دانشگاه شیراز
دانشکده ی علوم
پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی
فیزیک- حالت جامد
مقایسه خواص اپتیکی نقاط کوانتومی کروی درمدل‌های مختلف پتانسیل محدودکننده
استادان راهنما
دکتر محمود براتی خواجویی
دکتر محمود مرادی
شهریور ماه 1392
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(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 است)
چکیده
نقطه‌ی کوانتومی یکی از سیستم‌های کوانتومی نیم‌رسانا است که در آن، حرکت حامل‌های بار در تمام راستاهای فضایی محدود می‌باشد. این محدودیت فضایی سبب کوانتیدگی ترازهای انرژی الکترون‌ها در نوار رسانش شده، خصوصیات فیزیکی این سیستم‌های نیم‌رسانا را دگرگون می‌سازد. علاوه بر این ، یکی از مهم ترین مشخصه‌های نقطه‌های کوانتومی امکان گذار بین زیر نوارها در نوار رسانش و یا ظرفیت بوده و این امر توجه بسیاری از علاقه‌مندان را در سال‌های اخیر به خود جلب نموده است. بررسی خواص الکترونی و اپتیکی نقطه‌های کوانتومی نه تنها از دیدگاه نظری بلکه به علت کاربرد وسیع آنها در ساخت لیزرهای نیم‌رسانا، قطعات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی مورد توجه بوده است.
در این پایان‌نامه به بررسی خواص الکترونی و نوری نقاط کوانتومی کروی با مدل‌های مختلف پتانسیل محدودکننده پرداختیم. بدین منظور، به کمک نرم‌افزار کامسول، که از روش المان محدود برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی استفاده می‌کند و با استفاده از تقریب جرم موثر، ویژه مقادیر و ویژه توابع انرژی را برای پتانسیل‌های گاوسی،Pöschl Teller، کسری و مورس به‌دست آوردیم. همچنین گذارهای نوری بین زیرنواری را برای این سیستم‌ها بررسی کردیم. برای این منظور از فرمالیسم ماتریس چگالی و روش اختلال برای به‌دست آوردن تغییرات ضریب شکست و ضریب جذب نقطه‌ی کوانتومی استفاده شد. تغییرات ضریب شکست و ضریب جذب خطی و غیرخطی مرتبه سوم را به عنوان تابعی از شدت فوتون فرودی و برای پتانسیل‌های مختلف رسم کردیم. نتایج نشان می‌دهد که قله‌ی ضرایب جذب و شکست در پتانسیل گاوسی نسبت به پتانسیل‌های دیگر، به سمت انرژی‌های بیشتر جابه‌جا می‌شود. با مقایسه‌ی جواب های بدست آمده با مطالعات تجربی می‌توان بهترین مدل را برای پتانسیل محدودکننده انتخاب کرد.
واژگان کلیدی: نقطه‌ی کوانتومی، پتانسیل محدودکننده، ضریب جذب، تغییرات ضریب شکست
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1-1- معرفی و تاریخچه‌ی ساختارهای کوانتومی.. 2
1-1-1-چاه‌های کوانتومی و ابر شبکه‌ها 4
فصل دوم: معرفی نرم افزار COMSOL Multiphysics
2-2-محیط نرم‌افزار COMSOL Multliphysics. 14
2-5-مرحله‌ی پس‌پردازش(Post processing). 17
2-6-حل معادله‌ی شرودینگر در کامسول.. 17
عنوان صفحه
فصل سوم: ساختار انرژی نقاط کوانتومی با مدل‌های مختلف
3-2- محاسبه‌ی انرژی نقطه‌ی کوانتومی کروی.. 21
3-3-مقایسه‌ی طیف انرژی پتانسیل‌های مختلف… 27
فصل چهارم: مطالعه‌ی خواص نوری نقطه‌ی کوانتومی
4-3-حل معادله‌ی تحول زمانی ماتریس چگالی با استفاده از روش اختلال.. 34
4-4-محاسبه‌ی ضرایب جذب و شکست خطی و غیر خطی مرتبه‌ی سوم. 37
4-4-1-محاسبه‌ی پذیرفتاری خطی.. 37
4-4-2-محاسبه‌ی پذیرفتاری غیرخطی مرتبه‌ی سوم. 40
4-4-3-محاسبه‌ی تغییرات ضرایب جذب و شکست نقطه‌ی کوانتومی.. 47
فصل پنجم: محاسبات عددی و نتایج مربوط به خواص اپتیکی
5-2- پتانسیل Pöschl Teller. 54
چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول3-1 پارامترهای اساسی و . 21
جدول3-2 مقایسه‌ی جواب‌های تحلیلی و عددی برای پتانسیل بی‌نهایت… 23
جدول3-4 مقایسه‌ی ویژه مقادیر انرژی برای پتانسیل‌های مختلف، در حالت . 29
جدول 5-1 تاثیر پتانسیل محدودکننده بر ترازهای انرژی، تغییرات ضریب جذب
و ضریب شکست… 63
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل1–1 نمایی ساده ازیک چاه کوانتومی(چپ) ونموداری تقریبی از چگالی حالت‌های
چاه کوانتومی(راست(. 5
شکل1–3 نمایی ساده از یک نقطه کوانتومی(چپ) و نموداری تقریبی از چگالی
حالت‌های نقطه کوانتومی(راست(. 7
شکل2–1 نمایی ازشبکه بندی هندسه در نرم افزار کامسول.. 15
شکل2–2نمایی از نمودارهای سه بعدی. ازابزارهای نرم افزار کامسول برای رسم و
پردازش داده‌ها 16
شکل3–1 وابستگی انرژی حالت پایه نقطه کوانتومی کروی پله‌ای به شعاع.. 26
شکل3–2 توابع پتانسیل گاوسی،کسری،Pöschl Teller ومورس و پله‌ای.. 28
عنوان صفحه
1 – مقدمه
علم نانو به مطالعه و بررسی مواد در ابعاد اتم و مولکول یعنی ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر می‌پردازد.در این ابعاد، اثرهای مکانیک کوانتومی اهمیت پیدا می کند. با کاهش اندازهی سیستم، پدیده‌های فراوانی که به دلیل اثرات مکانیک کوانتومی و مکانیک آماری در این ابعاد است، نمایان می شوند. مثلاٌ خواص الکترونیکی جامدات با کاهش اندازهی ذرات به طور چشمگیری تغییر می‌کند. این اثرات در مقیاس 100 نانومتر و کوچکتر نمایان می شود. همچنین خصوصیاتمکانیکی، الکتریکی و اپتیکی نسبت به حالت ماکروسکوپی سیستم تغییر می‌کند.
1-1 – معرفی وتاریخچه‌یساختار‌های کوانتومی
نیمرساناها امروزه به طورگسترده‌ای درعرصه علم و تکنولوژی به کار برده می‌شوند.نیم‌رسانا ماده‌ای است کهرسانندگی الکتریکی آن بین فلزات وعایق ها قراردارد. نیمرساناها شالوده‌ی‌ا‌‌لکترونیک حالت جامدهستندودرقطعات الکترونیکی واپتوالکترونیکی کاربرد دارند.
مطالعه‌یاولیه صورت گرفته درزمینه‌یخصوصیات فیزیکی نیمرساناها درمورد ساختارهای همسان[1] مثل ژرمانیوم، آرسناید، سلسیوم وغیره بود. اما به تدریج مشخص شد که ساختارهایی که ازپیوند دو یا چند نیم‌رسانا تشکیل شده باشند، رفتارهای بسیار جالبی ازخود بروزمی‌دهند.این ترکیبات راساختارهای ناهمسان[2] می‌نامند. ساختارهای ناهمسان مبنای بسیاری از دستگاه‌های پیشرفته‌ی نیم‌رسانای امروزی هستند.مزیت این ساختارها امکان کنترل دقیق روی حالت‌ها وحرکت حامل‌های بار است. دیودهای پیوندی و ترانزیستورها ، قطعاتی که امروزه تقریبا در تمام دستگاه‌های الکترونیکی به کار برده می‌شوند، ازساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا ساخته می‌شوند.
پیوند دونیم‌رسانا، دریک بلورانجام می‌شود. یعنی ثابت شبکه‌ی هردو بلور یکسان است اما گاف انرژی[3] وضریب شکست متفاوتی دارند.دراین ساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا، تفاوت درگاف انرژی دو ماده سبب محدودیت فضایی الکترون وحفره می‌شود.همچنین ازخصوصیت تفاوت ضریب شکست می‌توان درتشکیل موج برهای نوری استفاده کرد.
امکان کنترل رسانندگی یک نیم‌رسانا به وسیله تغلیظ[4]باناخالصی‌های مختلف باعث شد تا الکترونیک نیمرساناها ظهور پیدا کند.ساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا نیزامکان حل مشکلات کلی در کنترل پارامترهای اساسی بلور نیم‌رسانا،ازجمله قابلیت تحرک حامل‌ها و جرم موثر، گاف انرژی، ضریب شکست وطیف انرژی الکترون را فراهم آورد]1[.
تحقیقات سیستماتیک در مورد ساختارهای ناهمسان، در اوایل دهه‌ی 1930 درمؤسسه‌ی Physicotechnical شروع شد. از آن زمان تا به حال پیشرفت‌های زیادی صورت گرفته است ومنجر بهساخت قطعاتی با کارایی بالا، ازجمله وسایل کاربردی مثل لیزرهای نیم‌رسانا، دیودهای گسیل کننده‌ی نور (LED)[5]، آشکارسازهای نوری[6]،سلول‌های خورشیدی[7]وغیره شده است]7-2[.
با کاهش ابعاد مواد نیم‌رسانا یعنی تولید ساختارهای ناهمسان با لایه‌هایی درحد نانومتر می‌توان از خاصیت کوانتیدگی حرکت الکترون‌ها استفاده کرد. پیشرفت‌های صورت گرفته درزمینه‌ی رشد بلورهای نیم‌رسانا از قبیل برآرایی باریکه‌ی مولکولی[8] ونشست بخار شیمیایی فلز آلی[9] این امکان را فراهم آورد تا بتوان نیم‌رساناهایی با ابعاد نانو و با دقت واحدهای اتمی ساخت]9-8[.
این ساختارهای فوق ریز، سیستم‌های کوانتومی نامیده می‌شوند و ازآنجا که اغلب خواص فیزیکی یک سیستم به ابعاد آن وابسته است انتظار می‌رود که خواص فیزیکی این ساختارهای فوق ریز نسبت به ساختار کپه‌ای[10] کاملا متفاوت باشد. در سال‌های اخیر مطالعات بسیاری در زمینه‌ی بررسی خواص فیزیکی این ساختارها بهصورت تجربی و نظری صورت گرفته است. بررسی این ساختارهای کوانتومی نه تنها به خاطر خواص الکترونی و اپتیکی جالب آنها، بلکه به علت کاربردشان در قطعات الکترونیکی و ابزارهای نوری توجه بسیاری را به خود جلب کرده است] 6-3[.
با اعمال پتانسیل محدودکننده بر این ساختارها که به کمک ساختاری با گاف انرژی متفاوت به وجود می‌آید و با کاهش ابعاد این مواد در یک، دو و سه بعد به چاه کوانتومی دو بعدی، سیم کوانتومی شبه یک بعدی و نقاط کوانتومی شبه صفر بعدی خواهیم رسید. به این اثر، اندازه کوانتومی گفته می‌شود.اثر اندازه کوانتومی در ابعاد پایین به صورت تئوری و تجربیمطالعه شده است. همچنین تحقیقات روی ساختارهاینیم‌رسانابا حضور ناخالصی بسیارمهم است زیرا خصوصیات اپتیکی و الکتریکی و گرمایی آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. کنترل بی‌نظیر روی پارامترهای اساسی این ساختارها قطعاتی با کارایی بالا، از جمله انواع لیزرهای چند ساختاری دوتایی، ترانزیستورها و غیره را به وجود آورده است.
تعداد صفحه : 88
قیمت : 14700تومان
