پاسخ زمانی و مدل‌ مداری آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار لایه‌های گرافنی-نانوروبان گرافن-لایه‌های گرافنی

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی مهندسی برق گرایش الکترونیک
پاسخ زمانی و مدل‌ مداری آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار لایه‌های گرافنی-نانوروبان گرافن-لایه‌های گرافنی
به کوشش:
حمیده‌سادات لطیفی
استاد راهنما:
دکتر عباس ظریفکار
بهمن 93

این پایان‌نامه را، اگرچه ناچیز است، به
پدر و مادرم
و
دایی شهیدم حجه الاسلام سید جعفر ذاکری
و همه‌ی کسانی که برای آزادگی جانشان را فدا کردند
تقدیم می‌کنم.

سپاس‌گزاری
اکنون که این پژوهش به پایان رسیده‌ است، بر خود می‌دانم که پیش از همه خداوند را شاکر باشم که علی‌رغم قصوراتم، من را به خودم واگذار نکرد و با لطف بی‌بدیلش راه را به من نشان داد و در تمامی لحظات سایه‌ی مهربانی‌اش بر سرم بود. بعد از آن از پدر و مادر صبورم تشکر می‌کنم که پشتوانه‌ی معنوی من بودند و دعایشان راه‌گشای زندگیم بوده است. همچنین سپاس‌گزار استاد ارجمندم جناب آقای دکتر عباس ظریفکار هستم که در این مدت با دلسوزی و مسئولانه من را در انجام این پایان‌نامه راهنمایی و یاری فرمودند. از خداوند منان برای ایشان سلامت و توفیق روزافزون مسئلت می‌دارم.
و در آخر از سرکار خانم مهندس سنایی و دوست عزیزم خانم الهام صحرایی بابت همراهی و مساعدت در انجام این پایان نامه تشکر می‌کنم.

چکیده
پاسخ زمانی و مدل‌ مداری آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار لایه‌های گرافنی-نانوروبان گرافن-لایه‌های گرافنی
به کوشش
حمیده‌سادات لطیفی
هدف از این تحقیق ارائه‌ی پاسخ زمانی آشکارساز نوری مبتنی بر لایه‌های گرافنی و نانوروبان گرافن است. لزوم افزایش گستره‌ی محدوده‌ی طول موج تحت پوشش آشکارساز و توسعه‌ی کاربری در کنار کاهش هزینه در فرآیند تولید، انگیزه‌ی اصلی برای پیشرفت ساختارهای با ابعاد کوچک می‌باشد. گرافن به دلیل طیف انرژی بدون شکاف، پرتوی الکترومغناطیسی را از محدوده طیفی تراهرتز تا فرابنفش را جذب می‌کند. بازده کوانتومی ‌نسبتا بالا در انتقالات بین باندی گرافن و به خصوص در ساختار گرافن چندلایه، ابداع آشکارسازهای نوری تراهرتز و زیر قرمز مناسب و جدید را گسترش داده است. چندین مدل از آشکارسازهای IR/THz با به کارگیری ساختار یک و چند لایه به همراه ساختارهای نانوروبان گرافن پیشنهاد، ارزیابی و به صورت تجربه مطالعه شده‌اند. اما علیرغم تلاش‌هایی که شده است هنوز محدوده سرعت نهایی این افزاره‌ها مشخص نیست. در این رساله، ما به بررسی آشکارساز نوری گرافنی می‌پردازیم که از دو ناحیه از لایه‌های گرافنی(GLs) بدون شکاف انرژی که ناخالص ‌نشده است (نوع i ) تشکیل شده اند. این نواحی جذب توسط اتصالات طرفین تغذیه می‌شوند و به وسیله‌ی یک نانوروبان گرافن (GNR) به هم متصل شده‌اند. در این افزاره جذب توسط لایه‌های گرافنی انجام می‌شود که باعث افزایش چگالی الکترون و حفره در این نواحی می‌شود. این پدیده منجر به جریان الکترون و حفره به صورت ترمویونی در دو طرف سد پتانسیلی شکل گرفته در نانوروبان گرافن می‌شود و جریان نوری ایجاد می‌شود. حضور نانوروبان گرافن و سد پتانسیل مربوط به آن باعث کاهش جریان تاریک می‌شود. در لایه‌های گرافنی که تحت تابش قرار گرفته‌اند، بخش اعظم انرژی نوری جذب‌شده به انرژی الکترون- حفره‌ها منتقل می‌شود که معمولا این منجر به گرم شدن سیستم الکترون- حفره می‌شود. در نتیجه فونون‌های نوری گسیل‌شده توسط الکترون و حفره‌هایی که به وسیله نور تولید شده‌اند، در لایه‌های گرافنی انباشته می‌شوند. بنابراین به نظر می‌رسد به حساب آوردن گرمای فونون‌های نوری غیر قابل صرف نظر باشد. پس نرخ تولید و فرسایش فونون‌های نوری نیز در معادلات نرخ باید در نظر گرفته شود. در این رساله پاسخ زمانی آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL را با به دست آوردن معادله نرخ ارائه شده است و نتایج نشانگر آن است که در فرکانس‌های بالا این آشکارساز نوری پاسخ سریع‌تری دارد و در فرکانس‌های پایین دارای پاسخ نوری مطلوب‌تری می‌باشد.

فهرست مطالب
عنوان صفحه
TOC o “1-3” h z u فهرست جدول‌ها PAGEREF _Toc409279856 h ‌حفهرست شکل‌ها PAGEREF _Toc409279857 h ‌طفصل 1- مقدمه PAGEREF _Toc409279858 h 11-1- ویژگی‌های گرافن PAGEREF _Toc409279859 h 21-2- معرفی آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL PAGEREF _Toc409279860 h 51-3- پیکربندی پایان‌نامه PAGEREF _Toc409279861 h 8فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شده PAGEREF _Toc409279862 h 112-1- خلاصه پیشینه پژوهشی PAGEREF _Toc409279863 h 112-1-1- تاریخچه مختصری از گرافن و فرآیندهای فیزیکی آن تحت تابش PAGEREF _Toc409279864 h 112-1-2- خلاصه تحقیقات انجام گرفته بر روی آشکارسازهای نوری گرافنی PAGEREF _Toc409279865 h 142-2- دینامیک حامل‌های فوق سریع در گرافن پمپ شده به صورت الکتریکی یا نوری PAGEREF _Toc409279866 h 182-3- نرخ تولید و بازترکیب حامل‌ها برای پراکندگی فونون درون‌دره‌ای و بین دره‌ای در گرافن PAGEREF _Toc409279867 h 212-3-1- مبانی نظری PAGEREF _Toc409279868 h 222-3-2- نتیجه محاسبات نرخ تولید و بازترکیب PAGEREF _Toc409279869 h 242-4- فرآیند تولید و بازترکیب حامل‌ها و آسایش انرژی در گرافن تحت تابش PAGEREF _Toc409279870 h 25فصل3- تحلیل زمانی آشکارساز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL PAGEREF _Toc409279871 h 323-1- گرافن PAGEREF _Toc409279872 h 323-2- شبکه مستقیم PAGEREF _Toc409279873 h 363-3- شبکه ی معکوس PAGEREF _Toc409279874 h 373-4- ساختار باندی الکترونیکی PAGEREF _Toc409279875 h 393-5- پراکندگی انرژی تنگ بست PAGEREF _Toc409279876 h 423-6- انرژی فرمی PAGEREF _Toc409279877 h 443-7- پراکندگی خطی انرژی و چگالی حامل‌ها PAGEREF _Toc409279878 h 453-8- نانوروبان گرافن PAGEREF _Toc409279879 h 493-9- دینامیک آسایش حامل‌ها و بازترکیب در پمپ نوری گرافن PAGEREF _Toc409279880 h 503-10- وارونگی جمعیت در گرافن تحت پمپ نوری PAGEREF _Toc409279881 h 513-10- 1- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی پایین PAGEREF _Toc409279882 h 513-10-2- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی بالا PAGEREF _Toc409279883 h 533-11- تحلیل آشکارساز نوری زیر قرمز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL PAGEREF _Toc409279884 h 533-11- 1- مدل دیود نوری GL-GNR-GL و معادلات مربوطه PAGEREF _Toc409279885 h 563-11-2- جریان نوری و جریان تاریک PAGEREF _Toc409279886 h 583-12- معادلات مربوط به پاسخ ضربه PAGEREF _Toc409279887 h 593-13- پاسخ زمانی به تابع پله PAGEREF _Toc409279888 h 653-14 پاسخ زمانی به پالس PAGEREF _Toc409279889 h 68فصل 4- نتیجه‌گیری و پیشنهادها PAGEREF _Toc409279890 h 714-1- نتیجه‌گیری PAGEREF _Toc409279891 h 714-2- پیشنهادها PAGEREF _Toc409279892 h 72فهرست منابع: PAGEREF _Toc409279893 h 73

فهرست جدول‌هاعنوان صفحه
TOC h z t “فهرست جدول‌ها;1” جدول 3-1 آلوتروپ‌های کربن [46] PAGEREF _Toc409279917 h 33

فهرست شکل‌هاعنوان صفحه
TOC h z t “فهرست شکل‌ها;1” شکل 1-1 شبکه لانه زنبوری و ساختار باندی انرژی برای گرافن [5]. PAGEREF _Toc409280370 h 3شکل 1-2 (الف)ساختار دیود نوری GL-GNR-GL ، (ب) دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. PAGEREF _Toc409280371 h 6شکل 1-3 (الف) ساختار باندی گرافن (ب) توزیع نیمه‌متعادل حامل های برانگیخته شده (ج) پراکندگی حامل- حامل (د) پراکندگی حامل-فونون [12]. PAGEREF _Toc409280372 h 7شکل 2- 1 ساختار آشکارساز نوری با گرافن چندلایه‌ (الف) نواحی p و n که به صورت شیمایی ناخالص شده‌اند. (ب) پیوند p-i-n به صورت الکتریکی القا شده است [41]. PAGEREF _Toc409280373 h 16شکل 2- 2 ساختار دیود نوری p-i-n با نانوروبان گرافن (الف) نواحی p و n به صورت الکتریکی القا شده اند. (ب) نواحی p و n به صورت شیمیایی ناخالص شده‌اند [43]. PAGEREF _Toc409280374 h 17شکل 2-3 دیاگرام باندی فونون در گرافن و برهم‌کنش فونون‌های نوری و حامل‌ها به وسیله‌ی انتقالات بین دره‌ای، درون دره‌ای، بین باندی و درون باندی [7]. PAGEREF _Toc409280375 h 19شکل 2-4 دینامیک آسایش و بازترکیب حامل‌ها در گرافن پمپ شده به صورت نوری در دمای اتاق [7]. PAGEREF _Toc409280376 h 19شکل 2-5 وابستگی زمانی (الف) دمای حامل‌ها و (ب) انرژی شبه فرمی با شدت پالس‌های متفاوت [31]. PAGEREF _Toc409280377 h 21شکل 2-6 (الف) ناحیه بریلویین اولیه. (ب) شبکه گرافن [10]. PAGEREF _Toc409280378 h 23شکل 2-7 پراکندگی بین باندی درون‌دره‌ای و بین دره‌ای توسط فونون‌های نوری در گرافن [10]. PAGEREF _Toc409280379 h 23شکل 3-1 چینش الکترون‌ها و تنیدگی آن‌ها در (الف) عنصر کربن و (ب) گرافن. (ج) نمایش اوربیتال‌ها [46]. PAGEREF _Toc409280380 h 33شکل 3-2 تصویر TEM انتقال نوری قابل توجه گرافن که اتم‌های الکترون و پیوند‌ها در ساختار لانه‌زنبوری را روشن نشان می‌دهد [46]. PAGEREF _Toc409280381 h 34شکل 3-3 گرافن دو بعدی می‌تواند به عنوان سنگ‌بنای آلوتروپ‌های متنوع در همه‌ی ابعاد شامل گلوله‌های باکی بدون بعد، نانولوله‌های یک بعدی و گرافیت سه بعدی بررسی شود [46]. PAGEREF _Toc409280382 h 35شکل 3-4 شبکه لانه زنبوری گرافن. سلول واحد اولیه متوازی الاضلاع متساوی الاضلاع بر اساس دو اتم A و B می‌باشد [46]. PAGEREF _Toc409280383 h 36شکل 3-5 شبکه‌ی معکوس گرافن [46]. PAGEREF _Toc409280384 h 38شکل 3-6 ساختار باندی بدون تقریب گرافن شامل باندهای σ و π [46]. PAGEREF _Toc409280385 h 39شکل 3-7 مقایسه پراکندگی‌های NNTB و ab-initio برای گرافن [46]. PAGEREF _Toc409280386 h 43شکل 3-8 ساختار باندی تنگ بست نزدیک‌ترین همسایگی گرافن [46]. PAGEREF _Toc409280387 h 45شکل 3-9 پراکندگی انرژی خطی گرافن در نقطه‌ی K که به عنوان مخروط دیراک شناخته می‌شود [46]. PAGEREF _Toc409280388 h 46شکل 3-10 چگالی حامل‌های ذاتی برای گرافن [46]. PAGEREF _Toc409280389 h 48شکل 3-11 ساختار اتمی (الف) نانوروبان گرافن زیگزاگ، (ب) نانوروبان گرافن چرخ‌دستی بار عرض W [5]. PAGEREF _Toc409280390 h 49شکل 3-12 الف: ZGNR(8) ب: AGNR(9) ج: AGNR(9) [5]. PAGEREF _Toc409280391 h 50شکل 3-13 نمایش طرح‌واره‌ی ساختار باندی گرافن (الف) و توزیع انرژی الکترون‌ها و حفره‌های نوری (ب-د) [5]. PAGEREF _Toc409280392 h 52شکل 3-14 ساختار دیود نوری GL-GNR-GL و دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. PAGEREF _Toc409280393 h 55شکل 3-15 وابستگی زمانی انرژی شبه فرمی با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [31]. PAGEREF _Toc409280394 h 61شکل 3-16 وابستگی زمانی دمای حامل‌ها با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [31]. PAGEREF _Toc409280395 h 61شکل 3-17 تحول زمانی ( الف) انرژی شبه فرمی (ب) تعداد فونون‌های نوری (ج) چگالی انرژی (د) دمای حامل‌ها (ه) جریان نوری (و) تراکم حامل‌ها، با تحریک پالس 100 فمتوثانیه و انرژی فوتون نوری 100 meV. PAGEREF _Toc409280396 h 63شکل 3-18 تغییرات جریان نوری به ازاء (الف) شدت نورهای مختلف (ب) سد پتانسیل‌های متفاوت از نانوروبان گرافن. PAGEREF _Toc409280397 h 64شکل 3-19 جریان نوری بر حسب انرژی فوتون و مقایسه با نتیجه‌ی به دست آمده در مرجع [9]. PAGEREF _Toc409280398 h 66شکل 3-20 تحول زمانی ( الف) انرژی شبه فرمی (ب) تعداد فونون‌های نوری (ج) چگالی انرژی (د) دمای حامل‌ها (ه) جریان نوری (و) تراکم حامل‌ها، با تحریک تابع پله و انرژی فوتون نوری 1eV. PAGEREF _Toc409280399 h 67شکل 3-21 جریان نوری به ازای سه فرکانس نور متفاوت به صورت پالس. PAGEREF _Toc409280400 h 69
فصل اول

فصل 1- مقدمهادوات نوری شامل لیزرها، مدولاتورها، کوپلرها، آشکارسازها، سوئیچ‌ها و دیگر افزاره‌ها، قلب تحول مخابرات هستند که بخش عظیمی از مهندسی الکترونیک را به خود اختصاص داده‌اند. در این میان آشکارسازهای نوری علاوه بر کاربرد در مخابرات برای تبدیل انرژی نوری به الکتریکی در قسمت گیرنده‌ی فیبر نوری، کاربردهای دیگری نیز دارند. از کاربردهای ساده‌ای مانند درهای اتوماتیک گرفته تا تصویربرداری، کاربردهای فضایی، نظامی و پزشکی.
در میان آشکارسازهای نوری، در بیشتر آشکارسازهای زیر قرمز و افزاره‌های تصویربرداری، ساختارهای نیمه‌هادی با شکاف انرژی باریک نظیر HgCdTe و InSb به کار گرفته شده‌اند. لزوم افزایش گستره‌ی محدوده‌ی طول موج تحت پوشش آشکارساز و توسعه‌ی کاربری در کنار کاهش هزینه در فرآیند تولید، انگیزه‌ی اصلی برای پیشرفت ساختارهای با ابعاد کوچک مانند چاه‌های کوانتومی، نقطه‌های کوانتومی و سیم‌های کوانتومی در آشکارسازهای نوری شده است [1]. به تازگی مطالعه‌ی افزاره‌های مبتنی بر ترکیبات کربنی مانند نانوتیوب‌ها، لایه‌های گرافنی و نانوروبان‌های گرافن به علت ویژگی‌های منحصر به فردی که دارند، به سرعت در حال افزایش است. در این فصل به عنوان مقدمه ابتدا در مورد ویژگی‌های الکترونیکی نوری گرافن توضیح مختصری داده خواهد شد، سپس به توصیف کلی عملکرد آشکارساز نوری مبتنی بر GL-GNR-GL پرداخته می‌شود و در بخش آخر پیکربندی پایان‌نامه ارائه می‌گردد.
1-1- ویژگی‌های گرافنامروزه استفاده از افزاره‌های سیلیکونی در همه‌ی جنبه‌های زندگی ما مشهود است به طوری‌که گفته می‌شود در “عصر سیلیکون” قرار داریم. یکی از کاربردهای افزاره‌های سیلیکونی در آشکارسازی نور است ولی پیشرفت‌های اخیر در علم نانوفناوری افق‌های روشنی در جهت طراحی افزاره‌های

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 *