Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba của vật liệu meta (metamaterials)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
ĐỖ THÀNH VIỆT 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO 
VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ TUYỆT ĐỐI SÓNG VI BA 
CỦA VẬT LIỆU META (METAMATERIALS) 
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử 
Mã số: 62440123 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU 
Hà Nội – 2015 
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu 
 PGS. TS. Vũ Đình Lãm 
Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Văn Hội 
Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Kiên 
Phản biện 3: PGS. TS. Đào Ngọc Chiến 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường 
họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 
CỦA LUẬN ÁN 
Tạp chí trong nước 
[1] Tung, NT, Viet, DT, Tuong, PV, Lam, VD, Binh, NT and Hoai, PV (2010) Perspective of 
invisibility using metamaterials. Tạp Chí Nghiên Cứu KH & CN Quân Sự, 10, 65. 
[2] Đỗ Thành Việt, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Sơn Tùng, Lê Văn Quỳnh, Nguyễn Thị Hiền, Lê Thị 
Quỳnh et al. (2011) Thiết kế và chế tạo vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng viba trên cơ sở 
metamaterial. Kỉ Yếu Hội Nghị Toàn Quốc Lần Thứ 7 về Vật Lý Chất Rắn và Khoa Học Vật Liệu, 
TP Hồ Chí Minh. 
[3] Nguyen Thanh Tung, Do Thanh Viet, Le Thi Quynh, and Vu Dinh Lam (2012) Meta-magnetic cut-
wire-pair structures: A numerical study on the dielectric loss. Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học và 
Công Nghệ Quân Sự, 18. 
[4] Lam V D, Hien N T, Tuan N T, Viet D T, Tung N T, Lee Y P (2012) A broadband and nearly 
polarization-insensitive metamaterial absorber using multi-ring structure. IWAMSN 2012, 
Halong, Vietnam. 
[5] Nguyen Thi Hien, Bui Son Tung, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Van Dung, Do Thanh Viet, Lee 
Young Pak et al. (2013) Horizontally plasmon hybridization on symmetric-breaking metamaterials. 
Tạp Chí Khoa Học và Công Nghệ, 51, 371–7. 
[6] Do, TV, Nguyen Thi Hien, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Van Hieu and Vu Dinh Lam (2013) 
Nghiên cứu vật liệu hấp thụ hoàn hảo sóng vi ba trên cơ sở Metamaterial. Tạp chí nghiên cứu KH 
& CN Quân sự, Đặc san Vật lí kỹ thuật. 
Tạp chí nước ngoài 
[7] Thuy, VTT, Viet, DT, Hieu, NV, Lee, YP, Lam, VD and Tung, NT (2010) Triple negative 
permeability band in plasmon-hybridized cut-wire-pair metamaterials. Optics Communications, 
283, 4303–6.  
[8] Vu, DL, Pham, VT, Do, TV, Nguyen, TT, Vu, TTT, Le, VH et al. (2010) The electromagnetic 
response of different metamaterial structures. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and 
Nanotechnology, 1, 045016.  
[9] Viet, DT, Tung, NT, Hien, NT, Lee, YP, Tung, BS and Lam, VD (2012) Multi-plasmon resonances 
supporting the negative refractive index in “single-atom” metamaterials. Journal of Nonlinear 
Optical Physics & Materials, 21, 1250019.  
[10] Tung, NT, Viet, DT, Tung, BS, Hieu, NV, Lievens, P and Lam, VD (2012) Broadband Negative 
Permeability by Hybridized Cut-Wire Pair Metamaterials. Applied Physics Express, 5, 112001. 
[11] Do, TV, Bui, ST, Le, VQ, Nguyen, TH, Nguyen, TT, Nguyen, TT et al. (2012) Design, fabrication 
and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials. Advances in 
Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 3, 045014. 
6262/3/4/045014 
[12] Viet, DT, Hien, NT, Tuong, PV, Minh, NQ, Trang, PT, Le, LN et al. (2014) Perfect absorber 
metamaterials: Peak, multi-peak and broadband absorption. Optics Communications, 322, 209–13. 
[13] Viet, D T, Hieu, N V, Lam, V D and Tung, N T (2015) Isotropic Metamaterial Absorber Using 
Cut-wire-pair Structures. Applied Physics Express. Accepted 
1 
A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 
1. Tính cấp thiết của đề tài 
Để phát triển, hội nhập khoa học công nghệ với thế giới, 
trong điều kiện hiện tại, Việt Nam cần tìm cho mình những 
ngành nghiên cứu mũi nhọn. Trong mỗi ngành nghiên cứu cụ 
thể như Khoa học Vật liệu, cũng lại cần xác định các hướng 
nghiên cứu triển vọng, phù hợp với trình độ và điều kiện 
nghiên cứu trong nước, chiến lược này đóng vai trò then chốt 
nhằm giúp chúng ta có thể đạt hiệu quả tối đa trong nghiên 
cứu, phát triển khoa học công nghệ. 
Vật liệu Meta (Metamaterials) là một hướng nghiên cứu 
mới chỉ phát triển mạnh từ đầu thế kỷ 21. Tuy nhiên, với các 
kết quả kỳ thú và tiềm năng sớm được công bố như vật liệu 
chiết suất âm, tàng hình sóng điện từ, siêu thấu kính, hấp thụ 
tuyệt đối... vật liệu Meta đã và đang tiếp tục được tập trung 
nghiên cứu sâu rộng. 
 Thêm vào đó, điều kiện nghiên cứu cần thiết của vật liệu 
Meta tùy thuộc vào vùng tần số hoạt động, chính vì vậy ở 
những nước có điều kiện nghiên cứu chưa phát triển vẫn có thể 
triển khai nghiên cứu loại vật liệu này, trong những vùng tần số 
hoạt động phù hợp. 
Nhánh nghiên cứu Vật hiệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng điện 
từ thu hút được nhiều sự quan tâm, đặc biệt là cho mục đích 
quân sự. Với khả năng hấp thụ gần như toàn bộ sóng điện từ tới 
ở một, vài tần số, vùng tần số định trước, vật liệu Meta hấp thụ 
tuyệt đối sóng điện từ có triển vọng ứng dụng trong chế tạo cảm 
biến, biến đổi năng lượng, và đặc biệt trong quân sự là các ứng 
2 
dụng ngụy trang, Radar... Cho đến nay, nghiên cứu vật liệu 
Meta là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới nhưng rất triển vọng 
và phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. 
2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
* Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: 
i) Đưa ra đượcphương pháp nghiên cứu và công nghệ chế 
tạo vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba. 
ii) Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc vật liệu Meta hấp thụ 
tuyệt đối sóng viba. 
iii) Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hấp thụ của vật liệu Meta 
ở vùng sóng viba bằng cách mở rộng dải tần hấp thụ. 
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đưa ra những cơ sở vật lý và 
cơ chế hoạt động của vật liệu Meta. Trình bày các phương 
pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ chế tạo mẫu vật liệu 
Meta hoạt động ở vùng tần số GHz. 
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã minh chứng được tiềm 
năng ứng dụng to lớn của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối trong 
nghiên cứu, ngụy trang sóng điện từ. Ngoài ra, các kết quả 
nghiên cứu này còn là cơ sở để thu hút thêm sự tham gia của 
các nhà khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu Meta 
phát triển cảm biến, chuyển đổi năng lượng, radar... phục vụ 
quốc phòng và dân sinh. 
3. Những đóng góp mới của luận án 
(i) Trình bày kiến thức tổng quan về vật liệu Meta. Giới 
thiệu các phương pháp nghiên cứu vật liệu Meta nói chung và 
3 
vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz nói riêng. 
(ii) Đưa ra được quy trình chế tạo vật liệu Meta hoạt động ở 
vùng tần số GHz trên cơ sở công nghệ quang khắc. Quy trình 
này có độ ổn định và cho ra các mẫu có chất lượng tốt. 
(iii) Đã chế tạo được các mẫu vật liệu Meta có cấu trúc khác 
nhau. Lần đầu tiên, vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba 
được chế tạo thành công ở Việt Nam. Kết quả đo đạc cho thấy 
đạt được hấp thụ gần như hoàn toàn tại tần số xác định. 
(iv) Đã đưa ra được các cấu trúc nhằm nâng cao hiệu suất 
hoạt động của vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối sóng viba. Buồng 
hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên được thiết kế, chế tạo tại 
Việt Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối 
sóng viba đã nghiên cứu. 
4. Bố cục của luận án 
Luận án gồm 104 trang được chia thành các phần như sau: 
Mở đầu 3 trang; Chương 1. Tổng quan 23 trang; Chương 2. 
Phương pháp nghiên cứu và công nghệ chế tạo gồm 22 trang; 
Chương 3.Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc MPA gồm 
27 trang và 4.MPA hấp thụ dải rộng gồm 12 trang. Kết luận và 
kiến nghị 1 trang. Ngoài ra, luận án có 01 bảng; 69 hình vẽ và 
đồ thị; 90 tài liệu tham khảo và phần phụ lục. 
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 
MỞ ĐẦU 
Cấu trúc vật liệu Meta được xem là một loại vật chất nhân 
tạo, tính chất của nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn thành phần 
cấu tạo. Cấu trúc vật liệu Meta có rất nhiều ứng dụng kỳ diệu 
4 
đã được các nhà khoa học nghiên cứu bằng lý thuyết và chứng 
minh bằng thực nghiệm như siêu thấu kính, áo khoác tàng 
hình, bộ lọc tần số antennas, cảm biến sinh học... Vật liệu hấp 
thụ tuyệt đối là một trong nhiều loại vật liệu nhân tạo được 
nghiên cứu chế tạo trên cơ sở cấu trúc vật liệu Meta, các 
nghiên cứu hấp thụ sóng điện từ thuộc dải vi ba có thuận lợi là 
điều kiện thực nghiệm đơn giản. Từ khi Landy đưa ra cấu trúc 
hấp thụ sóng vi ba đầu tiên năm 2008, nhiều cấu trúc hấp thụ 
khác đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới công bố. Tất 
cả các cấu trúc hấp thụ đều có hiệu suất hấp thụ cao và được 
giải thích về cơ chế hấp thụ. 
Tuy nhiên, các cấu trúc hấp thụ đã công bố thường rất phức 
tạp, có nhiều tham số hình học, vì thế rất khó tùy biến để đạt 
được một đặc tính hấp thụ mong muốn. 
Trong luận án này, chúng tôi lần đầu tiên nghiên cứu chế 
tạo thành công vật liệu Meta ở Việt Nam. Kết quả mới của luận 
án là đưa ra các cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, đo đạc, ít tham 
số hình học, vì vậy, dễ tùy biến mà vẫn đảm bảo có được tính 
hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ thuộc dải sóng vi ba. 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu Meta 
Vật liệu Meta là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của 
nó phụ thuộc cấu trúc nhiều hơn là thành phần cấu tạo. Tên 
tiếng Anh metamaterial thường được sử dụng cho một vật liệu 
có tính chất khác thường. Thuật ngữ đã được đặt ra vào năm 
1999 do Rodger M. Walser của Trường Đại học Texas tại 
Austin. Ông đã xác định vật liệu Meta như vật liệu kết hợp 
5 
nhân tạo, 1, 2 hoặc ba chiều, cấu trúc tuần hoàn được thiết kế 
để tạo ra những đặc tính vật lý không có sẵn trong tự nhiên. 
Vật liệu Meta được chế tạo bằng cách sắp xếp những cấu 
trúc vi mô, được gọi là các "nguyên tử", để có thể tạo ra các 
tính chất vật lý vĩ mô (chủ yếu là tính chất điện từ) theo ý 
muốn. Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai 
thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật 
liệu tự nhiên mà con người từng biết. Sự sắp xếp các cấu trúc 
vi mô có thể theo 1 trật tự hoặc hỗn loạn. Các cấu trúc "nguyên 
tử" này có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, đẳng hướng hoặc 
bất đẳng hướng, được làm từ kim loại hoặc điện môi, có thể là 
chất phi từ hoặc sắt từ, và có kích thước nhỏ hơn so với bước 
sóng hoạt động. 
Chúng ta đều biết tính chất điện từ của mỗi một loại vật liệu 
được đặc trưng bởi hai đại lượng vật lý: độ từ thẩm và hằng số 
điện môi. Sự lan truyền của sóng điện từ trong vật liệu liên 
quan chặt chẽ tới hai đại lượng này. Nguyên lý cơ bản của vật 
liệu Meta là tạo ra các mạch cộng hưởng điện từ, từ những cấu 
trúc "nguyên tử", có khả năng điều khiển riêng biệt hai đại 
lượng này, điều mà không thể làm được với các vật liệu tự 
nhiên. Sự truyền sóng điện từ trong vật liệu Meta, do đó cũng 
có thể dự đoán, thiết kế trước và điều chỉnh theo ý muốn. Hiện 
nay nghiên cứu về vật liệu đã mở rộng ra nhiều dải tần của 
sóng điện từ và sóng âm. 
1.2. Ứng dụng của Vật liệu Meta 
Việc ra đời của vật liệu Meta hứa hẹn sẽ mang lại hàng loạt 
ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt của 
vật liệu này làm nó trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin, 
6 
cảm biến, các thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu 
Meta nằm ở khả năng điều khiển sóng điện từ hay tính chất 
quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các ứng dụng thực tế. 
Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu 
thấu kính được đề xuất bởi Pendry được trình bày trong Hình 
1. Sau đó, năm 2005 siêu thấu kính quang học đã được Zhang 
và các cộng sự chế tạo thành công. 
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên 
vật liệu Meta. 
Một ứng dụng khác là lớp vỏ “tàng hình”. Khi chúng ta nhìn 
mặt đường mùa hè vào ngày nắng gắt, từ một khoảng cách 
thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước” lung 
linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường. Hiện tượng này 
được gây ra do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số lớn 
trong vùng không khí mát hơn phía trên đến trị số nhỏ hơn 
trong vùng không khí nóng tiếp giáp với mặt đường. Sự thay 
đổi chiết suất sẽ làm uốn cong đường đi của ánh sáng. Các nhà 
khoa học cũng đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu Meta có sự 
thay đổi chiết suất làm uốn cong đường đi của sóng điện từ 
7 
xung quanh một vật thể. Vì không có sự phản xạ sóng từ vật 
nên đối với người quan sát vật này là “tàng hình”. Như vậy, vật 
liệu Meta không những có thể có chiết suất âm mà còn là một 
tập hợp của những mảnh khảm (mosaic) quang học mang từng 
trị số chiết suất khác nhau làm uốn cong đường đi của sóng 
điện từ. 
Vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu Meta do nhóm Smith và 
Pendry phát hiện và kiểm chứng. Với ứng dụng này, chúng ta 
có quyền nghĩ về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được 
"bao phủ" bởi nó, thì không ai có thể nhìn thấy chúng ta cho dù 
chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ. Điều này tạo nên đột 
phá lớn, đặc biệt là trong quân sự. Các thí nghiệm của nhóm 
Smith (Đại học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng 
nhìn thấy, các thí nghiệm với sóng ánh sáng trong vùng nhìn 
thấy đang được tập trung nghiên cứu. 
Ngoài những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu Meta 
còn tỏ ra rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần 
số, cộng hưởng, cảm biến sinh học, đặc biệt là tính siêu hấp thụ 
của loại vật liệu này. 
1.3. Vật liệu Meta hấp thụ sóng điện từ 
Vật liệu Meta hấp thụ hoàn hảo sóng điện từ (metamaterial 
perfect absorber - MPA) là vật liệu có khả năng hấp thụ hoàn 
toàn năng lượng của sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động. 
Do MPA được tạo bởi các cấu trúc cộng hưởng điện từ nên 
nguyên lí hoạt động của MPA là hấp thụ cộng hưởng. Tại tần 
số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều 
bị triệt tiêu. 
8 
MPA thường được cấu tạo gồm 3 lớp: hai lớp kim loại 
thường được tạo bởi các kim loại dẫn điện tốt như vàng, bạc, 
đồng và xen kẽ là lớp điện môi. Tại tần số xác định, MPA hấp 
thụ sóng điện từ tốt hơn nhiều so với các vật liệu được nghiên 
cứu trước đây (màn Salisbury, lớp Dällenbach ...). Ngoài ra, 
một trong những tính chất hết sức thú vị của MPAs là có khả 
năng điều chỉnh được vùng tần số hoạt động mong muốn thông 
qua thay đổi kích thước và lợi thế độ dày nhỏ như đã được 
chứng minh là 0 /40, 0 /69. 
Năm 2008, MPA đầu tiên đã được đề xuất bởi Landy. Loại 
vật liệu này gồm ba lớp, hai lớp kim loại và một lớp điện môi 
được mô tả trên Hình 2. Vật liệu có độ hấp thụ là A 99% tại 
tần số 11.65 GHz. 
Hình 2. MPA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008. 
a) Cấu trúc ô cơ sở và phân cực; b) Kết quả mô phỏng. 
Sau khi phát hiện ra khả năng hấp thụ tuyệt đối của vật liệu 
Meta. Vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc biệt hơn. 
Bằng chứng là các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các cấu trúc vật 
liệu Meta hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng đi ... io, HFSS 
11 
và Comsol có ưu điểm chính xác, nhiều tính năng, giao diện dễ 
sử dụng tuy nhiên giá thành rất đắt, khả năng tùy biến kém, và 
tốn nhiều bộ nhớ. Trong một số trường hợp nhất định, các 
phương pháp mô phỏng tự xây dựng dựa trên các phần mềm 
mã nguồn mở như phương pháp ma trận truyền (Transfer 
Matrix Method - TMM) và phương pháp đạo hàm hữu hạn 
trong miền thời gian (Finite Difference Time Domain - FDTD) 
cho tốc độ tính toánh nhanh, khả năng tùy biến tốt, cho phép 
can thiệp sâu vào cấu trúc và tính chất vật liệu, cũng như thêm 
vào các tương tác ngoại vi... Kết quả mô phỏng các tính chất 
điện từ của vật liệu Meta đã được kiểm chứng bằng thực 
nghiệm và nhiều phương pháp khác, cho độ tin cậy cao. 
2.3. Kiểm chứng bằng thực nghiệm 
Một trong những phương pháp nghiên cứu quan trọng để 
kiểm chứng tính chất của vật liệu Meta điện từ là chế tạo mẫu 
và thực hiện phép đo xác định các đặc tính điện từ. Các phép 
đo này chủ yếu là phép đo phổ truyền qua và phổ phản xạ ở các 
vùng tần số khác nhau. Ở vùng sóng microwave, vật liệu Meta 
được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp quang khắc truyền 
thống với ưu điểm là đơn giản, độ chính xác cao và giá thành 
rẻ. Vật liệu ban đầu là bảng mạch in thương phẩm có hằng số 
điện môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã được 
phủ đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm. Bảng 
mạch in sẽ được phủ lớp cảm quang và phơi sáng sau khi được 
che bởi mặt nạ được in từ trước. Mặt nạ được thiết kế dựa trên 
kết quả mô phỏng và mô hình hóa bằng mạch LC tương đương. 
Hình 3 trình bày cấu trúc ô cơ sở cùng các tham số cấu trúc của 
vật liệu Meta có tính chất khác nhau: a) vật liệu Meta có độ từ 
12 
thẩm âm, b) vật liệu Meta có chiết suất âm, c) vật liệu Meta 
hấp thụ tuyệt đối. Hình 4 là ảnh chụp mặt trước của mẫu vật 
liệu Meta: (a) cấu trúc CWP có độ từ thẩm âm và (b) cấu trúc 
vật liệu Meta kết hợp có chiết suất âm. 
Hình 3. Cấu trúc ô cơ sở của một số vật liệu Meta: (a) vật 
liệu Meta có độ từ thẩm âm CWP, b) vật liệu Meta có chiết 
suất âm, (c) vật liệu Meta hấp thụ tuyệt đối. 
Hình 4. Vật liệu Meta CWP có độ từ thẩm âm (a) và vật 
liệu Meta kết hợp có chiết suất âm (b). 
Để đo các tính chất của vật liệu như phổ truyền qua, phổ 
13 
phản xạ hay hấp thụ chúng tôi sử dụng hệ phân tích mạng véc 
tơ gồm hai ăng ten chuẩn, một ăng ten có vai trò phát, ăng ten 
còn lại có vai trò thu tín hiệu. Hệ thiết bị đo được đặt trong 
buồng hấp thụ sóng điện từ để giảm tác động nhiễu từ bên 
ngoài. Vùng tần số hoạt động của vật liệu đã được tính toán 
dựa trên thiết kế mô phỏng và mô hình mạch điện LC trước đó. 
Hình 5. Hệ thiết bị phân tích mạng véc tơ. 
Hình 5 mô tả hệ và bố trí phép đo phổ truyền qua của một 
mẫu vật liệu Meta. Hai ăng ten thu phát được đặt lần lượt ở bên 
trái và phải. Tín hiệu nền được chuẩn hóa cùng với giá đỡ mẫu 
trước mỗi phép đo để loại bỏ ảnh hưởng của giá đỡ và nhiễu 
nền lên kết quả đo. Mẫu đo được đặt trên giá để mẫu, giữa hai 
ăng ten để khảo sát trong dải tần số cần quan sát. Kết quả thu 
được từ các phép đo là các phổ truyền qua, phản xạ và pha 
tương ứng. 
2.4. Phương pháp lý thuyết môi trường hiệu dụng 
Lý thuyết môi trường hiệu dụng là nguyên lý đầu tiên và cơ 
bản xuyên suốt quá trình nghiên cứu vật liệu Meta điện từ. Bản 
chất của vật liệu Meta là tổ hợp những “nguyên tử” có tính chất 
14 
điện từ nhân tạo để tạo ra các tính chất hiệu dụng của vật liệu. 
Vì thế các “nguyên tử” này thường là các mạch cộng hưởng 
điện từ và phải đủ nhỏ để được xem là liên tục tại tần số mà 
tính chất hiệu dụng của nó hoạt động. Việc thay đổi tính chất 
vật lý của các mạch điện từ này sẽ dẫn đến những biến đổi vĩ 
mô của vật liệu Meta, điều này giúp cho việc kiểm tra và so 
sánh tính chất của vật liệu Meta với vật liệu thường có thể 
được thực hiện một cách dễ dàng. 
2.5. Phương pháp truy hồi tham số điện từ 
Trong khi phương pháp lý thuyết trường hiệu dụng được sử 
dụng để nghiên cứu một cách định tính, xây dựng một phương 
pháp nghiên cứu định lượng các tính chất điện từ của vật liệu 
Meta là rất cần thiết. Tuy nhiên, việc đo trực tiếp các đặc tính 
điện từ như độ từ thẩm µ, độ điện thẩm , chiết suất n, và trở 
kháng Z theo tần số của vật liệu Meta lại rất khó thực hiện một 
cách chính xác. Chính vì vậy kỹ thuật tính toán các giá trị này 
dựa trên biên độ và pha của sóng truyền qua và phản xạ trở nên 
rất hữu ích trong nghiên cứu định lượng các tính chất của vật liệu 
Meta. Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi để 
tính các tham số điện từ từ phổ truyền qua và phản xạ là phương 
pháp chuẩn đề xuất bởi Chen và các cộng sự, cho phép xác định 
được chính xác phần thực của chiết suất n từ công thức 
exp(inkod) = X ± i(1 – X2)1/2 (1) 
trong đó, X = 1/2S21(1 – S112 + S212), ko là số sóng, d là độ 
dày của lớp vật liệu Meta, và n là chiết suất. Khi các giá trị độ 
từ thẩm, độ điện thẩm, chiết suất và trở kháng hiệu dụng của 
vật liệu Meta được thể hiện, chúng ta có thể xác định rõ dấu, và 
15 
độ lớn cũng như bản chất của vùng truyền sóng là chiêt suất 
âm hay không. Có thể nói đây là một trong những phương 
pháp nghiên cứu ưu việt và là công cụ mạnh để nghiên cứu vật 
liệu Meta. Trong các kết quả nghiên cứu sắp trình bày dưới đây 
của chúng tôi, phương pháp tính các tham số điện từ này được 
sử dụng bổ trợ và tỏ ra rất hữu ích trong việc tìm hiểu bản chất 
của vật liệu Meta. 
2.6.Công nghệ chế tạo 
Vật liệu ban đầu gồm có một lớp điện môi có hằng số điện 
môi  = 4 và độ dày lớp điện môi là t = 0.4 mm, đã được phủ 
đồng (Cu) hai mặt có độ dày khoảng 0.036 mm. Qui trình chế 
tạo vật liệu được trình bày trên hình 6. 
Hình6. Quy trình chế tạo vật liệu Meta. 
16 
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO 
VÀ TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC MPA 
HOẠT ĐỘNG Ở VÙNG TẦN SỐ GHZ 
3.1. MPA cấu trúc chữ I 
Cấu trúc hấp thụ MPA được đề xuất bởi Landy (Hình 2) 
tương đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo. 
Tìm kiếm một cấu trúc MPA đơn giản nhưng có hiệu suất hấp 
thụ không đổi là một bài toán được nhiều nhóm nghiên cứu quan 
tâm. Dựa trên bản chất vật lý của cấu trúc Landy, chúng tôi đã 
tiến hành nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa cấu trúc hấp MPA, 
hướng tới một cấu trúc có tính ưu việt trong chế tạo và đo đạc. 
Mẫu hấp thụ MPA hình chữ I là sự rút gọn của cấu trúc Landy 
dựa trên cơ sở mạch cộng hưởng LC (Hình 7). Đây là một trong 
những kết quả nghiên cứu, chế tạo vật liệu MPA đầu tiên ở Việt 
Nam. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả mô phỏng, tồn 
tại mộtđỉnh hấp thụ ~100% ở tần số 14,2 GHz (Hình 8). 
Hình 7. MPA cấu trúc hình 
chữ I: a) Ô cơ sở và các tham 
số cấu trúc; b) mẫu chế tạo. 
Hình 8. Kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm phổ hấp thụ của 
MPA cấu trúc chữ I. 
17 
3.2. MPA cấu trúc thanh kim loại hữu hạn 
Chúng tôi tiếp tục đơn giản hóa cấu trúc MPA một lần nữa 
bằng cách giới thiệu cấu trúc thanh kim loại hữu hạn (Hình 9). 
Hình 9. MPA cấu trúc thanh kim loại hữu hạn. (a) Các tham số 
cẩu trúc ax = 5 mm,ay = 11 mm, l = 5.5 mm, w = 1 mm, td = 
0.4 mm, tm = 0.036 mm và (b) mẫu chế tạo. 
Cấu trúc thanh kim loại hữu hạn là sự tối giản của mạch 
cộng hưởng LC từ cấu trúc ban đầu của Landy. Tần số cộng 
hưởng và các tính chất điện từ khác của MPA thanh kim loại 
hữu hạn chỉ phụ thuộc vào độ dài và độ rộng của dây kim loại. 
Hình 10. Kết quả mô phỏng và 
thực nghiệm phổ hấp thụ của 
cấu trúc thanh kim loại hữu hạn. 
Hình 11. Kết quả mô phỏng 
sự phụ thuộc của độ hấp thụ 
vào góc phân cực . 
18 
Kết quả thể hiện trên Hình 10 cho thấy kết quả thực nghiệm 
phù hợp với kết quả mô phỏng, tồn tại mộtđỉnh hấp thụ ~100% 
ở tần số 15 GHz. Tuy nhiên do tính bất đối xứng của cấu trúc, 
độ hấp thụ giảm khi tăng góc phân cực tạo bởi �⃗� và trục dọc 
dây thank kim loại (Hình 11). 
3.3. MPA cấu trúc dấu cộng 
Để nâng cao hiệu suất hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ, 
chúng tôi đã thiết kế và chế tạo cấu trúc MPA dấu cộng (Hình 12). 
Hình 12. MPA cấu trúc dấu cộng. (a) Ô cơ sở, phân cực 
sóng điện từ; và (b) mẫu chế tạo. 
Kết quả thực nghiệm và mô phỏng đã chứng minh cấu trúc dấu 
cộng có hiệu suất hấp thụ tốt khi thay đổi giá trị góc phân cực. 
3.4. MPA cấu trúc đĩa tròn 
Từ kết quả đạt được với cấu trúc dấu cộng, cấu trúcđĩa tròn 
(Hình 13) được nghiên cứu nhằm tăng tối đa hiệu suất hấp thụ 
bằng đối xứng phân cực. 
19 
Hình 13. MPA cấu trúc đĩa tròn.(a) Ôcơ sở, phân cực 
sóng điện từ và (b) mẫu chế tạo. 
Hình 14. Kết quả mô phỏng 
và thực nghiệm phổ hấp thụ 
của cấu trúc đĩa tròn. 
Hình 15. Kết quả mô phỏng 
sự phụ thuộc của độ hấp thụ 
vào góc phân cực φ MPA cấu 
trúc đĩa tròn. 
Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm độ hấp thụ của cấu 
trúc đĩa tròn cho kết quả rất tốt. Độ hấp thụ đạt gần như tuyệt 
đối trong khi không bị ảnh hưởng bởi phân cực sóng. Hình 14 
và 15 cho thấy cấu trúcđĩa tròn là cấu trúc có kết quả tốt nhất, 
tồn tạiđỉnh hấp thụgần như tuyệtđối ở tần số 13,8 GHz đối với 
tất cả các góc phân cực φ được khảo sát. 
20 
CHƯƠNG 4: MPA HẤP THỤ DẢI RỘNG 
4.1. MPA siêu ô cơ sở 
Dựa trên nguyên lí cộng hưởng, các cấu trúc đã khảo sát ở 
trên chỉ thu được đỉnh hấp thụ ở 1 tần số nhất định, do mẫu được 
tạo từ các ô cơ sở có cấu trúc một phần tử dẫn ở mặt trước có 
kích thước giống hệt nhau. Hấp thụ dải rộng được tiến hành với ý 
tưởng tạo mẫu hấp thụ từ các ô cơ sở có nhiều phần tử kim loại ở 
mặt trước có kích thước khác nhau. Sai khác về kích thước đủ 
nhỏ để các đỉnh hấp thụ cộng hưởng thu được nằm sát, phủ lên 
nhau; mang lại hiệu ứng giống như một phổ hấp thụ dải rộng. 
Hình 16. MPA có 4 đĩa tròn: (a) ô cơ sở và (b) mẫu chế tạo 
Hình 17. Kết quả mô phỏng và 
đo thực nghiệm phổ hấp thụ 
của cấu trúc có 4 đĩa tròn. 
Hình18. Sự phụ thuộc phổ 
hấp thụ của cấu trúc gồm 9 
đĩa tròn vào góc phân cực. 
21 
Hình 16 trình bày ô cơ sở và mẫu chế tạo cấu trúc MPA dải 
rộng dựa trên tổ hợp của bốn cấu trúc đĩa tròn có đường kính 
khác nhau. Kết quả mô phỏng rất khớp với giá trị đo thực 
nghiệm (Hình 17), thu được một phổ hấp thụ dải rộng, với 4 
đỉnh hấp thụ cộng hưởng gây ra do 4 đĩa tròn với kích thước 
tương ứng. Đỉnh hấp thụ dải rộng này không phụ thuộc vào 
phân cực sóng như đối với cấu trúc một đĩa tròn. 
Hình 18 trình bày một phổ hấp thụ dải rộng có hiệu suất hấp 
thụ tốt và đều, là kết quả của cấu trúc có ô cơ sở là 9 đĩa tròn 
có bán kính khác nhau. Ngoài ra, kết quả này một lần nữa 
khẳng định ưu điểm của cấu trúc đĩa tròn là tính đẳng hướng 
cao: không suy giảm độ hấp thụ khi thay đổi góc phân cực φ. 
4.2. Thiết kế chế tạo, khảo sát buồng hấp thụ 3D hoạt động 
ở vùng tần số GHz 
Với các kết quả khả quan thu được với các mẫu vật liệu 
Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba, buồnghấp thụ 3D được thiết 
kế, chế tạo thử nghiệm (Hình 19). 
Hình 19. Buồng hấp thụ 3D được chế tạo từ mẫu MPA cấu trúc 
dấu cộng (a) và (b) thí nghiệm khảo sát tính chất điện từ buồng 
hấp thụ 3D ở dải tần 12-18 GHz. 
(a) 
(b) 
22 
Kết quả khảo sát phổ truyền qua và phản xạ của buồng hấp 
thụ 3D cho thấy sóng điện từ tần số 14.8 GHz bị hấp thụ tuyệt 
đối (Hình 20 và 21). 
Hình 20. Kết quả khảo sát phổ phản xạ và truyền qua buồng 
hấp thụ 3D: a)Kết quả mô phỏng và b) Kết quả thực nghiệm. 
Các kết quả này cho thấy có thể chế tạo các vật thể 3D có 
khả năng hấp thụ sóng điện từ theo ý muốn ở băng tần GHz. 
Dù còn một số hạn chế như: thiếu độ linh hoạt của vật liệu để 
tạo các bề mặt tùy ý; độ đồng nhất về hiệu suất hấp thụ theo bề 
mặt của vật thể chưa cao, nhưng đây là một kết quả thú vị, gợi 
mở hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu meta hấp thụ tuyệt đối 
như ngụy trang, tác chiến điện từ trường,... đặc biệt là ứng 
dụng trong quân sự. 
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo và tính chất hấp thụ tuyệt đối 
sóng vi ba của vật liệu Meta (Metamaterials)” đã được thực 
hiện tại Bộ môn Nghiên cứu phát triển và ứng dụng cảm biến 
nano (Nanosensors lab), Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật 
liệu (ITIMS) - Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện khoa học 
vật liệu (IMS) - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt 
(a) 
(b) 
23 
Nam. Những kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố 
trên 06 tạp chí quốc tế (04 tạp chí ISI), 05 tạp chí trong nước, 
và 02 hội thảo khoa học chuyên ngành. 
Qua các kết quả nghiên cứu của luận án được trình bày ở 
trên, cho thấy luận án đã đóng góp được những kết quả nghiên 
cứu mới, có thể tóm lược trong một số kết luận như sau: 
(i) Đã đưa ra được quy trình nghiên cứu thực nghiệm và mô 
phỏng vật liệu Meta hoạt động ở vùng tần số GHz. Vật liệu 
Meta được chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc, cho ra các 
mẫu có độ phân giải 0.2 mm, (tương ứng với 1 % bước sóng tại 
vùng cộng hưởng) và độ lặp lại cao. Phổ truyền qua và phản xạ 
của vật liệu Meta được đo trong không gian bằng hệ phân tích 
mạng véc tơ. Kết quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả 
mô phỏng bằng phần mềm tính toán thương mại. Sự so sánh 
chéo giữa mô hình vật lý, số liệu mô phỏng và số liệu thực 
nghiệm cho kết quả có độ tin cậy cao. Ngoài ra quy trình 
nghiên cứu này có thể áp dụng để nghiên cứu nhiều tính chất 
khác của vật liệu Meta như vật liệu chiết suất âm, vật liệu phản 
xạ tuyệt đối, vật liệu hấp thụ tuyệt đối. 
(iii) Đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc vật liệu 
Meta có dải tần hấp thụ rộng ở vùng sóng viba. Đặc tính hấp 
thụ gần như tuyệt đối trong một dải tần số rộng hơn thiết kế 
ban đầu 300% được chứng minh bằng cả thực nghiệm lẫn mô 
phỏng. Ngoài ra một buồng hấp thụ có cấu trúc 3D lần đầu tiên 
được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam trên cơ sở các mẫu vật liệu 
Meta hấp thụ tuyệt đối sóng vi ba. 
Kết quả trên của luận án tuy chỉ là những nghiên cứu khởi 
đầu về vật liệu Meta tại Viện Nam nhưng đã cho thấy những 
24 
tín hiệu tích cực và triển vọng. Quy trình nghiên cứu mô phỏng 
và thực nghiệm được thiết lập trong luận án đã được sử dụng 
trong nhiều nghiên cứu của các sinh viên, học viên cao học, và 
nghiên cứu sinh khác. Vật liệu Meta hấp thụ dải rộng đang 
được triển khai nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực quân sự. 
Vật liệu MPA biến hóa có thể điều khiển bằng nhiệt độ và từ 
trường ngoài đang được nghiên cứu khai thác. Chắc chắn 
những nghiên cứu về vật liệu MPA của tác giả và nhóm nghiên 
cứu không dừng lại tại đây. Ngay trong quá trình hoàn thành 
luận án, tác giả và nhóm nghiên cứu vẫn tiếp tục có những 
nghiên cứu sâu và hệ thống hơn nhằm định hướng ứng dụng 
vật liệu hấp thụ Meta trong thực tế. 
Hướng nghiên cứu tiếp theo: 
- Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các cấu trúc tối ưu trong chế 
tạo và đo đạc, có hiệu suất hấp thụ tốt, không phụ thuộc phân 
cực sóng điện từ và có vùng hấp thụ rộng. 
- Tối ưu và chính xác hóa quy trình nghiên cứu, chế tạo và 
đo đạc, khảo sát khả năng triển khai vật liệu Meta hoạt động ở 
các vùng tần số cao hơn như THz. 
- Bước đầu triển khai các nghiên cứu định hướng ứng dụng 
như chế tạo thiết bị mẫu hấp thụ sóng điện từ trong môi trường.