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:


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

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

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

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

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



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

(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



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


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

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

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).