گرافن، گرافنی، الکترون، لایه‌های، نانوروبان، سیلیکن

نوری زیر میکرومتری نیز به ما می‌نمایاند. دلیل این ظرفیت بالا برای پیشرفت، قابلیت کار کردن با مولکول‌های منحصر به فرد یا رشد شیمیايی مواد است [2].
با توجه به اینکه فناوری مبتنی بر سیلیکن به محدودیت‌های خاص خود رسیده است، ماده‌ی جدیدی توجه محققان را به خود جلب کرده است تا جایگزین نقش سیلیکن در فناوری نیمه‌هادی شود. بسیاری از گزینه‌های موجود برای جایگزینی سیلیکن حذف شده‌اند و سیلیکن هنوز معتبرترین ماده نیمه‌هادی موجود برای استفاده در این حوزه است. با این حال، هر چه اندازه‌ی افزاره‌های الکترونیکی کوچک‌تر می‌شود، سیلیکن به محدودیت‌‌های مقیاسی در افزاره‌ می‌رسد و باور دانشمندان بر این است که در آینده‌ی نزدیک سیلیکن بیش از این نمی‌تواند نیاز کاربردهای الکترونیک فرکانس بالا را در بازار برآورده کند. طبق قانون مور تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع در هر دوره‌ی 18ماهه دوبرابر می‌شود. با کوچک و کوچک‌تر شدن افزاره‌های نیمه‌هادی مبتنی بر سیلیکن، در حال حاضر فناوری سیلیکن بر روی مرزهای محدودیت‌های اساسی قرار دارد و برخی مشکلات مانند تونل‌زنی در MOSFETها ممکن است بروز کند. بنابراین یک تحقیق کامل برای ایجاد گزینه‌های جایگزین برای فناوری افزاره‌ی حالت جامد بدون هیچ نوع مشکلی در اندازه نیاز است [3].
در میان مولکول‌های مختلف، به نظر می‌آید که ترکیب‌های کربن امیدبخش‌ترین موادی هستند که از نظر شیمیایی بسیار به سیلیکون شبیه هستند و در طبیعت به وفور یافت می‌شوند و همچنین کار کردن با آن‌ها آسان است. به ویژه گرافن و نانولوله‌های کربنی که دارای ویژگی‌های الکترونیکی و نوری منحصر به فردی هستند. ویژگی‌های این ماده تا حدی توجه محققان را به خود جلب کرده است که بسیاری ادعا دارند که وارد عصر بعد از سیلیکون یا “عصر کربن” شده‌ایم [2].
گرافن یک رسانای بسیار عالی، فوق العاده قوی و چند منظوره است. ورقه‌های گرافن می‌تواند به شکل نانولوله‌های چند جداره و تک جداره و نانو روبان‌ها باشند. بسته به اندازه و خواص هندسی آن‌ها می‌توانند مانند فلزات، عایق و یا نیمه‌رسانا رفتار کنند [4].
گرافن یک لایه از اتم‌های کربن است که با آرایش sp2 در یک شبکه بلور لانه زنبوری واقع شده است. به دلیل انتقال حامل منحصر به فرد و خواص نوری آن مورد توجه زیادی قرار گرفته است. همان طور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، باند هدایت و ظرفیت گرافن یک مخروط متقارن را در نقاط K و ʹK تشکیل می‌دهند که در این نقاط به یکدیگر متصل می‌شوند و منجر به خواص ویژه‌ای شبیه به فرمیون‌های نسبیتی بدون جرم با انتقال فوق سریع بدون پراکندگی برگشتی می‌شود [5].

شکل 1-1 شبکه لانه زنبوری و ساختار باندی انرژی برای گرافن [5].میزان قابلیت حرکت حامل‌های ذاتی بیش از 200000 cm2V-1s-1 برای افزاره‌های مبتنی بر گرافن پیش بینی می‌شود [3] که به طور نظر ی 200 برابر قابلیت حرکت در سیلیکون است. همچنین ذخیره شارژ در گرافن کمتر است، بنابراین فرکانس کاری بالایی دارد. علی‌رغم ضخامت نانومتری گرافن، 2.3درصد نور با طول موج بین 300 نانومتر تا 6 میکرومتر را جذب می‌کند که با افزایش لایه‌های گرافن می‌توان جذب و در نتیجه پاسخ نوری را در طیف وسیعی از طول موج‌ها افزایش داد. گرافن یکی از بیشترین میزان قدرت انتقال حامل‌ها بین باند هدایت و ظرفیت را در بین مواد شناخته شده به خود اختصاص داده است. سرعت حرکت حامل‌ها در گرافن بیشتر ازcm/s 108 است [6].
خواص الکترونیکی گرافن، قابلیت حرکت بسیار بالای الکترون و حفره‌های بدون جرم (به دلیل پراکندگی خطی ساختار باندی آن‌ها) و سیستم‌های الکترون و حفره دوبعدی واقعی (به علت ساختار تک لایه نازک) برتر از مزیت‌های باقی مواد نیمه‌هادی است. به دلیل رابطه‌ی پراکندگی خطی، چگالی حالت‌ها در گرافن با انرژی متناسب است که چگالی اشباع فوق العاده بالایی در الکترون‌ها و حفره‌ها ایجاد می‌کند. چگالی الکترون و حفره‌ بر سطح در حد 1013 cm-2 به راحتی قابل دستیابی است که 10 برابر بیشتر از مواد نیمه‌هادی معمولی است. بنابراین به علت عدم وجود دره نزدیک نقطه k و k’ بیشینه سرعت الکترون و حفره بسیار بالا است و انرژی فونون‌های نوری انقدر زیاد است که انتشار فونون‌های نوری ضعیف‌تر از انتشار آن‌ها در مواد نیمه‌هادی معمولی شود [7].
در کنار لایه‌های گرافنی دو بعدی، مدل‌های اتمی نوار نازک گرافن در درجه اول برای تحلیل ماهیت جابه‌جایی لبه و ظهور زنجیره‌های آویزان معیوب در شبکه‌های کربن درست شده‌اند. انتظار نمی‌رفت که چنین نوارهای گرافنی باریک، موسوم به نانوروبان گرافن، در طبیعت وجود داشته باشد. کشف اینکه مواد گرافنی می‌توانند در حالت آزاد ساخته شوند و با روش‌های پیشرفته‌ی لیتوگرافی ترکیب شوند، تایید کرد که ساختارهای گرافنی محدود به صورت تجربی امکان‌پذیر است. در حال حاضر، ترکیب نمونه‌های نانوروبان گرافن به صورت چشم‌گیری با روش‌های پیشرفته‌تر از لیتوگرافی معمول ساخته شده است. به عنوان مثال، “روبان‌ها” با عرض کمتر از 10 نانومتر توسط اچینگ کریستالوگرافی ساخته شده است [5].
خواص فیزیکی نانوروبان‌های گرافن به شدت به عرض و توپولوژی ساختارهای لبه‌ی آن‌ها بستگی دارد. دو نوع متعارف از لبه‌های گرافن وجود دارد. به طور کلی، مطالعات نظری نشان می‌دهد که نانوروبان گرافن با لبه زیگزاگ مانند فلز رفتار می‌کند، ولی نانوروبان با لبه آرمچیر رفتارهای متفاوتی بسته به تعداد سلول‌های واحد در عرض نانوروبان دارد [8].
نیمه‌هادی‌ سیلیکون به دلیل آثار کوانتومی در لایه‌های نازک‌تر نمی‌تواند بازده خوبی در انتقال جریان داشته باشد. علاوه بر این اثر ژول در انتقال الکترون به میزان زیادی گرما تولید می‌کند. همچنین سیلیکن باید از مواد معدنی تولید شود و سپس به صورت ویفر دربیاید که در آخر ماده موثری نخواهد بود زیرا فرآیند ساخت آن طولانی و بسیار تخصصی است و نرم‌افزارهای بسیار پیچیده‌ای برای طراحی جزئیات تراشه و تولید نهایی لازم است که هزینه را بالا می‌برد [2]. از طرف دیگر در موادی مانند ترکیب‌های کربنی که به روش نانو تولید می‌شوند این مشکلات کمتر وجود دارد. طبیعتا افزاره‌هایی که با این مواد ساخته شده باشند از کیفیت بالاتری برخوردار هستند. در میان این افزاره‌ها آشکارسازهای نوری ساخته شده توسط لایه‌های گرافنی از اهمیت بالایی برخوردار است. دانشمندان با پیشنهاد ساختارهای مختلف بر اساس لایه‌های گرافنی و نانوروبان گرافن، به بررسی مشخصه‌های آن پرداخته‌اند که از آن جمله می‌توان آشکارسازی و پاسخ آشکارسازهای نوری را ذکر کرد که به صورت نظری بررسی و تحلیل شده‌اند و نتایج قابل قبولی به دست آمده است.
1-2- معرفی آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GLیکی از آشکارسازهای نوری که از ساختارهای مختلف آشکارساز گرافنی که در سال‌های اخیر پیشنهاد و بررسی شده‌اند، آشکارساز بر اساس ساختار GL-GNR-GL است که تفاوت آن نسبت به آشکارسازهای مشابه، دستیابی به مشخصه‌های طیفی متفاوت در آشکارساز و تغییر طیف جذبی آن می‌باشد. همچنین بر خلاف ساختارهای pin، در این آشکارساز نوری ناحیه جذب و دو ناحیه‌ی مجاور آن بدون ناخالصی هستند و گرم شدن سیستم الکترون و حفره عامل

(الف)

(ب)
شکل 1-2 (الف)ساختار دیود نوری GL-GNR-GL ، (ب) دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9].اصلی ایجاد جرین در افزاره می‌باشد. همان‌طور که در شکل 1-1 مشاهده می‌شود، 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 [9].
گرما که در ساختارهای پیشین به عنوان نقطه ضعف افزاره محسوب می‌شد، در این ساختار عامل اصلی ایجاد جریان نوری است. در دماهای بالای 100 K (دمای اتاق) بیشتر بازترکیب‌ها فونون نوری گسیل می‌کنند [10]. همچنین آسایش انرژی الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه‌های گرافنی به دلیل برهم‌کنش فونون‌های نوری صورت می‌پذیرد [11]. در نتیجه فونون‌های نوری گسیل‌شده توسط الکترون و حفره‌هایی که به وسیله نور تولید شده‌اند، در لایه‌های گرافنی انباشته می‌شوند. این باعث گرم شدن سیستم فونون نوری می‌شود. انحراف سیستم فونون نوری از حالت تعادل همچنین می‌تواند فرآیندهای تولید و بازترکیب بین باندی را تحت تاثیر قرار دهد. این می تواند بسته به انرژی نور ورودی باعث سرد شدن و یا گرم شدن سیستم الکترون- حفره شود [9]. بنابراین به نظر می‌آید به حساب آوردن گرمای فونون‌های نوری در معادلات غیر قابل چشم‌پوشی باشد.

(د) (ج) (ب) (الف)
شکل 1-3 (الف) ساختار باندی گرافن که نشانگر جمعیت ذاتی الکترون‌ها و حفره‌ها نزدیک نقطه دیراک است. برانگیزش نوری توسط فلش نشان داده شده است. (ب) توزیع نیمه‌متعادل حامل های برانگیخته شده (ج) حامل‌ها در خلال پراکندگی حامل- حامل در محدوده زمانی τ1 میان خودشان به تعادل می‌رسند که منجر به یک توزیع حامل‌های‌ داغ می‌شود. (د) خنک شدن و فرسایش بعدی توزیع حامل‌‌ها داغ در خلال پراکندگی حامل-فونون (و امکان بازترکیب الکترون و حفره) در محدوده زمانی τ2 [12].لازمه‌ی به دست آوردن معادله نرخ با شرکت فونون نوری، درک فرآیند تولید و بازترکیب حامل‌ها در گرافن تحت پمپ نوری است. هنگامی که گرافن در دمای اتاق به صورت نوری پمپ می‌شود، الکترون‌ها از باند ظرفیت به باند هدایت برانگیخته می‌شوند و پس از چند فمتوثانیه حامل‌ها بدون گسیل فونون نوری به یک حالت نیمه‌تعادل می‌رسند که پراکندگی حامل-حامل گفته می‌شود. در ادامه خنک شدن و فرسایش سیستم الکترون و حفره در خلال پراکندگی حامل-فونون رخ می‌دهد. به عبارت دیگر امکان بازترکیب الکترون و حفره در این زمان وجود دارد. همان‌طور که در شکل 1-2 این الگو به صورت طرح‌واره نشان داده شده است، وارونگی جمعیت رخ می‌دهد. لازم به ذکر است که تحقق وارونگی جمعیت در این آشکارساز برای عبور حامل‌ها از سد پتانسیل نانوروبان گرافن لازم می‌باشد.
بنابراین در این رساله با در نظر گرفتن نرخ تولید فونون‌های نوری، نرخ بازترکیب و تولید الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه‌های گرافنی معادله نرخ به دست آمده است. با توجه به اینکه علی‌رغم تلاش‌های انجام شده، محدوده‌ی سرعت نهایی آشکارساز های نوری گرافنی پیشنهاد شده مشخص نیست، پاسخ زمانی این افزاره بررسی شده است. برای بررسی سرعت آشکارسازهای نوری باید پاسخ زمانی آن‌ها را تحلیل کرد که این با به دست آوردن معادلات نرخ که نشانگر فرآیند تولید و بازترکیب و آسایش حامل‌ها به واسطه‌ی فوتون ورودی و فونون‌های ایجاد شده است، محقق می‌گردد.
1-3- پیکربندی پایان‌نامهبنا بر آن‌چه گفته شد، هدف از این پایان‌نامه به دست آوردن پاسخ زمانی آشکار ساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL می‌باشد. روند پژوهش انجام شده در قالب فصل‌های بعدی پایان‌نامه به صورت زیر است:
فصل دوم به مروری بر تحقیقات گذشته اختصاص دارد. در این فصل بعد از بیان تاریخچه مختصری از گرافن و آشکارسازهای نوری مبتنی بر آن، گرم و سرد شدن پلاسمای الکترون-حفره در گرافنی که به صورت نوری پمپ شده است بررسی شده است و به شرح کلی چند نمونه از معادلات نرخ موجود در مقالات گذشته پرداخته شده است.
در فصل سوم مبانی نظری و معادلات مربوط به ساختار باندی گرافن به طور مختصری بیان شده است و پس از آن با ادغام برخی از معادلات نرخ موجود در فصل دو، معادله نرخ افزاره‌ی مورد بررسی به دست آمده و پاسخ زمانی آن در نمودارهای مختلف ارائه شده است.
و در نهایت فصل چهارم که مختص نتیجه‌گیری و پیشنهادات برای ادامه‌ی کار می‌باشد.

فصل دوم

فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شدهدر این فصل پس از بیان خلاصه‌ی پیشینه پژوهشی در زمینه‌ی مبنای نظری گرافن، فرآیندهای فیزیکی حاکم بر آن در هنگام پمپ نوری و آشکارسازهای نوری تراهرتز و زیر قرمز، به طور مختصر تحقیقات انجام شده برای به دست آوردن معادله نرخ گرافن تحت تابش در قالب سه بخش مجزا بیان شده است.
2-1- خلاصه پیشینه پژوهشیدر این بخش ابتدا به بیان تاریخچه مختصری از مطالعات انجام گرفته از زمان کشف گرافن تا بررسی فرآیند تولید و بازترکیب حامل‌های نوری در گرافن تحت تابش، پرداخته شده است. سپس خلاصه‌ی سیر تحقیقات در زمینه‌ی آشکارسازهای نوری گرافنی ارائه شده است.
2-1-1- تاریخچه مختصری از گرافن و فرآیندهای فیزیکی آن تحت تابشتاریخچه‌ی ترکیبات گرافن از اواخر دهه 1990 میلادی با تجزیه‌ی حرارتی SiC که به صورت لایه‌نشانی روی یک زیرلایه‌ی SiC رشده داده شده بود شروع شد [5] و عبارت گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد [4]. حتی زودتر در اواخر دهه 1960 میلادی با رسوب بخار شیمیایی با استفاده از کاتالیزگر فلزی آغاز شده بود. اولین موفقیت در ترکیبات تک لایه‌ی گرافن توسط گایم و نووسلف در سال 2004 میلادی با استفاده از لایه برداری مکانیکی توسط نوار چسب از توده گرافیت کسب شد [5]. در سال 2010 یعنی بعد از کمی بیش‌تر از 6 سال که مدت زمان کوتاهی محسوب می شود، آن‌ها موفق به دریافت جایزه نوبل شدند [4]. خواص غیرعادی گرافن تک لایه که به صورت مکانیکی جدا می‌شود، به صورت نظری در بیش از 60 سال مطالعه شده بود و در این زمان به صورت تجربی مشاهده شد و در سال 2005 میلادی توسط گایم و همکارانش [13] و کیم و همکارنش [14] تقریبا به صورت همز‌مان تایید شد. این دستاوردهای پیشگامانه باعث توسعه تحقیقات و پیشرفت الکترونیک، الکترونیک نوری و افزاره‌های نوری بر پایه‌ی گرافن شد. حوزه تراهرتز یک باند فرکانسی کشف نشده است که هیچ افزاره میکروالکترونیکی که به صورت تجاری در دسترس باشد نمی‌تواند امواج الکترومغناطیس را روی کل محدوده تراهزتز تولید و آشکارکند و ی

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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