B GIÁO DO
I HC BÁCH KHOA HÀ NI

 Thành Vit
NGHIÊN CU CH TO
VÀ TÍNH CHT HP TH TUYI SÓNG VI BA
CA VT LIU META (METAMATERIALS)
LUN ÁN TIC VT LIU
NG DN KHOA HC:
1. PGS. TS. Nguyu

Hà Ni  2015

2 L

u ca tôi. Các s liu, kt qu nêu trong
lun án là trung thc công b trong các công trình khác.
NGHIÊN CU SINH  THÀNH VIT 3
NGHIÊN CU SINH  THÀNH VIT 4

MC LC

DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT
DANH MC CÁC BNG
DANH MC CÁC HÌNH NH VÀ  TH
M U 12
 TNG QUAN 15
1.1 Gii thiu chung v vt liu Meta 15
1.2 Các khái nin v vt liu Meta 17
1.3 Mt s ng dng ca Vt liu Meta 20
1.4 Mô hình gin t vi vt liu Meta 22
1.5 Vt liu Meta hp th n t (MPA) 26
1.5.1 Các loi vt liu hp th sóng vi ba 26
1.5.2  hp th ca vt liu 31
1.5.3 Vt liu Meta hp th n t 34
1.6 Mc tiêu nghiên cu ca lun án 36
 U 38
2.1 u và công ngh ch to vt liu Meta 38
2.1.1 u 38

3.4.2 Tính cht hp th n t 74
3.4.3 ng ca tham s cu trúc lên tính cht hp th 75
3.4.4 ng s phân cn t lên tính cht hp th 79
3.5 MPA cu trúc vòng tròn 81
3.6  hp th n t 82
3.7 Kt lun 86
 MPA HP TH DI RNG 87
4.1 Cnh hp th 87
4.2 Cu trúc MPA hai thanh kim loi so le hp th di rng 90
4.3 MPA  92
4.4 Thit k ch to, kho sát bung hp th 3D hong  vùng tn s GHz . 96
4.5 Kt lun 98
KT LUN CHUNG VÀ KIN NGH 99
DANH M CA LUN ÁN
PH LC 6

DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT

MMs
MPA
CWP

Hình 1.6.  ca vt liu Meta có cu trúc cp thanh kim loi hu
hn; (b) ma cu trúc [28] 23
Hình 1.7. (a) 
; ([29] 24
CWP 25
  25
Hình 1.10. Mô hình 
m
f
=13.8 GHz và
e
f
= 30.0 GHz 26
 27
  38
Hình 2.2. [70] 41
 g [70] 41
Hình 2.4. (kim
  
  (
([70] 42
Hình 

: ( 
 và (b) k 45
[10]. 48
quy trình  49
Hình 2.8.  50
 51
 52

wire

= w
cutwire
= 1.0 mm, l
cut-wire
= 5.5 mm, a
x
= a
y
= 7.0 mm, t
s
= 0.4 mm. 54
 55
Hình 3.1. C 60

 (b) t 61

vào  62
: (a) C
2.5 mm; t = 0.6 mm, a
x
= 4 mm; a
y
= 7.2 mm; t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm; (b)
 63

y
= 8.3 mm, l = 5.5 mm, w = 1.0
mm 72
          
 72
10

 a = 8.3 mm, l = 5.5
mm, w = 1 mm:  k
 . 

0
73
Hình 3.18. 
a = 12 mm, R = 3 mm, t
d
= 0.4 mm, t
m
= 0.036 mm 74
 75
 75
                
  77
 LC  78
Hình 3.23.  R = 3 mm, t
d
=
0.4 mm, a = 12 mm:  (b) K




eSRR 88

trúc eSRR: (.4 GHz và (.1 GHz 88
 89
 90

 91
11


trúc hai (.28 GHz và (.82 GHz 91
Hình 4.8. MPA có 4  92
: (a) p
tròn và  93

 94
Hình 4.11. 
 95

 96
Hình 4.13. (a) 
( 96
 97

12


MỞ ĐẦU
ng trong thi ca cuc cách mng vt ling


c chiu nhaui nay, rt nhiu tính cht
c bit khác ca vt liu Meta chit suc phát hin và chng minh bng
thc nghim. Mt trong nhng ng dng ni bt nht ca vt liu Meta chit sut
âm là siêu thu kính (super lens) xut b
c Zhang và các cng s ch t
Gt ng dc nghiên cu rng rãi t
vc vt liu Meta  t li  . Vt liu
    xut và chng minh ti vùng GHz bi Schurig và các
cng s u chnh các tham s n t hiu dng mt cách
hng vt liu Meta b un cong theo ý
mun. Nh t th b giu bên trong lp v vt liu Meta hoàn toàn tr nên

13

 mc sóng nhnh. Ngoài ra, hàng lot ng dng quan trng
khác ca vt liu Meta  c các nhà khoa h  xut và t  
nghiên cu,  lc tn s, b cng, cm biì nhng tính chc
bit và kh ng dng to ly, vt liu Meta c các nhà
khoa hc trên th gii quan tâm nghiên cu. Ti Vit Nam, nhóm nghiên cu ca
    n Khoa hc Vt liu  Vin Hàn lâm Khoa hc và
Công ngh Vit Nam là mt trong nhng nhóm tiên phong trong nghiên cu v vt
liu Meta c mt s kt qu nhnh.
Trong khuôn kh nghiên cu ca lun án tip trung vào mt
tính cht mc phát hin và nghiên cu ca vt liu Meta 
vt liu Meta hp th tuyi n t. Vt liu Meta hp th tuyi
n t có bn cht vt lý khác bit tri so vi các loi vt
liu hp th truyn thng khác, ví d n s hp th c thit k nh
c khi ch to, hp th gtoàn b n t ti, chiu dày vt
liu mng, ch khong  hp th tng quát có th ng dng t

trong t nhiên, t  quan tâm ca các nhà khoa hc. Vi s phát
trin ca khoa hc công ngh, nhng tính chc bit,
c to ra bng cách sp xp có ch ý nhiu nguyên t cùng hoc khác lo
i t u nha th k c [33]. Mt trong nhng ví d n hình v
s thành công trong vic to ra các tính cht mi ca vt liu bng cách can thip
nhân to vào mng tinh th có th k n ng nano các bon [52] và g 
graphene [56].
Tuy nhiên, thú v  là s i ca vt lin t nhân to Meta. Vt liu
c xây dng da trên nh nguyên tng mch cng ng
n t nh u lc sóng mà tc bit ca vt liu
Meta xut hin. Bi tính cht và mng tinh th (quy lut sp xp)
c nguyên tng thi, các nhà khoa hc có th c
nhng tính cht bng không tn ti trong vt liu t nhiên. Mt trong nhng
tính cht thú v c tìm kiu tiên ca vt liu Meta là kh o ra môi
ng có chit sut âm. V mt lý thuyt, s tn ti ca vt liu có chit su
 xu[79], da trên s kt hng thi ca vt li t
thm âm (µ<0 n thm âm ( t 
xut c9, Pendry mt liu có chit sut âm
u tiên da trên cu trúc vòng cng có rãnh (split-ring resonator) [61]. Sau
ng s lu tiên chng minh bng thc nghim s tn
ti ca vt liu chit sut âm (n < 0) bng vt liu Meta [65].
ng ca vt liu Meta không dng li   kh
n ca nh nguyên tt liu Meta có th c thit k  thay
16
. 

i toàn din tính cht truyn t ct
ln na thu hút s chú ý ca cng khoa hng minh
bng thc nghim s tn ti ca lp v n t bng vt liu Meta ti
vùng GHz [64]. Gvt liu Meta hp th tuyn

3

m0.75

m) và vùng kh kin (400 THz800 THz: 750 nm375 nm).
1.2 Các khái niệm cơ bản về vật liệu Meta












 



 





(1.1)
(1.1) th hin mi liên h gia tn s c

các vt li
 hiu rõ hiu ng ca loi vt liu này, thì chúng ta s phân tích bu t

  










  












(1.4)
Vi:


(1.6)
k E H
c



r
rr

Biu thc (1.6) rt quan trng, nó giúp chúng ta hiu rõ bn cht ca vt liu có
chit sut âm. Nu c  và  


, 



, 


to thành mt tam
1.2 Meta
19

din thun (tuân theo quy tc bàn tay phng hng thi âm,



, 




ng vào ngun phát x 


và 

i
t trong nhm khác bit chính ging hp vt liu có 
và  cùng âm vng hp vt liu có hai giá tr và  
Hình 1.3 biu din mi liên h gia  và . Các vt ling có
 n t có th lan truyc trong vt liu (góc phn
 nht). Khi mt trong hai giá tr t thm hon thm âm và giá tr còn li
 trong min không gian góc ph hai và th n
t nhanh chóng b dp tt và không th lan truyng
hp c a chúng mang giá tr 
n t vn có th lan truyn bên trong vt ling này
c gi là vt liu chit sut âm.
20
. 


Hình 1.5). 
, 
 ày
 


22
. 

Ngoài nhng ng dng kì diu rõ ràng k trên, vt liu Meta còn t ra rt tim
 lc tn s [9,40], cng [22,58], cm bin
sinh hc [41,86]c bit là tính hp th tuyi ca loi vt liu này [21,39,89].
Vi s phát trin mnh m ca vt liu nano, kéo theo kh  to vt liu siêu
hp th ánh sáng mt tri, to trin vng ng dng vt liu Meta làm pin mt tri hiu
sut cao [18,49,82].
Tuy  bin kh ng dng ca vt liu Meta thành nhng ng dng
trong thc t, còn rt nhiu v cc làm rõ và cn nghiên cu mt cách
thc tiên là b ch to vt liu có cn, d
i xc bit là hong  vùng tn s THz hay vùng kh
kin. Tin vic m rng vùng tn s hong ca vt liu,
ch to vt liu không ph thuc phân cn t, hay viu khin tính
cht ca vt liu bng các tác ng ngoi vi (quang, nhin, t
c các nhà khoa hc quan tâm mt cách sâu sc.
-Hàn lâm 
vt liu Meta
 [71,73,76]. Vt
liu Meta vi tính chm ni bt so vi các vt liu hp th thông
ng khác. Do vy, vic nghiên cu tính cht hp th ca vt liu Meta



l
l c c


   
  

(1.8)

1
2
e
ee
f
CL



(1.9)

 l là chiu dài ca thanh kim loi,


là hng s n môi ca ln môi,


là h s có giá tr trong [0.2, 0.3], C
e
c sinh ra do hai thanh kim
loi c