BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THÀNH VIỆT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA
CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS)

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2015
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu
PGS. TS. Vũ Đình Lãm

wire-pair structures: A numerical study on the dielectric loss. Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và
Công Nghệ Quân Sự, 18.
[4] Lam V D, Hien N T, Tuan N T, Viet D T, Tung N T, Lee Y P (2012) A broadband and nearly
polarization-insensitive metamaterial absorber using multi-ring structure. IWAMSN 2012,
Halong, Vietnam.
[5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee
Young Pak et al. (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking metamaterials.
Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, 51, 371–7.
[6] Do, TV, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Van Hieu and Vu Dinh Lam (2013)
Nghiên cứu vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba trên cơ sở Metamaterial. Tạp chí nghiên cứu KH
& CN Quân sự, Đặc san Vật lí kỹ thuật.
Tạp chí nước ngoài
[7] Thuy, VTT, Viet, DT, Hieu, NV, Lee, YP, Lam, VD and Tung, NT (2010) Triple negative
permeability band in plasmon-hybridized cut-wire-pair metamaterials. Optics Communications,
283, 4303–6.
[8] Vu, DL, Pham, VT, Do, TV, Nguyen, TT, Vu, TTT, Le, VH et al. (2010) The electromagnetic
response of different metamaterial structures. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and
Nanotechnology, 1, 045016.
[9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances
supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials. Journal of Nonlinear
Optical Physics & Materials, 21, 1250019.
[10] Tung, NT, Viet, DT, Tung, BS, Hieu, NV, Lievens, P and Lam, VD (2012) Broadband Negative
Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials. Applied Physics Express, 5, 112001.

[11] Do, TV, Bui, ST, Le, VQ, Nguyen, TH, Nguyen, TT, Nguyen, TT et al. (2012) Design, fabrication
and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials. Advances in
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 3, 045014. />6262/3/4/045014
[12] Viet, DT, Hien, NT, Tuong, PV, Minh, NQ, Trang, PT, Le, LN et al. (2014) Perfect absorber
metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption. Optics Communications, 322, 209–13.


ở một, vài tần số, vùng tần số định trước, vật liệu Meta hấp thụ
tuyệt đối sóng điện từ có triển vọng ứng dụng trong chế tạo cảm
biến, biến đổi năng lượng, và đặc biệt trong quân sự là các ứng
2

dụng ngụy trang, Radar Cho đến nay, nghiên cứu vật liệu
Meta là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới nhưng rất triển vọng
và phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
i) Đưa ra đượcphương pháp nghiên cứu và công nghệ chế
tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba.
ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ
tuyệt đối sóng viba.
iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta
ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đưa ra những cơ sở vật lý và
cơ chế hoạt động của vật liệu Meta. Trình bày các phương
pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ chế tạo mẫu vật liệu
Meta hoạt động ở vùng tần số GHz.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm
năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối trong
nghiên cứu, ngụy trang sóng điện từ. Ngoài ra, các kết quả
nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia của
các nhà khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu Meta
phát triển cảm biến, chuyển đổi năng lượng, radar phục vụ
quốc phòng và dân sinh.
3. Những đóng góp mới của luận án
(i) Trình bày kiến thức tổng quan về vật liệu Meta. Giới


đã được các nhà khoa học nghiên cứu bằng lý thuyết và chứng
minh bằng thực nghiệm như siêu thấu kính, áo khoác tàng
hình, bộ lọc tần số antennas, cảm biến sinh học Vật liệu hấp
thụ tuyệt đối là một trong nhiều loại vật liệu nhân tạo được
nghiên cứu chế tạo trên cơ sở cấu trúc vật liệu Meta, các
nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ thuộc dải vi ba có thuận lợi là
điều kiện thực nghiệm đơn giản. Từ khi Landy đưa ra cấu trúc
hấp thụ sóng vi ba đầu tiên năm 2008, nhiều cấu trúc hấp thụ
khác đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố. Tất
cả các cấu trúc hấp thụ đều có hiệu suất hấp thụ cao và được
giải thích về cơ chế hấp thụ.
Tuy nhiên, các cấu trúc hấp thụ đã công bố thường rất phức
tạp, có nhiều tham số hình học, vì thế rất khó tùy biến để đạt
được một đặc tính hấp thụ mong muốn.
Trong luận án này, chúng tôi lần đầu tiên nghiên cứu chế
tạo thành công vật liệu Meta ở Việt Nam. Kết quả mới của luận
án là đưa ra các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, đo đạc, ít tham
số hình học, vì vậy, dễ tùy biến mà vẫn đảm bảo có được tính
hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ thuộc dải sóng vi ba.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu Meta
Vật liệu Meta là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của
nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo. Tên
tiếng Anh metamaterial thường được sử dụng cho một vật liệu
có tính chất khác thường. Thuật ngữ đã được đặt ra vào năm
1999 do Rodger M. Walser của Trường Đại học Texas tại
Austin. Ông đã xác định vật liệu Meta như vật liệu kết hợp
5


cảm biến, các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu
Meta nằm ở khả năng điều 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 được trình bày trong Hình
1. Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã được Zhang
và các cộng sự chế tạo thành công.

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên
vật liệu Meta.
Một ứng dụng khác là lớp vỏ “tàng hình”. Khi chúng ta nhìn
mặt đường mùa hè vào ngày nắng gắt, từ một khoảng cách
thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước” lung
linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường. Hiện tượng này
được gây ra do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số lớn
trong vùng không khí mát hơn phía trên đến trị số nhỏ hơn
trong vùng không khí nóng tiếp giáp với mặt đường. Sự thay
đổi chiết suất sẽ làm uốn cong đường đi của ánh sáng. Các nhà
khoa học cũng đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu Meta có sự
thay đổi chiết suất làm uốn cong đường đi của sóng điện từ
7

xung quanh một vật thể. Vì không có sự phản xạ sóng từ vật
nên đối với người quan sát vật này là “tàng hình”. Như vậy, vật
liệu Meta không những có thể có chiết suất âm mà còn là một
tập hợp của những mảnh khảm (mosaic) quang học mang từng
trị số chiết suất khác nhau làm uốn cong đường đi của sóng
điện từ.
Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith và
Pendry phát hiện và kiểm chứng. Với ứng dụng này, chúng ta

0

/40,
0

/69.
Năm 2008, MPA đầu tiên đã được đề xuất bởi Landy. Loại
vật liệu này gồm ba lớp, hai lớp kim loại và một lớp điện môi
được mô tả trên Hình 2. Vật liệu có độ hấp thụ là A

99% tại
tần số 11.65 GHz.

Hình 2. MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008.
a) Cấu trúc ô cơ sở và phân cực; b) Kết quả mô phỏng.
Sau khi phát hiện ra khả năng hấp thụ tuyệt đối của vật liệu
Meta. Vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn.
Bằng chứng là các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cấu trúc vật
liệu Meta hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện
9

từ như: vùng vi sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh
sáng nhìn thấy.
Các hướng nghiên cứu hiện nay về vật liệu metamaterial
hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ
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–10 mm),
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

hưởng. Chính vì vậy, đặc tính điện từ của vật liệu Meta có
thể được mô hình hóa thông qua mô hình mạch LC tương
đương của các cấu trúc cơ bản này. Tần số cộng hưởng và
các tính chất dị thường của vật liệu Meta cũng có thể được
tiên đoán chính xác dựa trên mô hình mạch tương đương LC.
Giá trị của L và C có thể được tính toán chính xác thông qua
các thông số hình học và tính chất của vòng dây SRR, từ đó tần
số cộng hưởng có thể được tiên đoán trước.
2.2. Mô phng vật lý
Các đặc tính điện từ như phổ truyền qua, phổ phản xạ, tổn
hao điện từ, phân bố năng lượng điện từ, và phân bố dòng điện
cảm ứng của các cấu trúc vật liệu Meta được mô phỏng bằng
các phần mềm máy tính. Các phần mềm chuyên dùng để mô
phỏng vật liệu Meta điện từ chủ yếu hiện nay được chia làm
hai loại, phần mềm thương mại và các phần mềm tự xây dựng.
Các phần mềm thương mại như CST Microwave Studio, HFSS
11

và Comsol có ưu điểm chính xác, nhiều tính năng, giao diện dễ
sử dụng tuy nhiên giá thành rất đắt, khả năng tùy biến km, và
tốn nhiều bộ nhớ. Trong một số trường hợp nhất định, các
phương pháp mô phỏng tự xây dựng dựa trên các phần mềm
mã nguồn mở như phương pháp ma trận truyền (Transfer
Matrix Method - TMM) và phương pháp đạo hàm hữu hạn
trong miền thời gian (Finite Difference Time Domain - FDTD)
cho tốc độ tính toánh nhanh, khả năng tùy biến tốt, cho php
can thiệp sâu vào cấu trúc và tính chất vật liệu, cũng như thêm
vào các tương tác ngoại vi Kết quả mô phỏng các tính chất
điện từ của vật liệu Meta đã được kiểm chứng bằng thực
nghiệm và nhiều phương pháp khác, cho độ tin cậy cao.

Để đo các tính chất của vật liệu như phổ truyền qua, phổ
13

phản xạ hay hấp thụ chúng tôi sử dụng hệ phân tích mạng vc
tơ gồm hai ăng ten chuẩn, một ăng ten có vai trò phát, ăng ten
còn lại có vai trò thu tín hiệu. Hệ thiết bị đo được đặt trong
buồng hấp thụ sóng điện từ để giảm tác động nhiễu từ bên
ngoài. Vùng tần số hoạt động của vật liệu đã được tính toán
dựa trên thiết kế mô phỏng và mô hình mạch điện LC trước đó.

Hình 5. Hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ.
Hình 5 mô tả hệ và bố trí phép đo phổ truyền qua của một
mẫu vật liệu Meta. Hai ăng ten thu phát được đặt lần lượt ở bên
trái và phải. Tín hiệu nền được chuẩn hóa cùng với giá đ mẫu
trước mỗi php đo để loại bỏ ảnh hưởng của giá đ và nhiễu
nền lên kết quả đo. Mẫu đo được đặt trên giá để mẫu, giữa hai
ăng ten để khảo sát trong dải tần số cần quan sát. Kết quả thu
được từ các php đo là các phổ truyền qua, phản xạ và pha
tương ứng.
2.4. Phương pháp lý thuyết môi trưng hiệu dụng
Lý thuyết môi trường hiệu dụng là nguyên lý đầu tiên và cơ
bản xuyên suốt quá trình nghiên cứu vật liệu Meta điện từ. Bản
chất của vật liệu Meta là tổ hợp những “nguyên tử” có tính chất
14

điện từ nhân tạo để tạo ra các tính chất hiệu dụng của vật liệu.
Vì thế các “nguyên tử” này thường là các mạch cộng hưởng
điện từ và phải đủ nhỏ để được xem là liên tục tại tần số mà
tính chất hiệu dụng của nó hoạt động. Việc thay đổi tính chất
vật lý của các mạch điện từ này sẽ dẫn đến những biến đổi vĩ

của vật liệu Meta.
2.6.Công nghệ chế to
Vật liệu ban đầu gồm có một lớp điện môi có hằng số điện
môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã được phủ
đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm. Qui trình chế
tạo vật liệu được trình bày trên hình 6.

Hình6. Quy trình chế tạo vật liệu Meta.

16

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA
HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG TẦN SỐ GHZ
3.1. MPA cấu trúc chữ I
Cấu trúc hấp thụ MPA được đề xuất bởi Landy (Hình 2)
tương đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo.
Tìm kiếm một cấu trúc MPA đơn giản nhưng có hiệu suất hấp
thụ không đổi là một bài toán được nhiều nhóm nghiên cứu quan
tâm. Dựa trên bản chất vật lý của cấu trúc Landy, chúng tôi đã
tiến hành nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc hấp MPA,
hướng tới một cấu trúc có tính ưu việt trong chế tạo và đo đạc.
Mẫu hấp thụ MPA hình chữ I là sự rút gọn của cấu trúc Landy
dựa trên cơ sở mạch cộng hưởng LC (Hình 7). Đây là một trong
những kết quả nghiên cứu, chế tạo vật liệu MPA đầu tiên ở Việt
Nam. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng, tồn
tại mộtđỉnh hấp thụ ~100% ở tần số 14,2 GHz (Hình 8).

Hình 7. MPA cấu trúc hình
chữ I: a) Ô cơ sở và các tham

ở tần số 15 GHz. Tuy nhiên do tính bất đối xứng của cấu trúc,
độ hấp thụ giảm khi tăng góc phân cực tạo bởi 𝐸
⃗

và trục dọc
dây thank kim loại (Hình 11).
3.3. MPA cấu trúc dấu cộng
Để nâng cao hiệu suất hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ,
chúng tôi đã thiết kế và chế tạo cấu trúc MPA dấu cộng (Hình 12).

Hình 12. MPA cấu trúc dấu cộng. (a) Ô cơ sở, phân cực
sóng điện từ; và (b) mẫu chế tạo.
Kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng minh cấu trúc dấu
cộng có hiệu suất hấp thụ tốt khi thay đổi giá trị góc phân cực.
3.4. MPA cấu trúc đĩa tròn
Từ kết quả đạt được với cấu trúc dấu cộng, cấu trúcđĩa tròn
(Hình 13) được nghiên cứu nhằm tăng tối đa hiệu suất hấp thụ
bằng đối xứng phân cực.

19 Hình 13. MPA cấu trúc đĩa tròn.(a) Ôcơ sở, phân cực
sóng điện từ và (b) mẫu chế tạo.

Hình 14. Kết quả mô phỏng
và thực nghiệm phổ hấp thụ
của cấu trúc đĩa tròn.

Hình 15. Kết quả mô phỏng

21

Hình 16 trình bày ô cơ sở và mẫu chế tạo cấu trúc MPA dải
rộng dựa trên tổ hợp của bốn cấu trúc đĩa tròn có đường kính
khác nhau. Kết quả mô phỏng rất khớp với giá trị đo thực
nghiệm (Hình 17), thu được một phổ hấp thụ dải rộng, với 4
đỉnh hấp thụ cộng hưởng gây ra do 4 đĩa tròn với kích thước
tương ứng. Đỉnh hấp thụ dải rộng này không phụ thuộc vào
phân cực sóng như đối với cấu trúc một đĩa tròn.
Hình 18 trình bày một phổ hấp thụ dải rộng có hiệu suất hấp
thụ tốt và đều, là kết quả của cấu trúc có ô cơ sở là 9 đĩa tròn
có bán kính khác nhau. Ngoài ra, kết quả này một lần nữa
khẳng định ưu điểm của cấu trúc đĩa tròn là tính đẳng hướng
cao: không suy giảm độ hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ.
4.2. Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động
ở vùng tần số GHz
Với các kết quả khả quan thu được với các mẫu vật liệu
Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba, buồnghấp thụ 3D được thiết
kế, chế tạo thử nghiệm (Hình 19).

Hình 19. Buồng hấp thụ 3D được chế tạo từ mẫu MPA cấu trúc
dấu cộng (a) và (b) thí nghiệm khảo sát tính chất điện từ buồng
hấp thụ 3D ở dải tần 12-18 GHz.
(a)
(b)