تحلیل و شبیه¬سازی تقویت امواج عبوری از نانولوله¬های¬ کربنی فلزی با بایاس DC

دانشکده مهندسی برق
پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-مخابرات
تحلیل و شبیهسازی تقویت امواج عبوری از نانولولههای کربنی فلزی با بایاس DC
توسط:
سمانه صادقی مرشت
استاد راهنما:
دکتر نصرتا… گرانپایه
زمستان 1393
تأییدیّه هیات داوراناعضای هیئت داوران، نسخه نهائی پایاننامه خانم سمانه صادقی مرشت
را با عنوان:
تحلیل و شبیهسازی تقویت امواج عبوری از نانولولههای کربنی فلزی با بایاسDC
از نظر فرم و محتوی بررسی نموده و پذیرش آن را برای تکمیل درجه کارشناسی ارشد تأیید می‌کنند.
اعضای هیئت داوران نام و نام خانوادگی رتبه علمی امضاء
استاد راهنما دکتر نصرتا… گرانپایه دانشیار استاد ممتحن استاد ممتحن نماینده تحصیلات تکمیلی تقدیم به:
مادر عزیزم، دریای بیکران فداکاری و عشق
و
روح پاک پدر مهربانم که ایمان و انسانیت را بهمن آموخت.
با سپاس و قدردانی فراوان از استاد ارجمند
دکتر نصرتا… گرانپایه
که راهنما و مشوق بنده در اجرای این پروژه بودند.
چکیده
تولید و تقویت بسامدهای رادیویی قلب مخابرات ماهوارهای و کاربردهای الکترونیک نوری است. صنعت مخابرات بهدنبال تقویت کنندههای بسامد رادیویی در مقیاس کوچکتر و موثرتر در بسامدهای بالاتر است. نانوساختارها بهدلیل ویژگیهای منحصربهفردشان این نیازها را برآورده میکنند. در این پایاننامه ویژگیهای ساختار گرافین و نحوه شکلگیری نانولولههای کربنی از آن را بیان میکنیم، شباهتها و تفاوتهای ساختار نانولوله کربنی و تقویتکننده لولهای موج رونده را بررسی کرده و علت فیزیکی تقویت در این دو ساختار را مقایسه میکنیم. معادله بولتزمن که برای نانولولههای کربنی با بایاس همزمان AC و DC بهکارمیرود را بررسی میکنیم و بهتحلیل فیزیکی رسانایی تفاضلی منفی ایجادشده در نمودارهای بهدست آمده میپردازیم. با توجه بهعدم تطبیق امپدانسی که در استفاده از نانولولههای کربنی در دنیای واقعی رخ میدهد باید بستر مناسبی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس طراحی کنیم. در این طراحی از موجبر همصفحه بهدلیل مزایایی که دارد مانند ظرفیت بسامد بالا، قابلیت ساخت در ابعاد زیر میکرو و… استفاده میکنیم. در مسیر عبور سیگنالِ موجبر همصفحه یک فضای خالی برای جاسازی نانولوله کربنی ایجاد میکنیم، سعی براین است که این فضای خالی تا حد امکان کوچک باشد تا تعداد نانولولههای کربنی بهکار رفته کاهش یابد. ساختار پیشنهاد شده باعث کاهش عدم تطبیق امپدانس شد.کلیدواژه: نانولولههای کربنی، تقویت در نانولولههای کربنی بایاسشده، معادله بولتزمن، رسانایی تفاضلی منفی.
فهرست مطالب
TOC o “1-4” h z u فصل 1-معرفی نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736790 h 11-1-دیباچه PAGEREF _Toc409736791 h 31-2-گرافین و نحوه ساخت نانولولههای کربنی از گرافین PAGEREF _Toc409736792 h 31-3-انواع نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736793 h 91-3-1-نانولوله کربنی زیگزاگ PAGEREF _Toc409736794 h 131-3-2-نانولوله کربنی مبلی PAGEREF _Toc409736795 h 141-4-مباحث فیزیکی PAGEREF _Toc409736796 h 151-4-1-ناحیهی بریلوین PAGEREF _Toc409736797 h 151-4-2-حالت بلاخ PAGEREF _Toc409736798 h 151-4-3-نوسانهای بلاخ PAGEREF _Toc409736799 h 161-5-تقویتکننده لولهای موج رونده PAGEREF _Toc409736800 h 171-6-کاربرد نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736801 h 191-7-مطالب پایاننامه PAGEREF _Toc409736802 h 19فصل 2-معادله بولتزمن PAGEREF _Toc409736803 h 212-1-دیباچه PAGEREF _Toc409736804 h 232-2-رسانایی تفاضلی منفی PAGEREF _Toc409736805 h 232-3-معادله بولتزمن PAGEREF _Toc409736806 h 242-4-معادله جریانِ رسانایی بر حسب میدان اعمالی PAGEREF _Toc409736807 h 24فصل 3-ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736808 h 333-1-دیباچه PAGEREF _Toc409736809 h 353-2-مدل مداری نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736810 h 353-3-عدم تطبیق امپدانس PAGEREF _Toc409736811 h 373-4-ساختار کلی موجبری الکترومغناطیسی و روش برقراری اتصال PAGEREF _Toc409736812 h 38فصل 4-شبیهسازی نانولوله کربنی با بایاسDC و AC PAGEREF _Toc409736813 h 414-1-دیباچه PAGEREF _Toc409736814 h 434-2-شبیهسازی نانولوله کربنی با بایاس DC PAGEREF _Toc409736815 h 434-3-شبیهسازی با استفاده از معادلههای بولتزمن و با درنظر گرفتن بایاس DC و AC PAGEREF _Toc409736816 h 494-3-1-نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (0،12) PAGEREF _Toc409736817 h 494-3-2-نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (10،0) PAGEREF _Toc409736818 h 544-3-3-نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (100،0) PAGEREF _Toc409736819 h 56فصل 5-شبیهسازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولولههای کربنی PAGEREF _Toc409736820 h 615-1-دیباچه PAGEREF _Toc409736821 h 635-2-شبیهسازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله کربنی PAGEREF _Toc409736822 h 63فصل 6-نتیجهگیریها و پیشنهادها PAGEREF _Toc409736823 h 716-1-نتیجهگیریها PAGEREF _Toc409736824 h 736-2-پیشنهادها PAGEREF _Toc409736825 h 74مرجعها……. PAGEREF _Toc409736826 h 75واژهنامه فارسی بهانگلیسی PAGEREF _Toc409736827 h 77واژهنامه انگلیسی بهفارسی PAGEREF _Toc409736828 h 79فهرست شکل‌‌ها TOC h z c “شکل” شکل (‏11) اوربیتالهای اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1]. PAGEREF _Toc409736741 h 4شکل (‏12) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد بهرنگ خاکستری است [1]. PAGEREF _Toc409736742 h 4شکل (‏13) شبکه فضای k گرافین. ناحیهی بریلوین بهرنگ خاکستری نشان داده شده است [1]. PAGEREF _Toc409736743 h 5شکل (‏14) دیاگرام پاشندگی انرژی گرافین [1]. PAGEREF _Toc409736744 h 7شکل (‏15) گرافین یک صفحه تکاتمی از گرافیت است. نانولوله کربنی از لوله کردن گرافین بهشکل استوانه توخالی ایجاد میشود [1]. PAGEREF _Toc409736745 h 8شکل (‏16) ساختار ششگوشه در صفحه مختصات گرافین [2]. PAGEREF _Toc409736746 h 9شکل (‏17) صفحه مختصات گرافین. مسیر مبلی بهرنگ نارنجی، مسیر نامتقارن بهرنگ سبز و مسیر زیگزاگ بهرنگ آبی است [2]. PAGEREF _Toc409736747 h 10شکل (‏18) شبکه و سلول واحد فضای واقعی نانولوله کربنی (الف) از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. PAGEREF _Toc409736748 h 12شکل (‏19) شبکه فضای k و ناحیه بریلوین (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. PAGEREF _Toc409736749 h 12شکل (‏110) دیاگرام پاشندگی الکترونی (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3). ناحیه سایهخورده زیرِ انرژی فرمی، منطبق با باند ظرفیت است [1]. PAGEREF _Toc409736750 h 14شکل (‏111) احتمال اشغال الکترون برای (الف) (ب) [5]. PAGEREF _Toc409736751 h 17شکل (‏112) ساختار تقویتکننده لولهای موج رونده [6]. PAGEREF _Toc409736752 h 17شکل (‏21) چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب بسامد زاویهای برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطهچین قرمزرنگ) و ابرشبکهها (سیاهرنگ) [8]. PAGEREF _Toc409736753 h 29شکل (‏22) چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطهچین قرمزرنگ) و ابرشبکهها (سیاهرنگ) [8]. PAGEREF _Toc409736754 h 30شکل (‏23) مشخصه رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی [8]. PAGEREF _Toc409736755 h 31شکل (‏31) مدل مداری نانولوله کربنی [1]. PAGEREF _Toc409736756 h 37شکل (‏32) نمایش عدم تطبیق امپدانس بین نانولوله کربنی و دنیای مقیاس بزرگ [1]. PAGEREF _Toc409736757 h 38شکل (‏33) ساختار موجبر همصفحه (الف) نمای بالا (ب) نمای کنار [1]. PAGEREF _Toc409736758 h 38شکل (‏34) ساختار موجبر همصفحه مورد استفاده و نحوه کاهش دادن عرض ناحیه میانی، محلی که نانولوله کربنی قرار خواهد گرفت [1]. PAGEREF _Toc409736759 h 39شکل (‏41) سلول واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). PAGEREF _Toc409736760 h 45شکل (‏42) با گزینش سلولِ واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0)، 4 بار تکرار میشود. PAGEREF _Toc409736761 h 46شکل (‏43) حالت بلاخ نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). PAGEREF _Toc409736762 h 46شکل (‏44) اعمال بایاس DC بهنانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0) با . PAGEREF _Toc409736763 h 47شکل (‏45) نمودار I-V بهدست آمده برای نانولوله کربنی با . PAGEREF _Toc409736764 h 48شکل (‏46) رسانایی تفاضلی منفی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). PAGEREF _Toc409736765 h 49شکل (‏47) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . PAGEREF _Toc409736766 h 50شکل (‏48) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . PAGEREF _Toc409736767 h 51شکل (‏49) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با .

PAGEREF _Toc409736768 h 51شکل (‏410) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . PAGEREF _Toc409736769 h 53شکل (‏411) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . PAGEREF _Toc409736770 h 53شکل (‏412) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . PAGEREF _Toc409736771 h 54شکل (‏413) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . PAGEREF _Toc409736772 h 55شکل (‏414) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . PAGEREF _Toc409736773 h 55شکل (‏415) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . PAGEREF _Toc409736774 h 56شکل (‏416) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . PAGEREF _Toc409736775 h 57شکل (‏417) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . PAGEREF _Toc409736776 h 58شکل (‏418) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . PAGEREF _Toc409736777 h 58شکل (‏51) ساختار موجبر همصفحه برای بررسی عبور موج از درون نانولوله کربنی [14]. PAGEREF _Toc409736778 h 64شکل (‏52) ساختار پیشنهادی برای بررسی تطبیق امپدانس. PAGEREF _Toc409736779 h 64شکل (‏53) نحوه قرارگیری نانولوله کربنی (مسیر آبیرنگ) درون ساختار پیشنهادشده با بزرگنمایی محل قرارگیری نانولوله کربنی درون شکافِ شکل (5-2) PAGEREF _Toc409736780 h 65شکل (‏54) نحوه زمین کردن رسانای کناری در موجبر همصفحه. PAGEREF _Toc409736781 h 66شکل (‏55) خطوط میدان الکتریکی (الف) مد زوج (ب) مد فرد [1]. PAGEREF _Toc409736782 h 66شکل (‏56) قسمت حقیقی و موهومی رسانایی دینامیکی نانولوله کربنی از نوع مبلی [15]. PAGEREF _Toc409736783 h 67شکل (‏57) تطبیق امپدانس ایجادشده با استفاده از ساختار شبیه سازیشده برای کاهش عدم تطبیق امپدانس. PAGEREF _Toc409736784 h 68شکل (‏58) سیگنال ورودی (قرمز رنگ) سیگنال خروجی (نارنجی رنگ). PAGEREF _Toc409736785 h 69شکل (‏59) نمایش تقویت سیگنال. با بزرگنمایی کردن شکل (‏58). PAGEREF _Toc409736786 h 69
معرفی نانولولههای کربنیدیباچهنانولولههای کربنی برای اولین بار توسط ایجیما در سال 1991 کشف شدند و پس از آن تلاشهای بسیاری برای پیشبینی ساختار الکترونیک آنها انجام شده است. بهدلیل ویژگیهای منحصربهفردشان مانند :رسانایی بالا، انعطافپذیری، استحکام و سختی بسیار مورد توجه قرار گرفتند [1]. در این فصل بهبررسی ساختار نانولولههای کربنی و نحوه ساخت آنها از گرافین میپردازیم. انواع نانولولههای کربنی و نحوه شکلگیری آنها را توضیح داده، مباحث فیزیکی بسیار مهم در نانوساختارها را بیان میکنیم. همچنین ساختار تقویتکننده لولهای موج رونده را مورد بررسی قرار میدهیم.
گرافین و نحوه ساخت نانولولههای کربنی از گرافینگرافین یک تکلایه از گرافیت است. همانطور که در REF _Ref406399214 h * MERGEFORMAT شکل (‏11) نشان داده شده است، اتصال کربن-کربن در گرافین توسط اوربیتالهای پیوندی، 2sp، اتصالهای را تشکیل میدهند و باقیمانده اوربیتالها، zp، اتصالهای π را تشکیل میدهند. اتصالهای π و بهصورت زیر تعریف میشوند:
اتصالهای درون صفحهای را تشکیل میدهد، در حالیکه اتصالهای π، از نوع اتصالهای بیرون صفحهای است که هیچگونه برخوردی با هسته ندارند. اتصالهای در گرافین و نانولولههای کربنی خصوصیتهای مکانیکی قوی را ایجاد میکنند. بهعبارت دیگر رسانایی الکترون بهطور گسترده از طریق اتصالهای π است. با توجه به REF _Ref406399214 h * MERGEFORMAT شکل (‏11) میتوان بهاین خصوصیت پی برد. همانطور که دیده میشود هیچگونه صفری‌ در اوربیتالهای اتصال π نیست، الکترونها آزادانه اطراف شبکه حرکت میکنند که اصطلاحا غیرمحلی شده گفته میشوند و یک شبکه متصل تشکیل میدهند که نحوهی رسانایی گرافین و نانولولههای کربنی را توضیح میدهد [1].
شکل ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1) اوربیتالهای اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1].شبکه فضای حقیقی

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *