Phòng Vật liệu Biến hóa và Ứng dụng

PHÒNG VẬT LIỆU BIẾN HÓA VÀ CẢM BIẾN  

Chức năng: Nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu biến hóa, cảm biến và những lĩnh vực khác có liên quan. Nhiệm vụ: - Nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ và triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu trong những lĩnh vực được quy định theo chức năng. - Đào tạo nhân lực trình độ cao theo các chuyên ngành Viện được cấp phép và phù hợp với chức năng của Phòng. - Hợp tác trong nước và quốc tế theo các thoả thuận Viện đã ký kết. - Quản lý nhân lực, tài sản, vật tư theo các quy định hiện hành của Nhà nước và của Viện. - Thực hiện các nhiệm vụ khác do Viện trưởng giao. Hướng nghiên cứu chính: - Kiểm soát linh hoạt cơ chế tương tác giữa trường điện từ và cấu trúc vật liệu tiên tiến dưới nhiều điều kiện khắc nghiệt: Hiệu ứng hấp thụ tuyệt đối sóng điện từ dải hẹp/dải rộng ở kích thước siêu nhỏ (U-MPAs); Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ cho truyền qua dải hẹp (N-EIT); Hiệu ứng giam giữ sóng điện từ trong phổ liên tục (BIC); hiệu ứng tái cấu hình (Geometry-induced tunable electromagnetic response). - Làm chủ về: công nghệ thiết kế, chế tạo; công nghệ tối ưu-phân tích-sàng lọc dữ liệu dựa trên nền tảng học máy (AI); công nghệ tích hợp linh kiện – cảm biến trên hệ thống công nghệ hiện đại liên quan đến vật liệu biến hoá. - Xây dựng được đội ngũ nghiên cứu mạnh do có kết hợp chặt chẽ của các nhóm nghiên cứu nhiều kinh nghiệm và đều là chuyên gia cho phát triển hướng nghiên cứu mới, tiên phong về vật liệu metamaterials và cảm biến. - Hạ tầng MS-IoTs kết nối đa cảm biến không dây tích hợp metamaterials, giám sát môi trường theo thời gian thực với độ chính xác cao trong giám sát môi trường ở điều kiện khắc nghiệt. - Hạ tầng quản lý/truyền dẫn/tích trữ năng lượng không dây tích hợp vật liệu metamaterials (MM-WPTs, MM-TPVs) cho các thiết bị công suất thấp – trung bình. - Công nghệ ngụy trang đa phổ S-MPAs: hấp thụ sóng điện từ vùng tần số sóng radar đồng thời phát xạ thấp vùng hồng ngoại cho ứng dụng quốc phòng-an ninh. - Tùy vào đối tượng áp dụng, kỹ thuật học máy (AI) sẽ góp phần tăng cường hiệu suất hoạt động của các hẹ thống trên trong khâu thiết kế, đánh giá, thu thập và phân tích dữ liệu đo trong thời gian thực.

Thông tin liên hệ của Trưởng phòng - Chức danh khoa học, tên đầy đủ: GS. TS. Nguyễn Thanh Tùng - Địa chỉ phòng làm việc: Phòng: 321, Nhà: A2 - Số điện thoại di động: 0912 994 444 - Email: tungnt@ims.(*) - Chú ý thay (*) = vast.ac.vn

DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ CỘNG TÁC VIÊN

CÁC THÀNH TỰU CHÍNH

1. Kết quả nghiên cứu cơ bản đột phá

1.1. 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(a). 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.

1.2. 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 1(b). 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.

1.3. Điều khiển đặc tính hấp thụ và phân cực của vật liệu biến hóa (metamaterials) bằng điện áp ngoài

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 1(c) 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 1(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(c). 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.

1.4. 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 1(d). 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.

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.

2. Nghiên cứu và phát triển công nghệ có tính khả thi

2.1. Thiết bị đo khí H2 có các tính năng và thông số kỹ thuật được tổng hợp như sau:

-   Dải đo: 0-100%LEL

-   Độ phân giải: 1%LEL

-   Sai số: <5%LEL

-   Thiết bị có khả năng đo và cảnh báo liên tục tại hiện trường cần phân tích (1s hiện thị kết quả 1 lần bằng LED 7 đoạn).

-   Nguồn nuôi 5V-200mA

-   Ghép nối máy tính PC và ghép nối với hệ thống mạng cảnh báo qua RS485.

-   Phần mềm (kèm theo) để chỉnh chuẩn máy.

-   Thiết bị thiết kế cho ứng dụng trong môi trường hoạt động có nhiệt độ và độ ẩm trong khoảng: 0-50 oC, 0-95%RH.

Hệ thống có thể được thiết kế, lắp đặt số lượng lớn các đầu đo khí hydro tuỳ theo yêu cầu thực tế.

2.2. Hệ thiết bị giám sát, điều khiển nồng độ khí CO2 (sử dụng cảm biến đã chế tạo) dựa trên nền tảng IoT, triển khai ứng dụng trong một cơ sở nuôi trồng nấm ăn:

-  Hệ IoT cho giám sát và điều khiển tham số khí CO2 trong nuôi trồng nấm:

-  Hoạt động trực tuyến, thực hiện giám sát và điều khiển liên tục 24/24 nồng độ khí CO2 sử dụng cảm biến khí đã chế tạo (dải đo: 0-10000 ppm; độ lệch chuẩn: 50 ppm)

-  Thời gian đáp ứng/ cập nhật số liệu: < 2 phút;

-  Điều khiển on/off thiết bị ngoại: 04 cổng (quạt gió, phun sương, đèn chiếu sáng,...), đóng mở theo chế độ lập trình.

-  Khả năng truyền thông tin không dây (Wifi, GSM, LoRa,…);

-  Nguồn điện sử dụng: 220VAC

Hình 2. Minh họa hệ thống giám sát môi trường (cảm biến khí, nhiệt độ, độ ẩm) tích hợp vật liệu metamaterials trong môi trường thực tế.

CÁC CÔNG BỐ TIÊU BIỂU

[1] Hai Anh Nguyen, Thanh Son Pham, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Dac Tuyen Le, Hai Yen Vu, Dinh Lam Vu, Nguyen Thi Hien,“Metamaterials based on hyperbolic-graphene composite: A pathway from positive to negative refractive index at terahertz”, Computational Materials Science 248, 113574 (2025).

[2] Nguyen Ngoc Linh, Le Thi Hong Hiep, Nguyen Khanh Viet, Huu Nguyen Bui, Hai Anh Nguyen, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Thanh Son Pham and Vu Dinh Lam, “Patterned ground shielding for wireless power transfer system based on 1D metamaterial array in conductive media”, Physica Scripta, 100, 6 (2025).

[3] Bui Xuan Khuyen, Pham Duy Tan ,Bui Son Tung, Nguyen Phon Hai, ,Pham Dinh Tuan ,Do Xuan Phong, Do Khanh Tung, Nguyen Hai Anh, Ho Truong Giang, Nguyen Phuc Vinh, Nguyen Thanh Tung, Vu Dinh Lam, Liangyao Chen and YoungPak Lee, “Numerical Optimization of Metamaterial-Enhanced Infrared Emitters for Ultra-Low Power Consumption”, Photonics, 12(6), 583 (2025)

[4] Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Ngoc, Dinh Ngoc Dung, Nguyen Phon Hai, Nguyen Thanh Tung, Bui Son Tung, Vu Dinh Lam, Ho Truong Giang, Pham Duy Tan, Liangyao Chen, “Dual-band infrared metamaterial perfect absorber for narrow-band thermal emitters”, Journal of Physics D: Applied Physics, 57, 28 (2024)

[5] 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, 111804 (2024).

[6] 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).

[7] 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, 2 (2022).

[8] 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).

[9] Hoang Thi Hien, Do Thi Anh Thu, Pham Quang Ngan, GIang Hong Thai, Do Thanh Trung, Man Minh Tan, Ho Truong Giang, “High NH3 sensing performance of NiO/PPy hybird nanostructures”, Sensors and Actuators B, 340, 129986 (2021).

[10] Do Thi Anh Thu, Vu Thai Ha, Ho Truong Giang, Pham Quang Ngan, Giang Hong Thai, Le Anh Thi, Man Minh Tan, Tran Dai Lam, “Bi2S3 Nanowires: First-Principles Phonon Dynamics and Their Photocatalytic Environmental Remediation”, The Journal of Physical Chemistry C, 125 4086-4091 (2021).

TRANG THIẾT BỊ CHÍNH