گرافن، گرافنی، آسایش، دینامیک، تراهرتز، آشکارساز

ا تغییر دهد. در دهه اخیر تا امروز پیشرفت منابع تراهرتزی که در دمای اتاق کار کند و منسجم، فشرده و قابل تنظیم باشد یکی از داغ‌ترین مسائل در الکترونیک پیشرفته بوده است [7]. فرکانس قطع ترانزیستورهای با کانال گرافنی با نزدیک شدن به محدوده تراهرتز افزایش می‌یابد [15] ولی آشکارسازهای گرافنی عملکرد سریعی در محدوده‌ی زیر قرمز از خود نشان می‌دهد به طوری که انتظار می‌رود در حوزه تراهرتز نیز کارکرد مناسبی داشته باشند [16]. نوسان‌سازهای تراهرتز پلازمنیک گرافن [17و18] به همراه لیزرهای تراهرتز گرافن [19و20] پیشنهاد شده اند. اخیرا مدولاتور تراهرتز بر مبنای جذب درون باندی گرافن نیز ارائه شده است که مشخصا اولین کاربرد حقیقی تراهرتز از گرافن است [21].
برای شناخت افزاره‌های مبتنی بر گرافن، درک دینامیک بازترکیب و آسایش حامل‌های نامتعادل از اهمیت به سزایی برخوردار است. به صورت نظری پیش‌بینی شده است که انرژی حامل‌هایی که به صورت نوری برانگیخته شده‌اند با سرعت بسیار بالایی توسط گسیل فونون‌های نوری به حالت تعادل خود بازمی‌گردد [22]. اخیرا تحلیل زمانی دینامیک آسایش حامل‌های نامتعادل برای گرافن تک لایه و چند لایه بررسی شده است [23]. به علت ساختار باندی متقارن بدون شکاف انرژی، بازترکیب الکترون و حفره، ممکن است منجر به گسیل فونون نوری و یا بازترکیب تابشی به دلیل انتقال مستقیم شود. گرم شدن حامل‌ها در دمای بالا (دمای اتاق) و یا در پمپ قوی با انرژی فوتون بالا فرآیند دینامیک حامل‌ها را به نسبت پیچیده‌تر می‌کند. به صورت تجربی نشان داده شده است که در دمای اتاق برانگیختگی به هم پیوسته به دلیل پراکندگی حامل- حامل درون باندی توزیع انرژی را در یک مدت زمان بسیار سریع به صورت نیمه متعادل در می‌آورد، سپس با گسیل فونون‌های نوری برای خنک شدن حامل‌ها ادامه می‌یابد [7].
علاوه بر این، پراکندگی حامل- حامل بین باندی از قبیل فرآیند نوع اوژه و یا نوع یونیزاسیون ضربه‌ای، که فرض می‌شد که به صورت نظری در گرافن غیرمجاز است، ممکن است به دلیل نقص کیفی بلور به شدت دینامیک آسایش حامل‌ها را تغییر دهد. به تازگی تحقیقات نظری و تجربی نشانگر چنین نمودهایی روی دینامیک آسایش است [7].
هنگامی که آسایش فوق سریع حامل‌ها و بازترکیب نسبتا کند بررسی می‌شود، اگر انرژی فوتون پمپ شده مناسب انتخاب شود و شدت پمپ به اندازه کافی بالا باشد، انتظار می‌رود که وارونگی جمعیت اتفاق بیفتد. بررسی وارونگی جمعیت در این پژوهش به این علت مورد توجه است که در ساختار آشکارساز تحت بررسی، بعد از وارونگی جمعیت جریان ترمویونی با عبور از سد پتانسیل نانوروبان گرافن ایجاد می‌شود. محققان به صورت تحلیلی نشان داده‌اند که گرافنی که به صورت الکتریکی یا نوری پمپ می‌شود می‌تواند وارونگی جمعیت و حتی رسانش دینامیک منفی که لازمه‌ی بروز بهره در تقویت‌کننده‌هاست، در گستره‌ی طیفی وسیع تراهرتز با شدت پمپ بالاتر از سطح آستانه از خود نشان دهد [24]. محققان در تحلیل‌های اولیه از آثار گرمایی حامل‌ها و پراکندگی حامل- حامل که بیشتر در دماهای پایین و تحت شدت پمپ ضعیف قابل قبول است، صرف نظر می‌کردند [25]. اخیراً آن‌ها به صورت نظری نشان داده‌اند که وارونگی جمعیت و به تبع آن رسانش دینامیک منفی با به حساب آوردن پراکندگی حامل‌- حامل می‌تواند در محدوده تراهرتز و حتی در دمای اتاق رخ بدهد که توزیع حامل‌هایی که به صورت نوری برانگیخته شده‌اند، توسط پراکندگی حامل- حامل در حالت نیمه تعادل قرار می‌گیرند [26]. علاوه بر این، آن‌ها به صورت تجربی گسیل برانگیخته‌ی تقویت شده در حوزه تراهرتز در مدت زمان چند پیکو ثانیه در گرافنی که به صورت نوری پمپ شده است مشاهده کرده‌اند [27]. به صورت هم‌زمان، لی و همکارانش مشاهده وارونگی جمعیت و گسیل برانگیخته را در فرکانس‌های نزدیک زیر قرمز در مدت زمان کوتاه (تقریبا 200 فمتو ثانیه) نشان دادند [28].
برای بررسی دینامیک آسایش حامل‌ها، طول عمر فونون نوری از اهمیت خاص خود برخوردار است. در این راستا تحقیقاتی در زمینه‌ی میزان طول عمر فونون نوری انجام گرفت که از جمله‌ی آن می‌توان به کار ونگ و همکارانش اشاره کرد که با استفاده از اسپکتروسکوپی پمپ- پراب فوق سریع، دینامیک آسایش فونون‌های نوری داغ را در فیلم‌های گرافن چند لایه بررسی کرده‌اند. این فیلم‌های گرافنی به صورت لایه نشانی بر روی زیرلایه‌ی SiC و همچنین توسط رسوب بخار شیمیایی روی زیرلایه‌های نیکل رشد یافته اند. در چند صد فمتو ثانیه‌ی اول بعد از برانگیختگی نوری، حامل‌های داغ بیشترین انرژی خود را برای تولید فونون‌های نوری داغ از دست می‌دهند که به عنوان مانع اصلی برای خنک شدن بعدی بروز می‌کنند. ونگ و همکارانش نشان دادند که خنک شدن فونون های نوری در مدت زمان کوتاه مستقل از روش رشد گرافن، تعداد لایه‌ها و نوع زیرلایه است و مقدار طول عمر فونون‌های نوری به طور متوسط بین 2.5 تا 2.55 پیکوثانیه است. همچنین آن‌ها دینامیک آسایش سیستم به هم بسته‌ی حامل- فونون را با معادلات نرخ مدل کرده‌اند و به یک توافق قابل قبولی بین داده‌های تجربی و نظری دست یافتند [29].
همچنین محققان، معادلات نرخ تولید و بازترکیب و آسایش حامل‌ها برای گرافن یک و چندلایه بر اثر پمپ نوری در حالت پایدار و گذرا پیشنهاد کرده‌اند [30-32] و تحول زمانی دما و انرژی شبه فرمی را به دست آورده اند[31] و مشخصه‌های پلاسمای الکترون- حفره‌ی نوری در لایه‌های گرافنی در دماهای بالا (دمای اتاق) وقتی فرآیندهای بین باندی و درون باندی جذب و گسیل فونون‌های نوری نقش مهمی را ایفا می‌کند بررسی کردند [33].
2-1-2- خلاصه تحقیقات انجام گرفته بر روی آشکارسازهای نوری گرافنیدر بیشتر آشکارسازهای زیرقرمز و افزاره‌های تصویربرداری، ساختارهای نیمه‌هادی با شکاف انرژی کم مثل HgCdTe و InSb به کار گرفته شده اند. لزوم توسعه‌ی بیشتر گستره‌ی طول موج در آشکارسازها و افزایش کاربری در کنار کاهش قیمت در فرآیند تولید، باعث پیشرفت ساختارهای با ابعاد کوچک مانند چاه‌های کوانتومی، نقطه‌های کوانتومی و سیم‌های کوانتومی در آشکارسازهای نوری شده است [1]. مطالعات اخیر روی ساختارهای مبتنی بر گرافن به سرعت در حال پیشرفت است. مدتی بعد از کشف گرافن توسط گایم و نووسلف، خصوصا اخیراً افزاره‌های مختلفی بر اساس ساختارهای گرافنی، نانوروبان گرافن و نانولوله‌های گرافن توسط دانشمندان پیشنهاد شده است. در این راستا محاسبات تحلیلی رسانش گرافن خالص به عنوان تابعی از فرکانس و بردار موج و دما انجام شده است [34]. نتایج تجربی پیشنهاد می‌دهد که سیستم‌های گرافنی نه تنها در افزاره‌های الکترونیکی پیشرفته بلکه همچنین به عنوان افزاره‌های نوری برای کاربردهای متنوع می تواند استفاده شود. از جمله این افزاره‌ها می‌توان آشکارساز نوری با ساختار pin نام برد که تشکیل شده از لایه‌های گرافنی است که قسمت p و n آن به صورت الکتریکی ایجاد می‌شود. امکان شکل گرفتن پیوندهای pin و pn به صورت الکتریکی در لایه‌های گرافنی توسط محققان بررسی شده است [35]. در ساختارهای مذکور، در مقایسه با ساختارهای با لایه‌های گرافنی که به صورت شیمیایی ناخالص شده اند، امکان کنترل ولتاژ به صورت الکتریکی وجود دارد [36] و این باعث تنظیم جمعیت حامل‌ها در ناحیه p و n می‌شود و به تبع آن طیف جذبی مختلفی قابل دستیابی است. در ادامه‌ی محاسبات نظری، رسانش نوری ناشی از تابش پرتوی زیر قرمز در دماهای پایین در گرافن خالص تحلیل شده است [37]. در این مدل، برانگیختگی زوج الکترون- حفره توسط پرتوی ورودی، انتقالات بازترکیب-تولید بین باندهای ظرفیت و هدایت به سبب تابش گرمایی محاسبه شده است.
ساختارهای مختلفی از آشکارسازهای نوری ترانزیستوری فوق سریع و اثرمیدانی با استفاده از لایه‌های گرافنی و نانوروبان گرافن پیشنهاد شده است [38و 39 و 6] و پاسخ به نور مدوله شده برای آن‌ها حدود 40 گیگاهرتز به دست آمده است. هرچند در ترانزیستورهای نوری بهره‌ی جریان نوری بالا است ولی این مستلزم به کار گرفتن ساختارهای پیچیده‌تری می‌باشد در ضمن حضور گیت روی ترانزیستورهای با گرافن دولایه و نانوروبان گرافن می تواند موجب کاهش تحرک الکترون و حفره شود. به همین دلیل ساختار ساده‌تری چون pin پیشنهاد شد.
یکی از آشکارسازهای بر اساس ساختار pin پیشنهاد شده است که همان‌طور که در شکل 2-1 مشاهده می‌شود، از لایه‌های گرافنی تشکیل شده است که به صورت شیمیایی و یا الکتریکی قسمت‌های p و n ساخته می‌شوند. ناخالص‌سازی الکتریکی به این صورت است که به اعمال ولتاژ مثبت و تجمع الکترون‌ها، ناحیه n القا می‌شود و همین‌طور برای p اعمال ولتاژ منفی و تجمع حفره و تشکیل ناحیه p رخ می دهد. در مقایسه ساختارهای با ناخالص‌سازی شیمیایی، در ناخالص‌سازیِ القای الکتریکی امکان کنترل ولتاژ وجود دارد [36].

شکل 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].مشخصه‌های این آشکارساز مانند پاسخ نوری و آشکارسازی محدود شده با جریان تاریک و با آشکارسازهای دیگر مقایسه و محاسبه شده است و نشان داده شده است که بازده کوانتومی بالا و جریان گرمایی پایین باعث عملکرد فوق العاده‌ی این نوع آشکارسازها می‌شود [40]. همچنین امکان تونلزنی بین باندی به عنوان یک فرآیند محدودکننده برای مقدار نهایی آشکارسازی بررسی شده است. در این ساختار به دلیل بازده کوانتومی بالا و نرخ نسبتا پایین جریان گرمایی، آشکارساز پاسخ و آشکارسازی بالایی به ویژه در دماهای بالا (دمای اتاق) در طیف تابشی وسیعی از خود نشان می‌دهد و می‌تواند از دیگر آشکارسازها پیشی بگیرد [41]. علاوه بر این پاسخ dc آشکارساز و آشکارسازی به عنوان تابعی از تعداد لایه‌های گرافن و پارامترهای هندسی حساب شد و نشان داده شد که این مشخصه‌ها مقادیر نسبتا زیادی خصوصا در محدوده تراهرتز دارند. با محاسبه پاسخ نوری و آشکارسازی به عنوان تابعی از فرکانس مدولاسیون در محدوده تراهرتز و زیرقرمز نشان می‌دهد که این آشکارساز بسیار سریع است و می‌تواند پاسخ مطلوبی به نور مدوله شده با فرکانس چندده گیگاهرتز داشته باشد [42].
ساختار دیگر دیود نوری pin است که آرایه‌های نانوروبان گرافن در آن به کار رفته است. به طوری‌که در شکل 2-2 مشاهده می‌شود، مانند آشکارساز گرافن چندلایه می تواند به دو صورت الکتریکی و شیمیایی ناخالص شود.
جریان تاریک در ساختار pin گرافن چند لایه ناشی از جریان تونلی و جریان گرمایی و جریان تزریقی است. در دماهای بالا(300K) آشکارسازی بیشتر تحت تاثیر جریان تاریک وابسته به گرما است و باعث کاهش آشکارسازی می‌شود و تفاوتی بین ساختار با نانوروبان گرافن و گرافن چند لایه وجود ندارد. اما در دماهای نسبتا پایین تونلزنی بین باندها بیشتر از

شکل 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].تولیدگرمایی موثر واقع می‌شود و دیودهای نوری نانوروبان گرافن آشکارسازی بهتری نسبت به دیودهای نوری گرافن دولایه‌ دارند. این به این دلیل است که شکاف انرژی در نانوروبان گرافن مانع ایجاد جریان تونلی بین باندها می‌شود. در این ساختار نیز بازده کوانتومی بالا و نرخ جریان گرمایی پایین باعث افزایش پاسخ و آشکارسازی در دماهای بالا و طیف تابشی وسیعی می‌شود. از این آشکارساز می‌توان در سیستم‌های مختلف زیر قرمز و تراهرتز چند رنگه با پهنای باند گسترده استفاده کرد [43].
آنچه تا کنون ذکر شد، ارائه مختصر چند ساختار آشکارساز گرافنی و بیان مشخصه‌های آن‌ها بود. اما علی‌رغم تلاش‌های انجام شده، محدوده‌ی سرعت نهایی این افزاره‌ها مشخص نیست. پاسخ زمانی آشکارساز فلز-گرافن-فلز با گرافن تک لایه، با پالس‌های لیزری بسیار کوچک اندازه گیری شده است. به دلیل کوتاه بودن طول عمر حامل‌های تولید شده با نور، پاسخ زمانی 2.1ps به دست آمده است که به عبارتی 262GHz پهنای باند دارد [44]. اما تحلیل زمانی افزاره‌هایی که مختصرا شرح داده شد، مورد بررسی قرار نگرفته است.
2-2- دینامیک حامل‌های فوق سریع در گرافن پمپ شده به صورت الکتریکی یا نوری
تقارن لانه زنبوری گرافن منجر به انرژی بسیار زیاد فونون نوری می‌شود. همانطور که در شکل 2-3 نشان داده شده است، این انرژی در مرکز ناحیه بریلویین Γ تقریبا 198 meV و در لبه‌های K و Kʹ ناحیه برای حالت عرضی 163 meV است. برهم‌کنش‌های حامل- فونون در خلال فرآیندهای درون‌دره‌ای، بین دره‌ای، درون‌باندی و بین باندی که در شکل 2-3 نشان داده شده است، نقش غالب برای خنک کردن دماهای بالای الکترون و حفره‌های نوری ایفا می‌کنند که منجر به فرآیند آسایش انرژی در سیستم فوق العاده نامتعادل گرافن می‌شود. آسایش حامل‌ها و دینامیک بازترکیب در گرافنی که به صورت نوری پمپ شده است به صورت طراح‌واره در شکل 2-4 نشان داده شده است. وقتی الکترون‌ها و حفره‌هایی که به وسیله نور تولید شده اند گرم می‌شوند، برانگیزش‌های انبوه به سبب پراکندگی حامل- حامل درون باندی عامل اصلی برای ایجاد حالت نیمه تعادل حامل‌ها در طول مدت زمان 20 تا 200 فمتو ثانیه است. سپس حامل‌هایی که هنوز از توزیع با انرژی بالا برخوردار هستند، فونون‌های نوری گسیل می‌دهند، خودشان را خنک می‌کنند و اطراف نقاط دیراک انباشته می‌شوند. به علت یک آسایش درون‌باندی سریع (در حد پیکوثانیه یا کمتر) و بازترکیب بین باندی نسبتا کند الکترون و حفره‌های نوری (≫1ps) ، وارونگی جمعیت همان‌طور که در شکل 2-4 دیده می‌شود قابل حصول است [7].
انرژی حامل‌های نامتعادل وابسته به زمان و توزیع چگالی حامل‌های گرافن با معادلات نرخ به صورت فرمول درآمده‌اند و دینامیک بازترکیب و آسایش حامل در گرافنی که با تابع ضربه

شکل 2-3 دیاگرام باندی فونون در

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 *