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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2019


1

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


Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Xuân Khuyến, TS. Bùi Sơn Tùng, TS.
Hoàng Vũ Chung và TS. Nguyễn Thanh Tùng đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá
trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên nhóm nghiên cứu vật liệu biến hóa
– Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, NCS.
Nguyễn Hoàng Tùng, TS. Nguyễn Thị Hiền, NCS. Nguyễn Văn Cường, NCS. Bùi
Hữu Nguyên, NCS. Nguyễn Văn Dũng đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian tôi
thực hiện đề tài nghiên cứu tại nhóm.
Tôi xin được gửi những tình cảm, sự yêu mến và lòng biết ơn đến các thầy cô,
anh, chị Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn đã hết lòng giúp đỡ, chia sẻ và động
viên tinh thần trong suốt thời gian tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học Viện Khoa học và
Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí và các thủ tục
hành chính trong suốt quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Sỹ quan Lục quân 1, Khoa Khoa học Tự
nhiên nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ
quan trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạo
điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận án.
NGHIÊN CỨU SINH

ĐẶNG HỒNG LƯU


4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................3

3.1.1. Cấu trúc hốc cộng hưởng .........................................................................50


5
3.1.2. Ảnh hưởng của tham số cấu trúc lên tính chất hấp thụ của vật liệu biến
hóa có cấu trúc MAC .........................................................................................53
3.2. Mở rộng dải tần số hoạt động của vật liệu biến hóa ................................. 56
3.2.1. Mở rộng dải tần hấp thụ của vật liệu biến hóa bằng hiệu ứng tương tác 56
3.2.2. Mở rộng dải tần hấp thụ bằng sử dụng hàng rào khuyết mạng ...............64
3.3. Kết luận ......................................................................................................... 67
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 ....................................................................................................68
4.1. Điều khiển tính chất hấp thụ sóng điện từ bằng kích thích quang .......... 69
4.1.1. Cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh ..........................................................70
4.1.2. Cấu trúc đĩa tròn bị khoét ........................................................................72
4.1.3. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ ...................................................75
4.2. Điều khiển vật liệu biến hóa hấp thụ bằng kích thích nhiệt ..................... 77
4.2.1. Tính chất nhiệt của vật liệu InSb .............................................................77
4.2.2. Điều khiển tần số và cường độ hấp thụ của cấu trúc vòng cộng hưởng ..78
4.3. Ứng dụng vật liệu biến hóa hấp thụ định hướng làm cảm biến ............... 80
4.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ở tần số THz ....................................81
4.3.2. Cấu trúc vật liệu biến hóa trong cảm biến protein phân tử bò .................82
4.3.3. Tính chất quang của vật liệu biến hóa .....................................................83
4.3.4. Tính chất cảm biến của vật liệu biến hóa ................................................84
4.4. Kết luận ......................................................................................................... 89
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
...................................................................................................................................90
5.1. Hấp thụ đa đỉnh dựa trên tương tác trường gần trong hiệu ứng EIT .... 90

tính

Cut-wire

CW

Dây bị cắt

Cut-wire pair

CWP

Cặp dây bị cắt

Defect metamaterial perfect
absorber

DMPA

Electromagnetically induced
transparency

EIT

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt
đối có khuyết mạng
Trong suốt cảm ứng điện từ

Fourier-transform infrared
spetroscopy

Metamaterial perfect absorber

MPA

Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt
đối

Scanning electron microscope

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Split-disk resonator

SDR

Đĩa cộng hưởng bị khuyết

Split-ring resonator

SRR

Vòng cộng hưởng có rãnh


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật liệu biến

Chiều dòng điện tương ứng trong trường hợp cộng hưởng từ và cộng hưởng điện [91]
...................................................................................................................................42
Hình 2.3. (a) Mặt cắt và (b) ảnh SEM của mẫu chế tạo ............................................46


8
Hình 3.1. Quá trình tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ .48
Hình 3.2. (a) Cấu trúc ô cơ sở với các tham số cấu trúc. (b) Sự phụ thuộc của tần số
hấp thụ vào bán kính đĩa tròn ....................................................................................49
Hình 3.3. (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc MAC; (c) So sánh phổ hấp thụ của cấu trúc
MA và MAC .............................................................................................................50
Hình 3.4. Phân bố từ trường trên MAC; (a) Tại tần số 15.77 THz; (b) 18.43 THz ..51
Hình 3.5. Phân bố mật độ dòng điện của MAC; (a, c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (b,
d) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz (a, b) và 18,43 THz (c, d) ...........52
Hình 3.6. Phân bố năng lượng tổn hao của MAC: (a, e) Trên lớp kim loại thứ nhất;
(b, f) Trên lớp điện môi thứ hai; (c, g) Trên lớp kim loại thứ ba, tại tần số 15,77 THz
(a- d) và 18,43 THz (e- h) .........................................................................................53
Hình 3.7. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và cường độ hấp thụ vào sự thay đổi giá
trị của (a) w1 và (b) w2 ..............................................................................................54
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của tỷ lệ bán kính đĩa tròn tại tâm đến tần số cộng hưởng và
cường độ hấp thụ .......................................................................................................55
Hình 3.9. (a) Cấu trúc MA; (b) Cấu trúc 5 đĩa tròn, chu kỳ a = 24 µm; chiều dày lớp
vàng tm = 0,1 µm; chiều dày lớp điện môi td = 0,8 µm; độ điện thẩm  = 3,1 ..........57
Hình 3.10. Phổ hấp thụ của MPA (5 đĩa tròn) so với MA (9 đĩa tròn) tại bán kính các
đĩa là R = RC = 2,7µm ...............................................................................................57
Hình 3.11. Sự phân bố mật độ dòng điện bề mặt; (a-c) Trên lớp kim loại thứ nhất; (df) Lớp kim loại thứ ba, tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz
...................................................................................................................................58
Hình 3. 12. (a-c) Phân bố từ trường trên MPA; (d-f) Phân bố điện trường trên MPA
tại các tần số: (a, d) 14,6 THz; (b, e) 15,4 THz; (c, f) 15,8 THz ..............................59
Hình 3.13. Mạch điện tương đương của MPA; (a) tương ứng với tần số f 2, f3 theo

bố điện trường (c) và từ trường (d) của MMA tại 10,8 THz của MPA cấu trúc SDR
khi R2 = 0 ...................................................................................................................74
Hình 4.7. Phân bố dòng điện bề mặt, cường độ điện trường và từ trường của các đĩa
bị khuyết trong MPA tại 15,6 THz (a-c) và 22,6 THz (d-f) khi R2=4,8 µm .............75
Hình 4. 8. Cường độ hấp thụ của MPA cấu trúc SRR phụ thuộc vào độ dẫn của VO 2
...................................................................................................................................76
Hình 4. 9. Cường độ hấp thụ và tần số hấp thụ của MPA có cấu trúc SDR phụ thuộc
vào độ dẫn của VO2 ...................................................................................................76
Hình 4. 10. Sự phụ thuộc của tần số plasma và nồng độ hạt tải vào nhiệt độ của vật
liệu InSb ....................................................................................................................78
Hình 4. 11. (a) Vật liệu MPA cấu trúc SRR kết hợp với InSb; (b) Sơ đồ mạch điện
tương đương ..............................................................................................................79
Hình 4. 12. Tần số và độ hấp thụ của MPA thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ ..........80
Hình 4. 13. (a) Minh họa mẫu MM; (b) Mặt cắt của mẫu; (c) Ảnh SEM của mẫu ..83
Hình 4.14. Kết quả (a) đo đạc; (b) Mô phỏng phổ truyền qua của MM; (c) Mô phỏng
phân bố điện từ trong MM ở mode kích thích M1 và M2. Thang đo màu trong hình
4.14(c) biểu diễn sự tăng cường của trường điện và trường từ so với trường điện từ


10
ban đầu; các mũi tên đánh dấu giá trị cực đại của sự tăng cường ở mode kích thích
M1 ..............................................................................................................................84
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 MM (vòng tròn đỏ) để trùng khớp giữa tín hiệu của protein và cộng hưởng
của MM. 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 MM và trên đế saphia; (c) Phổ cho phân tử DTTCI và RH6G đo cùng
điều kiện ....................................................................................................................86
Hình 4.16. Phụ thuộc của phổ truyền qua tương đối mô phỏng vào (a) tấn số cộng

sóng radio đến tia X, là căn bản cho sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền
thông. Vì vậy, các nhà khoa học luôn muốn tìm cách điều khiển sóng điện từ một
cách tùy biến để phục vụ những mục đích khác nhau của con người. Điều này đến
nay đã không còn nằm ngoài sức tưởng tượng với sự xuất hiện và phát triển nhanh
chóng của một loại vật liệu nhân tạo mới có tên gọi là vật liệu biến hóa
(metamaterials).
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. Vật liệu biến hóa được cấu trúc bởi các
giả nguyên tử (nguyên tử biến hóa, 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, vật liệu biến hóa 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 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 hoàn toàn sóng điện từ với kích thước rất nhỏ so với bước sóng nên
có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu biến hóa tập trung trong vùng tần số
viba (GHz) do những thuận lợi trong chế tạo và đo đạc các tính chất của vật liệu. Có
thể kể đến nhóm nghiên cứu của PGS. TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; PGS. TS. Trần Mạnh Cường, Khoa
Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; PGS. TS. Vũ Văn Yêm, Khoa Điện tử viễn
thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; PGS. TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa,
Trường Đại học Vinh. Từ năm 2009 đến nay, nhóm nghiên cứu về vật liệu biến hóa
của PGS. TS Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã cộng tác với Đại học Hanyang, Hàn Quốc và Đại học Leuven,


điện từ, bước đầu nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa trong vùng tần
số THz.
Đối tượng nghiên cứu của luận án: Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
vùng tần số THz.


13
Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận án được hoàn thành dựa trên
sự kết hợp giữa xây dựng mô hình vật lý, thiết kế cấu trúc bằng phần mềm mô phỏng.
Một số kết quả mô phỏng được so sánh với thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Luận án là một công trình nghiên
cứu cơ bản về khoa học vật liệu trình bày các kết quả nghiên cứu và khảo sát bước
đầu về thiết kế, chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động trong vùng
tần số THz. Kết quả chỉ ra khả năng điều khiển các tính chất của vật liệu biến hóa
một cách khoa học và lý giải cơ chế hoạt động bằng nhiều mô hình tương tác khác
nhau. Từ đó điều khiển tính chất của chúng bằng các tác động ngoại vi hay tương tác
vật lý. Đây là tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo ở vùng tần số cao, tiến tới làm
chủ công nghệ thiết kế, chế tạo vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng tần số THz, hồng
ngoại và nhìn thấy, định hướng cho các ứng dụng trong tương lai như cảm biến đo
protein.
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 chế tạo thành công vật liệu biến hóa hoạt động ở vùng THz
và đã chứng tỏ vật liệu biến hóa có khả năng tăng cường tín hiệu dao động của các
phân tử, bước đầu đã thử nghiệm sử dụng vật liệu biến hóa làm cảm biến dò phân tử
protein bò.
Luận án được chia thành 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan

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 [8–18].
Vật liệu biến hóa có những tính chất và hiệu ứng điện từ phi tự nhiên như chiết
suất âm [19-28], hiệu ứng Doppler ngược [29], phát xạ Cherenkov ngược [30] và siêu
thấu kính [8,31]. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu biến hóa không
chỉ tạo ra những hiệu ứng thú vị trên dải tần rộng của sóng điện từ mà còn đang dần
mở ra kỷ nguyên mới trong sự phát triển của các thiết bị điện từ và quang tử bằng
cách khai thác hiện tượng mới [32-35]. Vật liệu biến hóa hấp thụ tuyệt đối sóng điện
từ được sử dụng để tăng cường hiệu suất của pin mặt trời [36-38], làm cảm biến plasmon
[39-42] vi nhiệt kế [43] và truyền năng lượng không dây [44].
Sự tương tác của vật liệu tự nhiên với sóng điện từ bị chi phối chủ yếu bởi sự


15
tương tác với điện trường. Trong thực tế, đa số vật liệu tự nhiên tương tác yếu với từ
trường của sóng điện từ. Tuy nhiên, vật liệu biến hóa đã vượt qua giới hạn này, chúng
có thể tương tác mạnh với cả hai thành phần điện trường và từ trường. Hơn nữa, sự
lựa chọn tương tác có thể được thiết kế trong quá trình chế tạo tuân theo các định luật
vật lý, mở rộng các khả năng tương tác với sóng điện từ.

Hình 1.1. So sánh giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu thông thường và vật liệu biến
hóa: (a) Vật liệu truyền thống được cấu tạo từ nguyên tử; (b) vật liệu biến hóa được
hình thành từ các cấu trúc cộng hưởng nhân tạo gọi là các “giả nguyên tử” [3]
Hình 1.1 so sánh cấu trúc nguyên tử của vật liệu tự nhiên và vật liệu biến hóa.
Tương tự như nguyên tử của vật liệu tự nhiên, vật liệu biến hóa được xây dựng dựa
trên các cấu trúc cộng hưởng gọi là “giả nguyên tử” và mô hình hóa bằng mạch dao
động riêng LC, như trình bày trên hình 1.1 (b). Tính chất của vật liệu tự nhiên được
quyết định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử và sự sắp xếp của các nguyên tử trong
mạng tinh thể. Đối với vật liệu biến hóa, tính chất được tạo ra bằng cách thiết kế cấu
trúc mới. Hình dạng, cấu trúc, kích thước, sự định hướng và sắp xếp các giả nguyên

hóa lẫn nhau tuân theo bốn phương trình mà hiện nay gọi là hệ phương trình Maxwell.
Các khái niệm độ điện thẩm (ε) và độ từ thẩm (μ) trở thành đại lượng cơ bản để mô
tả sự tương tác của điện trường và từ trường với môi trường. Hơn nữa, khi nghiên
cứu sự lan truyền sóng điện từ, Maxwell đã phát hiện ra rằng ánh sáng là một sóng
điện từ. Sự kết nối giữa hai lĩnh vực, quang học và điện từ được tóm tắt bằng phương
trình rất đơn giản (còn gọi là quan hệ Maxwell):

n2 = 

(1.2)

Phương trình (1.2) thể hiện sự liên hệ giữa chiết suất (một đại lượng quang
học) với độ điện thẩm và từ thẩm của môi trường (hai đại lượng điện từ). Các môi
trường được mô tả bằng độ điện thẩm và độ từ thẩm có tính khái quát hoá, nên sự hấp
thụ ánh sáng trong vật liệu được mô tả bằng tổ hợp giá trị ε và μ. Một hạn chế trong
việc kiểm soát sự lan truyền của ánh sáng trong môi trường là chiết suất chỉ có giá trị
dương. Trên thực tế, môi trường chiết suất âm thường được coi là không tương thích
với mật độ quang học và không thể truyền tải ánh sáng. Do đó, thường được xem là
phi vật lý. Tuy nhiên, những hệ quả của tính toán lý thuyết cho thấy rằng chiết suất
âm hoàn toàn có thể xảy ra với điều kiện môi trường và yếu tố cần thiết khác [4].
Cho đến nay, vật liệu biến hóa là hướng nghiên cứu mới mẻ và có nhiều hứa
hẹn với nhiều ứng dụng. Mỗi năm, hàng nghìn bài báo khoa học được công bố với


17
cụm từ “vật liệu biến hóa - metamaterials” trong tiêu đề hoặc từ khóa. Số liệu bài báo
thống kê với từ khóa “metamaterial” tính đến tháng 10/2018 theo Google scholar
được trình bày trên hình 1.2. Các công bố nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu biến hóa
ngày càng tăng, hiện nay có trên 10.000 bài báo trong một năm.


(1.4)


18
Từ phương trình (1.3) và (1.4) ta có thể thấy rằng với sự thay đổi một cách
đồng thời dấu của ε và μ sẽ không ảnh hưởng đến mối tương quan giữa n2 và k2. Do
môi trường không tổn hao nên  ij =  ij và ij =  ij , với  ,  là các số thực. Từ
phương trình (1.4), dễ thấy khi  ,  trái dấu nhau, giá trị k hoàn toàn là ảo. Khi đó,
sóng điện từ không thể truyền trong môi trường và sẽ tắt dần. Mặc dù vậy, phương
trình (1.4) không cho ta biết sự khác biệt giữa hai trường hợp ε và μ cùng dương hoặc
cùng âm.
Xét môi trường không có các dòng (j = 0) và các điện tích tự do (  = 0 ). Điện
trường và từ trường được biểu diễn dưới dạng sóng phẳng:

E(r , t ) = E0ei[ kr −t ] , H(r , t ) = H 0ei[ kr −t ]

(1.5)

Hệ phương trình Maxwell có thể viết dưới dạng:

kH = −

k E =


c

E



biệt chính giữa trường hợp vật liệu có ε và μ cùng âm với trường hợp vật liệu có hai
giá trị ε và μ cùng dương. Nói chung, vật liệu có thể được phân loại theo giá trị của
các tham số điện thẩm và từ thẩm như giản đồ hình 1.3 [46].

Hình 1.3. Phân loại vật liệu theo độ điện thẩm ε và độ từ thẩm μ
Theo đó, tại góc phần tư thứ nhất là các vật liệu thông thường có cả hai thành
phần độ điện thẩm và độ từ thẩm dương (   0,   0 ). Sóng điện từ có thể lan truyền
được trong vật liệu này với ba vector E, H, k lập thành một tam diện thuận theo quy
tắc bàn tay phải (right-handed rule). Độ tổn hao của sóng điện từ phụ thuộc vào thành
phần và cấu tạo của vật liệu. Mỗi vật liệu có chiết suất không đổi với các tính chất
vật lý và hóa học là do cấu trúc điện tử của nguyên tử. Các tính chất quang, nhiệt,
điện từ, … của từng vật liệu cũng như hợp chất của chúng đã được biết và nghiên cứu
trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, bằng cách sắp xếp tuần hoàn các vật liệu có chiết
suất khác nhau theo một trật tự nhất định như tinh thể quang tử (photonic crystals),
chúng ta có thể tạo ra môi trường với những tính chất mới lạ có khả năng điều khiển
ánh sáng.
Góc phần tư thứ hai của giản đồ thể hiện vật liệu có độ điện thẩm âm và độ từ
thẩm dương ( < 0,  > 0), đó là plasma của điện tích. Chúng được biết là một màn
chắn plasma không cho sóng điện từ truyền qua. Thật vậy, tất cả các sóng điện từ đều
bị dập tắt trong plasma và không cho phép các mode lan truyền. Điều này được thể


20
hiện trực tiếp bằng mối liên hệ cấu thành được rút gọn cho sóng phẳng

 2
0
k.k =
c2


nào tồn tại. Do không có các đơn cực từ, nên không có lời giải chính xác tương tự
như trường hợp plasma. Tuy nhiên, một số vật liệu phản sắt từ, vật liệu sắt từ có độ
từ thẩm âm tại tần số cộng hưởng ở dải tần số thấp (microwave) và hầu hết bị dập tắt
ở vùng tần số lớn hơn GHz. Đặc biệt trong lĩnh vực quang học, theo Landau và
Lifshitz việc đề cập đến tính chất từ được coi là không có ý nghĩa vật lý [47]. Điều
này được giải thích là do thành phần từ của sóng điện từ tương tác với nguyên tử yếu
hơn rất nhiều so với thành phần điện tại tần số quang học. Tương tác từ với nguyên
tử tỉ lệ thuận với từ trường Bohr  B =

e
=  ea0 , trong khi tương tác điện là ea0
2me c


21
với hằng số cấu trúc tinh tế α ≈ 1/137. Như vậy, hiệu ứng của sóng điện từ tác dụng
lên độ từ thẩm yếu hơn α2 lần so với thành phần điện. Một lý do quan trọng khác là
các dịch chuyển lưỡng cực từ chỉ được phép giữa các trạng thái với cùng chỉ số không
gian trong hàm sóng [48]. Hiệu năng lượng giữa hai trạng thái như vậy lại nhỏ hơn
rất nhiều so với năng lượng của photon.
Khi truyền trong môi trường có một trong hai thành phần từ thẩm hoặc điện
thẩm có giá trị âm và thành phần còn lại có giá trị dương, sóng điện từ nhanh chóng
bị dập tắt do bị hấp thụ tổn hao năng lượng. Trong luận án này, chúng tôi tập trung
nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu hấp thụ tuyệt đối dựa trên cơ sở hấp thụ cộng
hưởng điện và cộng hưởng từ.
Tại góc phần tư thứ ba, độ điện thẩm và độ từ thẩm của môi trường đều có giá
trị âm (   0,   0 ). Giống như môi trường chiết suất dương, sóng điện từ cũng có
thể lan truyền và có tổn hao. Hiện tượng khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môi
trường được mô tả bằng định luật Snell, mối liên hệ giữa góc tới θi, góc khúc xạ θr và
chiết suất:

vào lý thuyết môi trường hiệu dụng, 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. Việc
coi vật liệu biến hóa là các thành phần riêng lẻ hay một khối đồng nhất thực chất là
hai mặt của cùng một vấn đề được liên kết với nhau bởi thuật toán truy hồi (retrieval
algorithms). Trong nghiên cứu vật liệu biến hóa, ta giả thiết rằng tương tác của môi
trường không đồng nhất với sóng điện từ có thể được mô tả chỉ bằng hai thông số
phức ε và μ. 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. Tính trung bình được chia thành hai cấp. Ở cấp thứ nhất, các ô cơ
sở của vật liệu là tương đối lớn so với kích thước các phân tử, do vậy ta có hệ phương
trình Maxwell đối với từng vật liệu thành phần:
E = −

1 B
c t

(1.12)


23
H =

1 D
c t

D = 0
 B = 0

Trong đó D =  0 r E và B = 0 r H với

 eff −  m
 −
= fi i m
 eff + 2 m
 i + 2 m
 eff =  m

2(1 − fi ) m + (1 + 2 fi ) i
(2 + fi ) m + (1 − fi ) i

(1.15)

(1.16)

Tuy nhiên, giới hạn bước sóng để có thể áp dụng được lý thuyết môi trường
hiệu dụng đối với vật liệu biến hóa cho đến nay vẫn còn là một vấn đề còn nhiều tranh
cãi. Một số nghiên cứu gần đây [50,51] cho thấy bằng việc sử dụng cấu trúc lõi vỏ
dạng cầu với điều kiện sóng điện từ chiếu đến không bị tán xạ, lý thuyết môi trường


24
hiệu dụng có thể được áp dụng khi sóng điện từ chiếu đến có bước sóng chỉ lớn hơn
1,3 lần hằng số mạng.
1.4. Vật liệu biến hóa chiết suất âm
Dựa trên ý tưởng ban đầu của Veselago [4], vật liệu chiết suất âm là sự kết
hợp hoàn hảo của hai thành phần điện và từ, tạo nên vật liệu đồng thời có độ từ thẩm
âm và độ điện thẩm âm (μ < 0, ε < 0). Tuy nhiên việc tìm ra các loại vật liệu có giá
trị âm của các thông số này trên cùng một dải tần số lại không hề đơn giản và đã làm
nản lòng các nhà khoa học trong suốt một thời gian dài khiến cho phát hiện của
Veselago không nhận được nhiều sự quan tâm. Cho tới khi Pendry và cộng sự công