مهندسی برق

پایان نامه برق الکترونیک-پاسخ زمانی و مدل‌ مداری آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار لایه‌های گرافنی-نانوروبان گرافن-لایه‌های گرافنی

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

عنوانصفحه

فهرست جدول‌ها ‌ح
فهرست شکل‌ها ‌ط
فصل ۱- مقدمه ۱
۱-۱- ویژگی‌های گرافن ۲
۱-۲- معرفی آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 5
۱-۳- پیکربندی پایان‌نامه ۸
بر تحقیقات انجام شده ۱۱
۲-۱- خلاصه پیشینه پژوهشی ۱۱
۲-۱-۱- تاریخچه مختصری از گرافن و فرآیندهای فیزیکی آن تحت تابش ۱۱
۲-۱-۲- خلاصه تحقیقات انجام گرفته بر روی آشکارسازهای نوری گرافنی ۱۴
۲-۲- دینامیک حامل‌های فوق سریع در گرافن پمپ شده به صورت الکتریکی یا نوری ۱۸
۲-۳- نرخ تولید و بازترکیب حامل‌ها برای پراکندگی فونون درون‌دره‌ای و بین دره‌ای در گرافن ۲۱

دانلود مقاله و پایان نامه

۲-۳-۱- مبانی نظری ۲۲
۲-۳-۲- نتیجه محاسبات نرخ تولید و بازترکیب ۲۴
۲-۴- فرآیند تولید و بازترکیب حامل‌ها و آسایش انرژی در گرافن تحت تابش ۲۵
فصل۳- تحلیل زمانی آشکارساز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 32
۳-۱- گرافن ۳۲
۳-۲- شبکه مستقیم ۳۶
۳-۳- شبکه ی معکوس ۳۷
۳-۴- ساختار باندی الکترونیکی ۳۹
۳-۵- پراکندگی انرژی تنگ بست ۴۲
۳-۶- انرژی فرمی ۴۴
۳-۷- پراکندگی خطی انرژی و چگالی حامل‌ها ۴۵
۳-۸- نانوروبان گرافن ۴۹
۳-۹- دینامیک آسایش حامل‌ها و بازترکیب در پمپ نوری گرافن ۵۰
۳-۱۰- وارونگی جمعیت در گرافن تحت پمپ نوری ۵۱
۳-۱۰- ۱- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی پایین ۵۱
۳-۱۰-۲- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی بالا ۵۳
۳-۱۱- تحلیل آشکارساز نوری زیر قرمز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 53
۳-۱۱- ۱- مدل دیود نوری GL-GNR-GL و معادلات مربوطه ۵۶
۳-۱۱-۲- جریان نوری و جریان تاریک ۵۸
۳-۱۲- معادلات مربوط به پاسخ ضربه ۵۹
۳-۱۳- پاسخ زمانی به تابع پله ۶۵
۳-۱۴ پاسخ زمانی به پالس ۶۸
فصل ۴- نتیجه‌گیری و پیشنهادها ۷۱
۴-۱- نتیجه‌گیری ۷۱
۴-۲- پیشنهادها ۷۲
فهرست منابع: ۷۳

فهرست جدول‌ها

 
 

عنوانصفحه

جدول ۳-۱ آلوتروپ‌های کربن [۴۶] ۳۳
 
 
 
 

فهرست شکل‌ها

 
 

عنوانصفحه

شبکه لانه زنبوری و ساختار باندی انرژی برای گرافن [۵]. ۳
(الف)ساختار دیود نوری GL-GNR-GL ، (ب) دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. 6
(الف) ساختار باندی گرافن (ب) توزیع نیمه‌متعادل حامل های برانگیخته شده (ج) پراکندگی حامل- حامل (د) پراکندگی حامل-فونون [۱۲]. ۷
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 [۴۱]. ۱۶
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 [۴۳]. ۱۷
دیاگرام باندی فونون در گرافن و برهم‌کنش فونون‌های نوری و حامل‌ها به وسیله‌ی انتقالات بین دره‌ای، درون دره‌ای، بین باندی و درون باندی [۷]. ۱۹
دینامیک آسایش و بازترکیب حامل‌ها در گرافن پمپ شده به صورت نوری در دمای اتاق [۷]. ۱۹
وابستگی زمانی (الف) دمای حامل‌ها و (ب) انرژی شبه فرمی با شدت پالس‌های متفاوت [۳۱]. ۲۱
(الف) ناحیه بریلویین اولیه. (ب) شبکه گرافن [۱۰]. ۲۳
پراکندگی بین باندی درون‌دره‌ای و بین دره‌ای توسط فونون‌های نوری در گرافن [۱۰]. ۲۳
چینش الکترون‌ها و تنیدگی آن‌ها در (الف) عنصر کربن و (ب) گرافن. (ج) نمایش اوربیتال‌ها [۴۶]. ۳۳
تصویر TEM انتقال نوری قابل توجه گرافن که اتم‌های الکترون و پیوند‌ها در ساختار لانه‌زنبوری را روشن نشان می‌دهد [۴۶]. ۳۴
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 [۴۶]. ۳۵
شبکه لانه زنبوری گرافن. سلول واحد اولیه متوازی الاضلاع متساوی الاضلاع بر اساس دو اتم A و B می‌باشد [۴۶]. ۳۶
شبکه‌ی معکوس گرافن [۴۶]. ۳۸
ساختار باندی بدون تقریب گرافن شامل باندهای σ و π [۴۶]. ۳۹
برای گرافن [۴۶]. ۴۳
ساختار باندی تنگ بست نزدیک‌ترین همسایگی گرافن [۴۶]. ۴۵
پراکندگی انرژی خطی گرافن در نقطه‌ی K که به عنوان مخروط دیراک شناخته می‌شود [۴۶]. ۴۶
چگالی حامل‌های ذاتی برای گرافن [۴۶]. ۴۸
ساختار اتمی (الف) نانوروبان گرافن زیگزاگ، (ب) نانوروبان گرافن چرخ‌دستی بار عرض W [5]. 49
الف: ZGNR(8) ب: AGNR(9) ج: AGNR(9) [5]. 50
نمایش طرح‌واره‌ی ساختار باندی گرافن (الف) و توزیع انرژی الکترون‌ها و حفره‌های نوری (ب-د) [۵]. ۵۲
ساختار دیود نوری GL-GNR-GL و دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. 55
وابستگی زمانی انرژی شبه فرمی با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [۳۱]. ۶۱
وابستگی زمانی دمای حامل‌ها با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [۳۱]. ۶۱
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 ۱۰۰ فمتوثانیه و انرژی فوتون نوری ۱۰۰ meV. 63
تغییرات جریان نوری به ازاء (الف) شدت نورهای مختلف (ب) سد پتانسیل‌های متفاوت از نانوروبان گرافن. ۶۴
جریان نوری بر حسب انرژی فوتون و مقایسه با نتیجه‌ی به دست آمده در مرجع [۹]. ۶۶
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 ۱eV. 67
جریان نوری به ازای سه فرکانس نور متفاوت به صورت پالس. ۶۹
فصل اول
 
 
 
 
 

فصل ۱- مقدمه

 
 
ادوات 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[۱] مانند چاه‌های کوانتومی[۲]، نقطه‌های کوانتومی[۳] و سیم‌های کوانتومی[۴] در آشکارسازهای نوری شده است [۱]. 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[5]-GL[6] پرداخته می‌شود و در بخش آخر پیکربندی پایان‌نامه ارائه می‌گردد.

۱-۱- ویژگی‌های گرافن

 
امروزه 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 نوری زیر میکرومتری نیز به ما می‌نمایاند. دلیل این ظرفیت بالا برای پیشرفت، قابلیت کار کردن با مولکول‌های منحصر به فرد یا رشد شیمیایی مواد است [۲].
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[۷] تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع در هر دوره‌ی ۱۸ماهه 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 [۳].
[۱] Low dimensional
[۲] Quantum well
[۳] Quantum dot
[۴] Quantum wire
[۵] Graphene nanoribbon
[۶] Graphene layer
[۷] Moor’s law
***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

99