truyền qua của vật liệu biến

16

hóa cho thấy hai cộng hưởng ở tần số 4,2 THz (hay là 140 cm-1,

được gọi là đỉnh M1, ở tần số thấp) và 5,8 THz (hay là 194 cm-1,

được gọi là đỉnh M2, ở tần số cao). Trong hai đỉnh cộng hưởng

của đĩa ba lớp kim loại - điện môi - kim loại, đỉnh tần số thấp

thường do cộng hưởng lưỡng cực từ, tần số cao là do cộng

hưởng lưỡng cực điện. Hình 4.14(c) cho kết quả mô phỏng khác

của phân bố trường điện từ, được thực hiện nhằm cho cái nhìn

sâu hơn vào quan hệ giữa hai mode.

Hình 4.14. Kết quả (a) đo đạc; (b) mô phỏng phổ truyền qua

của vật liệu biến hóa; (c) Mô phỏng phân bố điện từ trong vật

liệu biến hóa ở mode kích thích M1 và M2

4.3.4. Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa

Hình 4.15 là kết quả cảm biến protein BSA dùng vật

liệu biến hóa. Từ 50 cm-1đến 2000 cm-1, BSA là phân tử duy

nhất có tín hiệu dao động, định vị ở 4,8 THz, như trên hình

5.12(a). Phổ BSA được vẽ cùng với phổ vật liệu biến hóa nhằm

nhấn mạnh sự phù hợp phổ của cộng hưởng vật liệu biến hóa và

tín hiệu phân tử đích. Mặc dù mục đích ban đầu, đó là làm trùng

17

khớp vị trí của mode M1 với tín hiệu dao động BSA, đã không

đạt được, sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm (trong

hình 4.14) đủ nhỏ để bỏ qua. Tín hiệu BSA nằm giữa hai mode

của vật liệu biến hóa và ở mức năng lượng cao hơn mode M1

của vật liệu biến hóa.

Hình 4.15. (a) Phổ truyền qua của lớp BSA (vòng đen) đo

trước thí nghiệm cảm biến, độ lớn tín hiệu truyền qua cỡ 25%. Phổ

này được trình bày cùng với phổ truyền qua của mẫu vật liệu biến

hóa (vòng tròn đỏ) để trùng khớp giữa tín hiệu của protein và cộng

hưởng của vật liệu biến hóa. Đường màu đỏ thể hiện đường nội

suy Fano cho tín hiệu của BSA với độ dày nhỏ hơn micromet. (b)

Phổ truyền qua tương đối của lớp BSA siêu mỏng hấp phụ trên

mẫu vật liệu biến hóa và trên đế saphia. (c) Phổ cho phân tử

DTTCI và RH6G đo cùng điều kiện.

18

4.4. Kết luận

Trong chương này, tác giả nghiên cứu chứng minh khả

năng điều khiển MPA bằng phương pháp kích thích quang học

vào vật liệu VO2 và phương pháp kích thích nhiệt vào vật liệu

InSb. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng điều khiển tần số

và cường độ hấp thụ hiệu quả.Chúng tôi đã biểu diễn rằng vật

liệu biến hóa ở vùng THz với thiết kế phù hợp có khả năng cảm

biến với phân tử tương tự như quang phổ tăng cường bề mặt ở

tần số quang học. Quang phổ tăng cường bởi vật liệu vật liệu

biến hóa hiện tại có thể đặc biệt hữu dụng, do nó cung cấp một

phương thức đơn giản cho cảm biến không phá hủy các phân tử

sinh học lớn, tạo ra hướng đi mới cho áp dụng cảm biến vùng

THz vào các ứng dụng trong công nghiệp.

CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG

ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG TƯƠNG TÁC

TRƯỜNG GẦN VÀ HIỆU ỨNG BABINET

5.1. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong

hiệu ứng EIT

Hình 5.1 mô tả ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên

hiệu ứng tương tác trường gần. Cả hai mặt kim loại có độ dày

ts = 0,5 μm, độ dày của lớp điện môi là tm = 1,4 μm. Cấu trúc ở

mặt trước là sự sắp xếp giữa một thanh kim loại được xếp dọc

và hai thanh kim loại (dài hơn) được xếp ngang ở mỗi đầu. Kích

thước của thanh kim loại xếp dọc: l1 = 5,5 μm và w1 = 2,5 μm.

Đối với thanh kim loại xếp ngang, độ dài và rộng tương ứng là

13,5 μm và 1,5 μm. Kích thước ô cơ sở là 15 μm. Lớp điện môi

có hằng số điện môi là 11,9, độ dẫn của Bạc là 6,3 107 S/m.

19

Hình 5.1. Ô cơ sở của cấu trúc hấp thụ dựa trên hiệu ứng tương

tác trường gần

Tại tần số từ 6,0 THz tới 8,5 THz, cấu trúc gồm 2 thanh

kim loại nằm ngang không tạo ra đỉnh hấp thụ, trong khi đó cấu trúc

gồm 1 thanh kim loại nằm dọc tạo ra một đỉnh hấp thụ 80% tại tần

số 7,49 THz. Tuy nhiên, khi ghép đôi 2 cấu trúc lại, như trên hình

5.1, thay vì một đỉnh hấp thụ, có đến hai đỉnh hấp thụ với cường độ

92% và 100% được ghi nhận tại tần số 7,02 THz và 7,49 THz.

Hình 5.2. Kết quả mô phỏng phổ hấp thụ của các cấu trúc

ở hình 5.1

5.2. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên khuyết mạng

Trong phần này, chúng tôi tập trung nghiên cứu sự ảnh

hưởng của khuyết tật mạng lên tính chất đỉnh hấp thụ của cấu

trúc vật liệu biến hóa. Bằng cách sử dụng mô hình loại bỏ

những cấu trúc ở giữa theo hai chiều ngang và dọc của siêu ô cơ

sở (3x3 ô cơ sở), chúng ta có cấu trúc hấp thụ dựa trên khuyết

20

tật mạng. Độ hấp thụ trong cấu trúc chứa khuyết tật mạng cũng

được tăng lên với độ hấp thụ đạt 98%, 100% và 97% tại 3 tần số

cộng hưởng tương ứng 6,88 THz, 7,53 THz và 7,84 THz.

5.3. Áp dụng nguyên lý Babinet cho ứng dụng hấp thụ dựa

trên hiện tượng EIT

Cấu trúc MPA sử dụng được trong hình 5.8 có cấu tạo:

lớp bạc chiều dày tm = 0,1 µm, kích thước ô cơ sở là 340×340

µm2 với 3 lỗ trống hình chữ nhật (hai lỗ trống dọc và một lỗ

trống ngang với chiều dài l = 220 µm, chiều rộng w = 20 µm,

khoảng cách giữa giữa thanh dọc với thanh ngang là d = 25 µm).

Lớp điện môi ở giữa là thủy tinh chịu nhiệt chiều dày td = 50 µm với

chiết suất n = 2,195. Lớp dưới cùng là bạc chiều dày tm = 0,1 µm.

Hình 5.8. Cấu trúc ô cơ sở của MPA nhìn (a) góc nghiêng và (b)

góc trực diện từ trên xuống

Hình 5.10. Sự phụ thuộc của phổ hấp thụ vào độ dịch chuyển s

của lỗ trống ngang

21

Hình 5.10 biểu diễn sự thay đổi của phổ hấp thụ khi

dịch chuyển vị trí của lỗ trống ngang dọc theo chiều của E. Ban

đầu, khi s = 0, cấu trúc của MPA là đối xứng và chỉ tồn tại một

đỉnh hấp thụ. Khi s tăng, tính đối xứng của MPA bị phá vỡ.

Đỉnh hấp thụ ban đầu bị tách thành hai đỉnh hấp thụ riêng biệt

và khoảng cách giữa các đỉnh hấp thụ càng xa khi giá trị của s

càng lớn. Với s = 80 µm, ta có thể quan sát thấy hai đỉnh hấp

thụ tại 0,32 THz và 0,34 THz đều có độ hấp thụ là 97%.

5.4. Kết luận

Bằng cách khéo léo tận dụng hiệu ứng EIT, tương tác

trường gần và tạo ra khuyết tật trong cấu trúc khối vật liệu biến

hóa, chúng tôi đã xây dựng mô hình vật liệu hấp thụ MPA đa

đỉnh với độ hấp thụ lớn hơn 90%. Cơ chế hấp thụ được giải

thích dựa trên sự phân bố lại điện từ trường tại vùng tần số cộng

hưởng, bên cạnh sự tương tác giữa các cộng hưởng nội tại với

các cộng hưởng dẫn sóng GMR. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng,

khuyết mạng không chỉ tăng số đỉnh cộng hưởng mà còn tăng

cường độ hấp thụ tại mỗi đỉnh. Ngoài ra, cấu trúc hấp thụ được

thiết kế dựa trên nguyên lý Babinet cũng tạo ra được đỉnh cộng

hưởng có độ hấp thụ cao. Bằng cách thay đổi thông số cấu trúc,

chúng tôi cũng có thể điều khiển được vị trí tương ứng của các

đỉnh cộng hưởng. Đây là những kết quả bước đầu quan trọng

trong việc tối ưu, điều khiển và hiện thực hóa vật liệu biến hóa

hoạt động trong vùng tần số THz.

KẾT LUẬN CHUNG

Luận án “Nghiên cứu vật liệu biến hóa

(metamaterials) hấp thụ sóng điện từ ở vùng tần số THz” đã

được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ và Viện

22

Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt

Nam. Những kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố

trên 6 tạp chí quốc tế (04 tạp chí ISI, 02 tạp chí Scopus), 04 bài

đăng trên kỷ yếu hội thảo khoa học chuyên ngành.

Luận án có một số đóng cho nghiên cứu về Khoa học

vật liệu nói chung và Vật liệu biến hóa nói riêng:

1. Đã tối ưu được cấu trúc của vật liệu biến hóa nhằm tăng độ

hấp thụ và mở rộng dải tần trong vùng tần số THz: Cấu trúc hốc

cộng hưởng (MAC), cấu trúc 5 đĩa cộng hưởng mở rộng dải tần

hấp thụ 1 THz với độ hấp thụ trên 90%, cấu trúc hàng rào

khuyết mạng mở rộng dải tần lên tới 5THz với độ hấp thụ trên

95%. Giải thích được cơ chế hấp thụ sóng điện từ và cơ chế mở

rộng dải hấp thụ của vật liệu biến hóa.

2. Đã nghiên cứu điều khiển tần số và cường độ hấp thụ của vật

liệu biến hóa bằng kích thích quang học và nhiệt độ (sử dụng

vật liệu VO2 hoặc InSb). Tần số hấp thụ của MPA có thể thay

đổi từ 10,8THz-15,5 THz khi độ dẫn của VO2 thay đổi từ 1,8.107

S/m đến 5.10-19 S/m. Khi thay đổi nhiệt độ của InSb từ 260 K-380

K có thể điều chỉnh tần số hấp thụ từ 0,5THz-0,65 THz.

3. Đã thiết kế và nghiên cứu vật liệu biến hóa hấp thụ đa đỉnh

với độ hấp thụ lớn hơn 90% trên cơ sở tương tác trường gần. Lý

giải cơ chế tương tác trường gần, từ đó vận dụng để điều chỉnh

tần số cộng hưởng bằng các tham số cấu trúc.

4. Đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa hoạt động vùng tần

23

số THz để nghiên cứu cơ chế tăng cường tín hiệu dao động

riêng của phân tử protein bò. Bước đầu chứng tỏ vật liệu biến

hóa hoạt động vùng tần số THz có khả năng sử dụng làm cảm

biến đo phân tử hữu cơ.

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

1. Tiếp tục nghiên cứu và tối ưu cấu trúc vật liệu biến hóa hấp

thụ sóng điện từ vùng tần số THz và nhìn thấy, khả năng ứng

dụng vật liệu biến hóa trong thực tế.

2. Nghiên cứu chế tạo cảm biến không phá hủy các phân tử

sinh học cũng như ứng dụng trong công nghiệp trên cơ sở vật

liệu biến hóa.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA LUẬN ÁN

1. Manh Cuong Tran, Dinh Hai Le, Van Hai Pham, Hoang

Tung Do, Dac Tuyen Le, Hong Luu Dang, and Dinh Lam Vu,

Controlled Defect Based Ultra Broadband Full-sized

Metamaterial Absorber, Scientific Reports 8, 9523 (2018).

2. Tung S. Bui, Thang D. Dao, Luu H. Dang, Lam D. Vu,

Akihiko Ohi, Toshihide Nabatame, YoungPak Lee, Tadaaki

Nagao, and Chung V. Hoang, Metamaterial-enhanced

vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein

molecules, Scientific Reports 6, 32123 (2016).

3. Dang Hong Luu, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Le Dac

Tuyen and Vu Dinh Lam, Multi-band absorption induced by

near-field coupling and defects in metamaterial, Optik -

24

International Journal for Light and Electron Optics 156, 811-

816 (2018).

4. H. L. Dang, V. C. Nguyen, D. H. Le, H. T. Nguyen, M. C.

Tran, D. T. Le, and D. L. Vu, Broadband metamaterial perfect

absorber obtained by coupling effect, Journal of Nonlinear

Optical Physics and Materials, 26(3), 1750036 (2017).

5. H. L. Dang, H. T. Nguyen, V. D. Nguyen, S. T. Bui, D. T.

Le, Q. M. Ngo, and D. L. Vu, Cavity induced perfect

absorption in metamaterials, Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology 7(1), 015015 (2016).

6. Dang Hong Luu, Nguyen Van Dung, Pham Hai, Trinh Thi

Giang, Vu Dinh Lam, Switchable and tunable metamaterial

absorber in THz frequencies, Journal of Science: Advanced

Materials and Devices 1, 65-68 (2016).

7. Dang Hong Luu, Trinh Thi Giang, Nguyen Van Cuong, Le

Dinh Hai, Le Dac Tuyen, and Vu Dinh Lam, Optically

manipulated metamaterial absorber in THz frequencies,

Proceeding of the 8th International Workshop on Advanced

Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN-2016), 209-

213 (2016).

8. Dang Hong Luu, Pham The Linh, Nguyen Van Cuong,

Tran Manh Cuong, Le Dac Tuyen, Vu Dinh Lam, Visible

metamaterial absorber with hexagonal structutre, Tuyển tập

hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ

7 (SPMS 2017), 68-71 (2017).

9. Trần Mạnh Cường, Lê Đình Hải, Đặng Hồng Lưu, Lê Đắc

Tuyên, Vũ Đình Lãm, Ultra broadband and polarization-

insensitive metamaterial THz absorber full-sized structure

25

using meta via wall, Tuyển tập hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa

học vật liệu toàn quốc lần thứ 7 (SPMS 2017), 408-411 (2017).

10. Đặng Hồng Lưu, Bùi Sơn Tùng, Trịnh Thị Giang, Phạm

Thế Linh, Nguyễn Văn Cường, Trần Mạnh Cường, Bùi Xuân

Khuyến, Lê Đắc Tuyên, Vũ Đình Lãm, Vật liệu biến hóa hấp

thụ sóng điện từ dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ,

Tuyển tập hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn

quốc lần thứ 7 (SPMS 2017), 38-41 (2017).