BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……………..…………….

CHU THỊ ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VẬT LIỆU HẤP
THỤ SÓNG VI BA TRÊN CƠ SỞ TỔ HỢP VẬT LIỆU
ĐIỆN MÔI La1,5Sr0,5NiO4 VỚI CÁC HẠT NANO TỪ

Chuyên Ngành: Vật liệu điện tử

Mã số: 9.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - NĂM 2018


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU ............................................................................................................
CHƯƠNG 1. CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VI
BA


13

1.4. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ trong vùng tần số vi ba ............................

13

1.4.1. Cơ chế tổn hao trong các chất dẫn điện .................................................

14

1.4.2. Cơ chế tổn hao điện môi ........................................................................

15

1.4.3. Cơ chế tổn hao từ ... ……………………………………………………

16

1.5. Một số cấu trúc và vật liệu hấp thụ sóng vi ba ............................................

19

1.5.1. Đa lớp điện môi hấp thụ sóng vi ba .......................................................

20

1.5.1.1. Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury .................

20



29

1.6.2. Hệ vật liệu ferrite spinel MFe2O4 (M = Co, Ni) ....................................

31

1.6.3. Hệ vật liệu sắt từ La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) ............................................

33

1.6.4. Hệ hạt nano kim loại sắt ........................................................................

35

1.7. Kết luận chương ...........................................................................................

36

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ................................................

38

2.1. Qui trình chế tạo các hạt nano .....................................................................

38

2.2. Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu ..............................

40

45

2.3.2.2. Kỹ thuật bản cực song song .............................................................

46

2.3.2.3. Kỹ thuật đầu dò đồng trục................................................................

46

2.3.2.4. Kỹ thuật đường truyền .....................................................................

47

2.3.2.5. Kỹ thuật không gian tự do ...............................................................

48

2.3.3. Phép đo phản xạ/truyền qua sóng vi ba trong không gian tự do............

50

2.3.4. Lý thuyết đường truyền và thuật toán Nicolson–Ross–Weir (NRW) ...

52


2. 4. Kết luận chương ..........................................................................................
CHƯƠNG 3. TÍNH CHẤT HẤP THỤ SÓNG VI BA CỦA HỆ HẠT
NANO ĐIỆN MÔI La1,5Sr0,5NiO4....................................................................

4.2. Tính chất hấp thụ sóng vi ba của hệ hạt nano kim loại sắt ..........................
4.2.1. Ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ lên tính chất hấp thụ sóng vi ba của
các lớp hấp thụ Fe/paraffin .....................................................................
4.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng bột nano Fe/paraffin lên tính chất hấp
thụ sóng vi ba của các lớp hấp thụ Fe/paraffin .......................................
4.3. Kết luận chương ...........................................................................................

69
74

74

79
82

CHƯƠNG 5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ
SÓNG VI BA CỦA MỘT SỐ HỆ HẠT NANO TỔ HỢP ĐIỆN MÔI/SẮT
TỪ, FERRITE ...................................................................................................
84
5.1. Công nghệ chế tạo và các đặc trưng cơ bản của các vật liệu CoFe2O4,
NiFe2O4 và La0,7Sr0,3MnO3 ..........................................................................

84

5.1.1. Hệ hạt nano ferrite CoFe2O4 ..................................................................

85

5.1.2. Hệ hạt nano ferrite NiFe2O4 ...................................................................


116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .......................

118

PHỤ LỤC ...........................................................................................................

120

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................

125


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu
LSNO

Ý nghĩa
La1,5Sr0,5NiO4

LSMO

La0,7Sr0,3MnO3

CFO

CoFe2O4


MB
MK
M900
D
EDX
VSM
SEM
XRD
EM
εr
μr
fr

Mẫu bột
Mẫu khối
Mẫu ủ tại nhiệt độ 900oC/5h
Kích thước hạt tinh thể
Phổ tán sắc năng lượng tia X
Từ kế mẫu rung
Hiển vi điện tử quét
Nhiễu xạ tia X
Sóng điện từ (Electromagnetic)
Hằng số điện môi tương đối
Độ từ thẩm tương đối
Tần số cộng hưởng

fz
fp
fFMR
d

16

Hình 1.6. Sự phụ thuộc tần số của các thành phần độ từ thẩm phức của vật
liệu sắt từ .........................................................................................................

17

Hình 1.7. Cấu tạo của màn chắn Salisbury cổ điển và mạch tương đương
theo lý thuyết đường truyền ............................................................................

20

Hình 1.8. Lớp hấp thụ Dallenbach và mạch tương đương..............................

21

Hình 1.9. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của lớp hấp thụ Dallenbach .

22

Hình 1.10. Cấu tạo của màn chắn Jaumann ....................................................

22

Hình 1.11. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các lớp Jaumann .........

23

Hình 1.12. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của cấu trúc Jaumann sáu
lớp ...................................................................................................................


28

Hình 1.20. (a) Nhiệt độ chuyển pha trật tự điện tích và trật tự spin (TCO và
TSO) xác định từ phép đo điện trở suất theo nhiệt độ của LSNO; (b) Hằng số
điện môi phụ thuộc tần số ở các nhiệt độ khác nhau của vật liệu LSNO .......
30
Hình 1.21. Đường cong từ trễ của các mẫu (a) NiFe2O4 và (b) CoFe2O4 ......
Hình 1.22. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các lớp hấp thụ (a)
NiFe2O4/paraffin và (b) NiFe2O4/polypyrrole với độ dày khác nhau .............

31

32

Hình 1.23. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc tần số của các MAM dựa trên (a)
hệ hạt nano CoFe2O4 và (b) vật liệu CoFe2O4 hình bầu dục với độ dày khác
nhau .................................................................................................................
33
Hình 1.24. Độ tổn hao phản xạ phụ thuộc vào tần số của các lớp vật liệu hấp
thụ (a) LSMO/epoxy; (b) LSMO/CNTs; (c) LSMO/polyaniline và (d) hệ hạt
nano LSMO .....................................................................................................
34
Hình 1.25. Đường cong RL(f) trong vùng tần số từ 2-18 GHz của (a) hệ hạt
nano kim loại Fe và (b)vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-Fe/Graphene .................

36

Hình 2.1. Sơ đồ máy nghiền hành tinh ...........................................................


Hình 2.9. Sơ đồ lắp mẫu trong phép đo hốc cộng hưởng ...............................

45

Hình 2.10. Mô hình phép đo đầu dò đồng trục ...............................................

47


Hình 2.11. Mô hình đo của kỹ thuật vòm NRL để đánh giá các MAM/RAM

48

Hình 2.12. Sơ đồ khối của phương pháp truyền qua trong không gian tự do.

48

Hình 2.13. Mô hình sóng tới và sóng phản xạ từ các bề mặt của MAM ........

50

Hình 2.14. Sơ đồ lắp đặt của phép đo phản xạ (a) và truyền qua (b) trong
không gian tự do .............................................................................................
Hình 2.15. Mô hình lắp đặt mẫu và đường đi của tín hiệu bên trong ống dẫn
sóng đồng trục .................................................................................................
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của vật liệu
La1,5Sr0,5NiO4 ..................................................................................................
Hình 3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu La1,5Sr0,5NiO4 .................
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của vật liệu La1,5Sr0,5NiO4 dạng bột đo tại nhiệt
độ phòng ..........................................................................................................

Hình 4.3. Đường cong từ hóa ban đầu đo tại nhiệt độ phòng (a); sự phụ thuộc
của từ độ bão hòa MS theo thời gian nghiền (b) của các mẫu và đường cong
từ hóa của mẫu Fe-10h (hình nhỏ) ..................................................................
71


Hình 4.4. (a) Đường cong từ hóa ban đầu; (b) sự biến thiên của MS và phổ
EDX (hình nhỏ) theo thời gian bảo quản trong môi trường không khí ..........

73

Hình 4.5. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của các mẫu Fe/paraffin với độ
dày d khác nhau trong hai vùng tần số (a) từ 4-12 GHz và (b) từ 14-18
GHz……………. ............................................................................................
74
Hình 4.6. Đường cong RL(f) và |Z|(f) của các mẫu với các độ dày khác nhau:
(a) d = 1,5 mm; (b) d = 2 mm; (c) d = 3 mm và (d) d = 3,5 mm ....................

75

Hình 4.7. Sự phụ thuộc của |S11| và RL vào tần số của các tấm vật liệu
Fe/paraffin với độ dày khác nhau với các mẫu được gắn đế Al phản xạ toàn
phần phía sau...................................................................................................
77
Hình 4.8. Đường cong RL(f) của tất cả các mẫu khi không có đế kim loại Al
gắn phía sau trong vùng tần số từ 4-18 GH ....................................................

79

Hình 4.9. Độ tổn hao phản xạ RL và trở kháng Z phụ thuộc tần số của tất cả


89

90

Hình 5.7. Các đường từ trễ được đo tại T = 300 K cho các mẫu
La0,7Sr0,3MnO3 ở các công đoạn chế tạo khác nhau .......................................
Hình 5.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ phòng của tất cả các mẫu
La0,7Sr0,3MnO3 ...............................................................................................

91

93

Hình 5.9. Ảnh SEM của các mẫu LSMO ở từng công đoạn chế tạo khác
nhau: (a) LSMO-MK, (b) LSMO-MB và (c) LSMO-M900...........................
Hình 5.10. Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) của các tấm hấp thụ
(100-x)LSNO/xCFO trong khoảng tần số từ 4-18 GHz .................................

94

96

Hình 5.11. Các mẫu không có đế Al: đường cong RL(f) và Z(f) của các mẫu
trong vùng tần số cộng hưởng gần 14 GHz. (a) x = 0; (b) x = 2; (c) x = 4; (d)
x = 6; (e) x = 8 và (f) x =10 ............................................................................
99
Hình 5.12. Các mẫu có đế kim loại Al: (a) Giá trị tuyệt đối của hệ số phản
xạ |S11| và (b) RL của các mẫu (100-x)LSNO/xCFO trong dải tần số từ 4-18
GHz ................................................................................................................



DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng vi ba và ứng dụng tương ứng .........................
Bảng 1.2. Mối liên hệ giữa số tấm trở kháng, độ rộng dải tần và tổng độ dày
của các lớp Jaumann .......................................................................................
Bảng 1.3. Các tham số đặc trưng của MAM bốn lớp vật liệu ferrrite ............
Bảng 3.1. Các tham số đặc trưng của các lớp hấp thụ La1,5Sr0,5NiO4/paraffin
với độ dày khác nhau ......................................................................................

10

23
26

62

Bảng 4.1. Kích thước hạt tinh thể trung bình D và từ độ bão hòa MS tại từ
trường 10 kOe của các mẫu Fe sau khi được nghiền cơ năng lượng cao từ 1
giờ đến 20 giờ .................................................................................................
69
Bảng 4.2. Giá trị độ từ hóa bão hòa (tại 10 kOe) và % nguyên tố của bột
nano Fe được bảo quản trong không khí trong những khoảng thời gian khác
nhau .................................................................................................................
73
Bảng 4.3. Các tham số đặc trưng của các tấm vật liệu Fe/paraffin với d khác
nhau .................................................................................................................
Bảng 4.4. Giá tri fp tính toán theo mô hình lý thuyết và quan thực nghiệm
của tất cả các mẫu có tỷ lệ khối lượng khác nhau ..........................................
Bảng 5.1. Kích thước hạt tinh thể <D>, độ từ hóa bão hòa MS tại từ trường

1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sóng điện từ trong dải tần số GHz đã
và đang trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển ngày càng cao của các thiết bị truyền
thông không dây, phát sóng vệ tinh, điều trị y tế và các ứng dụng trong quân sự, … [48,
55, 90]. Cùng với đó, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của sóng điện từ cũng đang trở nên
cấp thiết hơn bao giờ hết. Vì vậy, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ trong dải tần
số GHz ngày càng thu hút được sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên cả hai lĩnh
vực khoa học cơ bản và công nghệ. Để loại bỏ nhiễu điện từ (Electromagnetic
Interference-EMI), giảm thiết diện phản xạ sóng điện từ và đảm bảo tính bảo mật cho
các hệ thống hoạt động dựa trên sóng điện từ, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ
đã được phát triển, trong đó, vật liệu hấp thụ sóng vi ba (Microwave Absorption
Materials - MAM) được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu với các ứng dụng đa
dạng và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực quân sự, vật liệu hấp
thụ sóng radar (Radar Absorption Materials - RAM) trong dải tần số từ 8-12 GHz là
yếu tố quan trọng của công nghệ tàng hình cho các phương tiện chiến đấu như: máy bay
chiến đấu, tàu chiến, tên lửa tầm xa, …
Các nghiên cứu về vật liệu sóng điện từ chủ yếu được thực hiện theo ba hướng
chính: (1) hoàn thiện khả năng chống phản xạ; (2) tăng cường khả năng hấp thụ và (3)
mở rộng vùng tần số hoạt động. Trong đó, sự hấp thụ đồng thời cả hai thành phần năng
lượng điện trường và năng lượng từ trường được hi vọng sẽ làm gia tăng độ tổn hao và
do đó tăng hiệu suất hấp thụ điện từ của vật liệu. Hơn nữa, công nghệ nano ra đời mở ra
một hướng phát triển mới cho các nghiên cứu về vật liệu hấp thụ ứng dụng trong che
chắn và chống nhiễu điện từ. Các MAM có cấu trúc nano ngày càng nhận được sự quan
tâm của các nhóm nghiên cứu do các đặc tính hấp dẫn cũng như khả năng hấp thụ mạnh
hơn sóng vi ba so với các vật liệu cùng loại ở dạng khối hoặc có cấu trúc micro. Tính
chất thú vị của vật liệu nano được bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng. Khi kích
thước hạt giảm xuống đến giới hạn nano, các hiệu ứng bề mặt đóng góp chủ yếu vào
vào sự thay đổi tính chất đặc trưng của vật liệu. Mặt khác, vật liệu nano còn có hoạt tính
cao, dễ phân tán và do đó thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng

tại đỉnh hấp thụ 8,76 GHz [66], vật liệu nano tổ hợp BaFe9Mn0.75Co0.75Ti1.5O19/
MWCNTs cho RL ~ -56 dB tại gần 17 GHz [45], vật liệu tổ hợp C/CoFe-CoFe2O4 trong
paraffin với độ tổn hao phản xạ RL đạt xuống đến ~ -71,73 dB tại 4,78 GHz [50], vật
liệu nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Fe/HCNTs (RL ~ -50 dB tại 7,41 GHz) [122], vật liệu
nano tổ hợp có cấu trúc lõi vỏ Co-C trong paraffin (RL ~ -62,12 dB tại 11,85 dB) [159],
… Tại Việt Nam, vật liệu hấp thụ sóng điện từ đã được quan tâm nghiên cứu trong
những năm gần đây. Năm 2011, nhóm các cán bộ của viện kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc
Phòng) đã bắt đầu các nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar băng tần X của vật
liệu nano multiferroic BiFeO3-CoFe2O4 (RL ~ -35,5 dB tại 10,2 GHz) hay các hạt nano
Mn0.5Zn0.5Fe2O4 trong nhựa thông và vật liệu tổ hợp chứa các hạt nano ferrite Ba-Co [2,
4, 58]. PGS. TS. Vũ Đình Lãm và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiện tượng
hấp thụ và khả năng tàng hình sóng vi ba của các siêu vật liệu (metamaterials) trong
những năm gần đây và đã có nhiều công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thế giới
[79, 154, 155].


3
Dựa trên khả năng và xu thế ứng dụng của vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong
tương lai, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới, chúng tôi đề xuất đề tài
“Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp vật liệu điện
môi La1,5Sr0,5NiO4 với các hạt nano từ”. Đề tài này được lựa chọn để thay thế cho đề tài
đã đăng ký trong thuyết minh hồ sơ nghiên cứu sinh “Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu
hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở tổ hợp các hạt nano từ và điện môi”, nhằm phù hợp hơn
với điều kiện thực hiện luận án và các kết quả đã thu nhận được của nghiên cứu sinh.
Chúng tôi tin tưởng rằng đề tài sẽ có những đóng góp đáng kể không chỉ cho sự
hiểu biết về các cơ chế tương tác của sóng điện từ với vật liệu, tìm kiếm và phát triển
một số vật liệu hấp thụ sóng vi ba trên cơ sở các hạt nano ferrite, sắt từ, điện môi và các
hệ hạt nano tổ hợp của chúng, mà còn mở ra khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu này
trong che chắn và chống nhiễu điện từ.

thụ sóng điện từ nói chung và vật liệu hấp thụ sóng vi ba, sóng radar nói riêng để làm
nền tảng và cơ sở nghiên cứu. Từ đó, xây dựng phương pháp nghiên cứu thích hợp trong
điều kiện thí nghiệm trong nước, từ việc chế tạo vật liệu, xây dựng các phép đo, áp dụng
các mô hình lý thuyết phù hợp để phân tích và xử lý số liệu, cho đến việc đánh giá các
kết quả thực nghiệm thu được và định hướng các nghiên cứu tiếp theo.
- Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sẽ được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp
thực nghiệm. Mẫu bột có kích thước hạt nanomet được chế tạo chủ yếu bằng phương
pháp nghiền cơ năng lượng cao kết hợp với các công đoạn xử lý nhiệt thích hợp. Cấu
trúc vật liệu, hình thái pha, hình dạng và kích thước hạt được khảo sát, phân tích và đánh
giá trên cơ sở phân tích nhiễu xạ tia X và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM. Các phép
đo đánh giá tính chất từ của vật liệu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung (PPMS,
VSM). Cuối cùng, các phép đo phản xạ và truyền qua sóng vi ba trong vùng tần số từ 418 GHz được thực hiện trong không gian tự do (môi trường không khí) và ở nhiệt độ
phòng. Từ các số liệu thực nghiệm thu được, tính toán hệ số tổn hao phản xạ (RL) sử
dụng lý thuyết đường truyền [162] và thuật toán NRW [115, 164]. Kết quả thực nghiệm
sẽ được biện luận và phân tích nhằm giải thích các hiện tượng vật lý và tìm kiếm cơ chế
hấp thụ. Trên cơ sở đó, đưa ra các giải pháp phát triển các tính năng hấp thụ sóng điện
từ của vật liệu, điều chỉnh các tham số công nghệ và đánh giá khả năng ứng dụng.
Các kết quả mới đã đạt được của luận án:
- Đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu dạng tấm bằng phương pháp bột nhồi
nano với chất mang paraffin.
- Lần đầu tiên phát hiện ra khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba trong vùng tần số
từ 4-18 GHz trên các tấm vật liệu La1,5Sr0,5NiO4/paraffin. Giá trị độ tổn hao phản xạ
thấp nhất vào khoảng -36,7 dB, đạt hiệu suất hấp thụ 99,98%, được quan sát trên tấm
hấp thụ có độ dày d = 3,0 mm.
- Quan sát thấy sự gia tăng hiệu ứng cộng hưởng phù hợp pha trong các tấm hấp
thụ bằng cách sử dụng đế kim loại Al trong kỹ thuật đo phản xạ.
- Đã quan sát thấy hai hiệu ứng dịch chuyển đỉnh hấp thụ trái ngược nhau trong
các tấm vật liệu tổ hợp La1,5Sr0,5NiO4/NiFe2O4 và La1,5Sr0,5NiO4/La0,7Sr0,3MnO3, đưa ra
khả năng mở rộng dải tần số hấp thụ sóng vi ba.
Trong quá trình thực hiện và viết luận án, mặc dù tác giả đã rất cố gắng nhưng

được khoảng - 20dB trong dải tần số rất rộng từ 2-15 GHz [133]. Tuy nhiên, các loại vật
liệu này có thời gian sống khá ngắn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và do
đó gây cản trở lớn trong việc triển khai ứng dụng trong thực tế. Cũng trong thời gian
này, Halpern (phòng thí nghiệm bức xạ MIT, Mỹ) đã nghiên cứu và phát triển vật liệu
”HARP” dùng cho sơn Halpern (HARP- Halpern Anti Radiation Paint) dựa trên vật liệu
than carbon và hệ hạt kim loại Fe có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ trong dải tần
số sóng rada (X - band) với RL đạt khoảng -15 dB đến -20 dB [53, 54]. Ngoài ra, cấu
trúc hấp thụ dạng màn chắn cộng hưởng Salisbury cũng được phát triển [132]. Cấu trúc
ban đầu được làm bằng vải phủ than chì, dán trên khung gỗ được hỗ trợ sản xuất bởi
công ty cao su Hoa Kỳ (US Rubber), kéo theo sự ra đời của cấu trúc hấp thụ dạng kim
tự tháp dài, là cấu trúc có đỉnh định hướng theo phương truyền sóng tới và bên trong
được phủ bởi các lớp Salisbury [114]. Sau này, cấu trúc hấp thụ Salisbury được cải tiến


6
gồm một lớp hấp thụ điện môi hay một lớp polymer dẫn đặt trước bề mặt kim loại ở
khoảng cách phần tư bước sóng. Cho đến khi tầm quan trọng của vật liệu ferrites được
biết đến, ngoại trừ các lớp hấp thụ Jaumann và cấu trúc kim tự tháp đảo, hầu hết các vật
liệu và cấu trúc hấp thụ đều thuộc loại vật liệu hấp thụ sóng điện từ dải hẹp.
Sau chiến tranh (1945-1950), các công trình nghiên cứu về MAM/RAM được
thực hiện chủ yếu theo hướng tìm kiếm các vật liệu hoặc cấu trúc hấp thụ dải rộng nhằm
mục đích ứng dụng trong kỹ thuật buồng tối. Trong giai đoạn này, các vật liệu hấp thụ
(chủ yếu là carbon, than chì, oxit sắt, bột sắt, bột nhôm, đồng) trộn với các chất kết dính
(thường là một số loại nhựa hoặc gốm, chất tạo độ xốp như xà phòng, chất xơ, vỏ bào)
và việc suy giảm sóng điện từ băng thông rộng được tạo ra bằng cách sắp xếp các tấm
vật liệu theo các cấu trúc hấp thụ dạng kim tự tháp hay dạng nón thiết kế sẵn [54].
Những năm 1950 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của MAM/RAM bằng việc
sản xuất thương mại MAMs dựa trên vật liệu carbon, có tên gọi là “Spondex”, bởi công
ty Sponge Products Company, Emerson and Cuming và tập đoàn công nghiệp
McMillan. Hệ số tổn hao phản xạ đạt xuống đến -20 dB trong dải tần số 2,4-10 GHz cho

trúc Jaumann, trong đó có tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền (genetic algorithm). Mạch
analog và bề mặt lọc lựa tần số tiếp tục là lĩnh vực được quan tâm lớn nhất. Polymer dẫn
và vật liệu composite được sử dụng rộng rãi với sợi và vải sợi phủ polymer dẫn hấp thụ
sóng điện từ. Một loại vật liệu mới trong lĩnh vực polymer dẫn là RAM linh động cũng
được quan tâm nghiên cứu, trong đó tần số cộng hưởng của vật liệu hấp thụ điều chỉnh
được thông qua các giá trị điện trở và điện dung của vật liệu hấp thụ [103].
Nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang đầu tư nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp
thụ sóng điện từ, tuy nhiên các công trình công bố còn rất hạn chế. Trong những năm
gần đây, xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cùng với những diễn biến về an ninh
quốc phòng của nước ta cho thấy việc nghiên cứu, phát triển các MAM/RAM là cần
thiết và cần đẩy nhanh quá trình đưa các vật liệu này vào ứng dụng thực tế. Vật liệu hấp
thụ sóng điện từ được bắt đầu nghiên cứu từ cuối những năm 1990 trên các polyme dẫn
điện do các cán bộ Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực
hiện. Nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Đức Nghĩa cũng đã chế tạo thành công vật liệu
hấp thụ sóng điện từ trên cơ sở vật liệu polyanilin, polypyrol, gia cường cacbon black,
CNT, oxit sắt từ; chế tạo cấu trúc hấp thụ khác nhau như dạng chóp nón, dạng đa lớp,
vật liệu gradien... thử nghiệm tại hiện trường thực tế tại Học viện Hải quân (Nha Trang),
đạt kết quả rất tốt [5]. TS. Hoàng Anh Sơn và cộng sự đã chế tạo và nghiên cứu tính chất
chắn sóng điện từ của vật liệu tổ hợp polymer và MWCNT (Multiwalled carbon
nanotube) định hướng trong chế tạo lớp phủ chắn sóng điện từ. Nhóm nghiên cứu của
GS.TS. Nguyễn Việt Bắc, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự cũng đã thành công
trong một số nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng vi ba chống nhiễu điện từ của một số hệ
vật liệu như các lớp phủ vật liệu composite feritte từ tính nền cao su (2003), các lớp phủ
polyferocen và spinel ferrite trên nền kim loại (2011). TS. Dương Ngọc Hiền và cộng
sự, Viện Vật lý kỹ thuật – Đại học Bách khoa Hà Nội cũng có các nghiên cứu về tính
chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polymer dẫn PPy, PANi và bột Al2O3 và khảo sát
độ suy giảm cường độ sóng điện từ ở dải tần 7,5 -12 GHz. Một nhóm các cán bộ thuộc
Viện Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc Phòng) đã nghiên cứu về tính chất hấp thụ sóng radar
băng tần X của một số vật liệu nano tổ hợp [1, 59]. Cùng với các đề tài nghiên cứu cơ
bản, một số luận án tiến sĩ cũng đã được thực hiện và bảo vệ thành công trong lĩnh vực


⃗ =𝜌
𝛻𝐷

(1.3)

⃗ =0
𝛻𝐵

(1.4)

⃗ ,𝐷
⃗ ,𝐵
⃗ là các véc-tơ trường điện từ; 𝐽, 𝜌 là véc-tơ mật độ dòng điện và
Với 𝐸⃗ , 𝐻
mật độ điện tích khối.
Giả sử, hai môi trường bất kỳ được phân cách bởi một diện tích S, trên đó mật độ
điện tích và dòng điện mặt lần lượt là σS và JS, các véc-tơ điện trường và từ trường lần
⃗ 1, 𝐻
⃗ 1, 𝐵
⃗ 1 , 𝐸⃗2 , 𝐷
⃗ 2, 𝐻
⃗ 2, 𝐵
⃗ 2 , ta có điều kiện biên đối với các thành phần tiếp
lượt là 𝐸⃗1 , 𝐷
tuyến và pháp tuyến của véc-tơ điện trường và véc-tơ từ trường như sau:
Với véc-tơ từ trường:
H1t – H2t = JS, B1n = B2n
(1.5)
Khi hai môi trường đều là chất điện môi thì JS = 0, do đó:

cho các ứng dụng sóng điện từ trong dải bước sóng milimet hay dải tần số GHz. Một
đặc điểm quan trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuất
hiện hiện tượng chồng chất sóng điện từ. Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đến
sự tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau. Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trong
các kỹ thuật phát thanh truyền hình và thông tin liên lạc không dây [46]. Mặt khác, nhiễu
điện từ không mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũng
đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong các ứng dụng thực tế. Tương tác của các
sóng điện từ truyền từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũng
như sự sai lệch thông tin trong truyền tải dữ liệu. Để khắc phục tình trạng này, việc sử
dụng các cấu trúc che chắn hoặc các vật liệu hấp thụ sóng điện từ là một giải pháp.
Trong phổ điện từ, vùng sóng vi ba được định nghĩa là sóng điện từ có tần số nằm
trong khoảng từ 300 MHz-300 GHz, tương ứng với bước sóng từ 1mm-1m. Các thiết bị
điện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất và
độ chính xác cao hơn so với các thiết bị sử dụng kỹ thuật tần số thấp thông thường [121].
Hơn nữa, tần số cộng hưởng của rất nhiều các nguyên tử, phân tử và hạt nhân nằm trong
vùng tần số sóng vi ba. Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng vi ba trong
các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật khác nhau như cảm biến từ xa, chuẩn đoán trong y học,


10
nấu ăn hoặc chế biến thực phẩm. Mặt khác, sóng vi ba không bị uốn cong bởi tầng điện
ly, do đó trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc giữa các vệ tinh được
truyền tải bằng sóng điện từ. Tuy nhiên, trên thực tế để chế tạo, phân tích và thiết kế các
hệ thống sử dụng sóng vi ba kể trên là một thách thức không nhỏ do các ứng dụng sóng
ngắn đòi hỏi các thiết bị điện tử phải có kích thước nhỏ hơn.
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng vi ba và ứng dụng tương ứng [75].
Tên dải

Tần số


X

8-12 GHz

Ku

12-18 GHz

- Đo độ cao vệ tinh

K

18-27 GHz

- Ít được sử dụng (Hấp thụ hơi nước)

Ka

27-40 GHz

- Lập bản đồ với độ phân giải rất cao
- Hệ thống giám sát sân bay

40-100+ GHz

- Thực nghiệm

Milimet

- Lập bản đồ, hệ thống radar hàng hải

của các ion, nguyên tử tùy thuộc vào các tính chất của vật liệu (độ từ tẩm và độ điện
thẩm) tại các vùng tần số xác định. Đây chính là cơ sở cho các hiện tượng tổn hao từ và
tổn hao điện môi chủ yếu được khai thác trong các vật liệu hấp thụ sóng vi ba hiện nay.
Khả năng phản xạ các tín hiệu điện từ từ bề mặt của vật thể theo hướng của nguồn
thu được xác định bằng đại lượng thiết diện phản xạ hiệu dụng, σ, được định nghĩa là tỉ
số giữa mật độ công suất sóng phản xạ, Sr (W/m2), trở lại từ bề mặt vật thể trong khoảng
cách r theo hướng sóng tới và mật độ công suất sóng ban đầu, St (W/m2), bị chặn lại bởi
vật thể:

 (m 2 ) 

4 r 2 Sr
St

(1.11)

Thực tế, Sr = Pr/(4πr2) với Pr là công suất sóng phản xạ, vì vậy phương trình
(1.11) có dạng:

 (m 2 ) 

Pr
St

(1.12)

Với các tấm kim loại phẳng, dày và có diện tích bề mặt lớn, thiết diện phản xạ
theo hướng sóng tới thường khá lớn do tính chất phản xạ toàn phần của kim loại. Tuy
nhiên, nếu tấm kim loại này được phủ một lớp vật liệu hấp thụ gần như hoàn hảo, nó sẽ
tán xạ rất ít bức xạ điện từ và do đó thiết diện phản xạ có giá trị rất nhỏ mặc dù vật thể