1. Cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ băng thông rộng
Hình 1. (a) Sơ đồ minh họa của bề mặt (metasurface-MS) của cấu trúc vật liệu biến hóa hấp thụ băng thông rộng, (b) ô đơn vị, (c) phổ hấp thụ ở cả hai chế độ TE và TM.
Việc hấp thụ sóng điện từ trong dải tần số băng thông rộng với độ nhạy phân cực và tính độc lập của góc tới là rất cần thiết trong các ứng dụng công nghệ hiện đại. Nhiều cấu trúc dựa trên siêu vật liệu đã được đề xuất để giải quyết các yêu cầu này; những cấu trúc này là những cấu trúc đa lớp phức tạp hoặc sử dụng các vật liệu đặc biệt hoặc các bộ phận điện bên ngoài, chẳng hạn như các bộ phận điện trở. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một cấu trúc metasurface được chế tạo đơn giản bằng cách sử dụng kỹ thuật bảng mạch in tiêu chuẩn nhưng mang lại khả năng hấp thụ cao trên 90% trong dải tần số băng thông rộng từ 12,35 đến 14,65 GHz, như quan sát trên Hình 1. MS bao gồm các ô đơn vị cấu trúc gồm 4 cấu trúc đối xứng được lắp ráp bằng mẫu thanh kim loại, tạo ra sự hấp thụ băng thông rộng bằng cách sử dụng tương tác điện trở phẳng trong mẫu mà không có thành phần điện trở thực. Các kết quả phân tích, mô phỏng và đo lường cho thấy metasurface cũng không nhạy cảm với phân cực và vẫn duy trì độ hấp thụ trên 90% ở các góc tới lên tới 45o. MS được đề xuất đóng một vai trò trong thiết kế cơ bản và cũng có thể được sử dụng để thiết kế các bộ hấp thụ ở các dải tần số khác nhau. Hơn nữa, việc nâng cao hơn nữa hiệu suất hấp thụ đạt có thể đạt được bằng cách cải tiến thiết kế và kỹ thuật chế tạo giúp sớm tích hơp vật liệu biến hóa trong các ứng dụng dân sự và quân sự.
2. Điều khiển tính chất của vật liệu biến hóa có từ thẩm âm và chiết suất âm bằng tác động ngoại vi
Chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế một cấu trúc vật liệu biến hóa tích hợp graphene nhằm điều khiển đặc tính chiết suất âm trong dải tần số terahertz. Bằng cách thay đổi thế hóa học của graphene trong khoảng từ 0,0 đến 1,0 eV, chúng tôi đã chứng minh khả năng kiểm soát linh hoạt đặc tính chiết suất âm, cho phép chuyển đổi dễ dàng giữa chế độ cho phép sóng điện từ truyền qua trong vùng tần số mà vật liệu thể hiện đặc tính chiết suất âm (ở 0,0 eV) và chế độ sóng điện từ bị phản xạ (ở 0,8 eV) bằng graphene tích hợp cấu trúc lưới đĩa ở nhiệt độ phòng, như quan sát trên Hình 2. Khả năng điều chỉnh mật độ hạt tải của graphene cho phép tạo ra tương tác điện-từ mong muốn giữa cấu trúc vật liệu biến hóa và sóng điện từ trong vùng THz. Ngoài ra, chúng tôi đã nghiên cứu tác động của sự thay đổi nhiệt độ lên vật liệu biến hóa khi đặt điện áp ngoài. Thông qua các mô phỏng mở rộng sử dụng kỹ thuật tích phân hữu hạn (FIT), chúng tôi đã xác định khả năng điều chỉnh vùng tần số có chiết suất âm trong thiết kế vật liệu biến hóa đã được đề xuất. Phát hiện của chúng tôi mở ra tiềm năng ứng dụng và phát triển các thiết bị điện tử terahertz có khả năng hoạt động đa chức năng.
Hình 2. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua và phần thực của chiết suất, độ điện thẩm và từ thẩm của (a) cấu trúc lưới đĩa; cấu trúc tích hợp graphene với (b) EF = 0,0 eV (c) và EF = 0,8 eV.
3. Điều khiển đặc tính hấp thụ và phân cực của vật liệu biến hóa (metamaterials) bằng điện áp ngoài
Hình 3. (a) Thiết kế của ô đơn vị được đề xuất với các tham số tối ưu và cấu hình đo tương ứng bằng cách sử dụng Máy phân tích mạng vectơ ZNB20 (1 – 18 GHz). Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của (b) hệ số phản xạ phân cực đồng trục Ruu và phân cực vuông góc Rvu; (c) PCR tương ứng của MM tích hợp khi điện áp phân cực thay đổi từ 0 V đến -19 V.
Trong năm qua, hướng nghiên cứu về vật liệu biến hóa (metamaterials) định hướng tới các thiết bị có thể điều chỉnh, thông minh và đa chức năng. Cụ thể, các công trình tập trung triển khai xây dựng chức năng chuyển đổi giữa trạng thái hấp thụ và PC trong cấu trúc MM bằng cách tích hợp đi-ốt biến dung, như quan sát trên Hình 3. Trong đó, các đi-ốt được tích hợp trên cấu trúc cộng hưởng của MM và được điều chỉnh bằng điện áp ngoài nhằm cho phép chuyển đổi giữa khả năng hấp thụ và khả năng chuyển đổi phân cực .Cấu trúc MM được đề xuất, gọi là cấu trúc MM tích hợp, với ô đơn vị được tối ưu hóa như thể hiện trong Hình 3(a) và được đánh giá thực nghiệm bằng hệ phân tích mạng VNA đã được trang bị tại Viện. sự phụ thuộc của hệ số phản xạ phân cực đồng trục và phân cực vuông góc, PCR và sự hấp thụ tổng của MM lai vào điện áp phân cực (từ -19 V đến 0) được thể hiện trong Hình 3(b) và 3(c). PCR tăng dần khi độ lớn của điện áp phân cực giảm và đạt gần 90% khi V = -19 V được biểu diễn trong Hình 1(b). Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của đi-ốt biến dung trong việc chuyển đổi giữa các trạng thái hấp thụ và PC. Kết quả PCR thực nghiệm đo được lần lượt đạt 81,5% (tại 3,5 GHz) và 85,2% (3,6 GHz) ở điện áp phân cực 0 V và -4 V. Một số các ứng dụng có thể phát triển như bộ lọc tần số, cảm biến, viễn thông và vệ tinh.
4. Tăng cường hiệu suất truyền dẫn sóng cảm ứng từ trong cấu trúc vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm không đồng nhất hai chiều
Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát sự truyền dẫn của sóng cảm ứng từ (Magneto-inductive wave - MIW) trong cấu trúc vật liệu biến hóa có độ từ thẩm âm. Tấm vật liệu biến hóa không đồng nhất bao gồm 9 × 9 ô cơ sở được chế tạo từ cấu trúc 5 vòng xoắn trên đế FR-4, như quan sát trên Hình 4. Các tụ điện có giá trị 40 hoặc 50 pF được gắn vào để điều khiển tần số cộng hưởng của mỗi ô cơ sở. Các ô cơ sở được gắn với tụ điện 50 pF sẽ dao động với tần số 18 MHz, trong khi các ô cơ sở được gắn với tụ điện 40 pF sẽ dao động với tần số 20 MHz. Các ô cơ sở dao động ở tần số cao hơn sẽ hình thành nên hốc cộng hưởng có khả năng định xứ từ trường vào một vùng nhỏ hơn rất nhiều bước sóng của sóng cảm ứng từ. Do khả năng giam giữ từ trường mạnh của hốc cộng hưởng, sóng cảm ứng từ lan truyền trong cấu trúc vật liệu biến hóa không đồng nhất hiệu quả hơn rất nhiều so với cấu trúc vật liệu biến hóa đồng nhất. Ngoài ra chúng tôi còn nghiên cứu phát triển các phương pháp truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng cộng hưởng từ trong các môi trường dẫn điện và sử dụng vật liệu biến hóa để tăng cường hiệu suất truyền dẫn.
Hình 4. (a) Chuỗi ô cơ sở vật liệu biến hóa dẫn truyền sóng cảm ứng từ, (b) tấm vật liệu biến hóa 2 chiều với các tụ điện gắn ngoài khác nhau, (c) kết qua đo đạc hệ số truyền dẫn trên tấm vật liệu biến hóa đồng nhất, (d) kết quả đo đạc hệ số truyền dẫn trên tấm vật liệu biến hóa không đồng nhất.
Bên cạnh các nghiên cứu nổi bật như trên, một số hướng nghiên cứu khác cũng được khảo sát như vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ, vật liệu biến hóa tích hợp graphene nhằm mở rộng dải tần hấp thụ và vật liệu biến hóa có cấu trúc origami để điều khiển tính chất hấp thụ sóng điện từ.
[1]. Pham Duy Tan , Duong Thi Ha, Bui Son Tung , Bui Xuan Khuyen , Do Thuy Chi , Vu Dinh Lam , Liangyao Chen , Haiyu Zheng and Youngpak Lee, Recoverable Broadband Absorption Based on Ultra‐Flexible Meta‐Surfaces, Crystals 12, 1817 (2023).
[2]. Tran Van Huynh, Vu Dinh Lam, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Nguyen Thanh Tung, Controlling THz Absorption Properties of Metamaterials Based on Graphene Journal of Electronic Materials 52, 5719-5276 (2023).
[3]. H. A. Nguyen, B. S.Tung, X. C. Nguyen, V. D. Lam, T. H. Nguyen, B. X. Khuyen, “Tunable dynamic metamaterial for negative refraction”Journal of Physics and Chemistry of Solids, 186 (2024), 111804.
[4]. Le Van Long, Dinh Ngoc Dung, Pham Thanh Son, Nguyen Thanh Tung, Vu Thi Hong Hanh, Duong Thi Ha, Do Thuy Chi, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, and Vu Dinh Lam, “Robust Reversion of Dual-band Polarization Conversion and Absorption Based on Flexible Metamaterial”, Journal of the Physical Society of Japan 92, 024801 (2023).
[5]. Tang Xuan Duong ,Do Khanh Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Thi Ngoc Anh, Bui Son Tung, Vu Dinh Lam, Liangyao Chen, Haiyu Zheng and Young Pak Lee, Enhanced Electromagnetic Wave Absorption Properties of FeCo-C Alloy by Exploiting Metamaterial Structure, Crystals 13, 1006 (2023).
[6]. Pham Duy Tan, Duong Thi Ha, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Do Thuy Chi, Vu Dinh Lam, Liangyao Chen , Haiyu Zheng and Youngpak Lee, “Recoverable Broadband Absorption Based on Ultra‐Flexible Meta‐Surfaces”, Crystals 12, 1817 (2022).
[7]. Le Thi Hong Hiep, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Quang Minh Ngo, Vu Dinh Lam and Thanh Son Pham, Flexible Magnetic Metasurface with Defect Cavity for Wireless Power Transfer System, Materials 15(19), 6583 (2022).
[8]. Le Van Long, Nguyen Hoang Tung, Trinh Thi Giang, Pham Thanh Son, Nguyen Thanh Tung, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, and Vu Dinh Lam, Rotary bi-layer ring-shaped metamaterials for reconfiguration absorbers, Applied Optics 61, 9078-9084 (2022).
[9]. Le Thi Hong Hiep, Thanh Son Pham, Bui Xuan Khuyen, Bui Son Tung, Quang Minh Ngo, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thai Minh and Vu Dinh Lam, Enhanced transmission efficiency of magneto-inductive wave propagating in non-homogeneous 2-D magnetic metamaterial array, Physica Scripta 97, 025504 (2022).
[10]. Thi Ngoc Anh Nguyen, Q.N. Pham, M. Fukumoto, M. Goto, R. Okuno, H. Tomita, H. Kubota, A. Fukushima, K. Yakushiji, T. Watakabe, S. Hasebe, D.D. Lam, K.T. Do, T.H. Nguyen, H.K. Vu, D.L. Vu, Y. Suzuki, “Low frequency 1/f noise in deep-submicron sized magnetic tunnel junctions”, J. Appl. Phys. 129 (2021) 024503.
[11]. Man Hoai Nam, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Duong Thi Ha, Nguyen Van Ngoc, Manh Cuong Tran, Dac Tuyen Le, Vu Dinh Lam, Liangyao Chen, Haiyu Zheng and YoungPak Lee, “Graphene-Integrated Plasmonic Metamaterial for Manipulation of Multi-Band Absorption, Based on Near-Field Coupled Resonators”, Crystals 12, 525 (2022)..
[12]. Duong Thi Ha, Dinh Ngoc Dzung, Nguyen Van Ngoc, Bui Son Tung, Thanh Son Pham, YoungPak Lee, Liang Yao Chen, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, “Switching between perfect absorption and polarization conversion, based on hybrid metamaterial in the GHz and THz bands,” J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 234003 (2021).
[13]. Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Young Ju Kim, Ji Sub Hwang, Vu Dinh Lam, Liang-Yao Chen &YoungPak Lee, “Manipulation of the near-field coupling in metamaterial for multi-band absorber,” Waves in Random and Complex Media 31, 2290-2300 (2021).
[14]. Man Hoai Nam, Vu Thi Hong Hanh, Nguyen Ba Tuong, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Vu Dinh Lam, Liang Yao Chen, Young Pak Lee, “Multi-Band Electromagnetically-Induced-Transparency Metamaterial Based on the Near-Field Coupling of Asymmetric Split-Ring and Cut-Wire Resonators in the GHz Regime,” Crystals 11(2), 164 (2021).
[15]. Long, L.V.; Khiem, N.S.; Tung, B.S.; Tung, N.T.; Giang, T.T.; Son, P.T.; Khuyen, B.X.; Lam, V.D.; Chen, L.; Zheng, H.; et al. “Flexible Broadband Metamaterial Perfect Absorber Based on Graphene-Conductive Inks”. Photonics, 8, 440 (2021).
[16]. Duong Thi Ha, Vu Thi Hong Hanh, Bui Son Tung, Nguyen Hien, Dinh Ngoc Dung, Bui Xuan Khuyen, LiangYao Chen, YoungPak Lee and Vu Dinh Lam, “Ultrathin hybrid absorber based on high-order metamaterial,” J. Opt. 23 095101 (2021).
[17]. Thi Hien Nguyen, Son Tung Bui, Xuan Ca Nguyen, Dinh Lam Vu, and Xuan Khuyen Bui, Tunable broadband-negative-permeability metamaterials by hybridization at THz frequencies, RSC Adv. 10, 28343 (2020)
[18]. Tran Van Huynh, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Son Tung Ngo, Vu Dinh Lam, Nguyen Thanh Tung, “Controlling the absorption strength in bidirectional terahertz metamaterial absorbers with patterned graphene”, Computational Materials Science 166, 276-281 (2019).