دانلود متن کامل کارشناسی ارشد مهندسی برق گرایش الکترونیک

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

استاد راهنما:

دکتر عباس ظریفکار

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

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 كوچك 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

فهرست جدول‌ها ‌ح

فهرست شکل‌ها ‌ط

فصل 1- مقدمه 1

1-1- ویژگی‌های گرافن 2

1-2- معرفی آشکارساز نوری مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 5

1-3- پیکربندی پایان‌نامه 8

فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شده 11

2-1- خلاصه پیشینه پژوهشی 11

2-1-1- تاریخچه مختصری از گرافن و فرآیندهای فیزیکی آن تحت تابش 11

2-1-2- خلاصه تحقیقات انجام گرفته بر روی آشکارسازهای نوری گرافنی 14

2-2- دینامیک حامل‌های فوق سریع در گرافن پمپ شده به صورت الکتریکی یا نوری 18

2-3- نرخ تولید و بازترکیب حامل‌ها برای پراکندگی فونون درون‌دره‌ای و بین دره‌ای در گرافن 21

2-3-1- مبانی نظری 22

2-3-2- نتیجه محاسبات نرخ تولید و بازترکیب 24

2-4- فرآیند تولید و بازترکیب حامل‌ها و آسایش انرژی در گرافن تحت تابش 25

فصل3- تحلیل زمانی آشکارساز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 32

3-1- گرافن 32

3-2- شبکه مستقیم 36

3-3- شبکه ی معکوس 37

3-4- ساختار باندی الکترونیکی 39

3-5- پراکندگی انرژی تنگ بست 42

3-6- انرژی فرمی 44

3-7- پراکندگی خطی انرژی و چگالی حامل‌ها 45

3-8- نانوروبان گرافن 49

3-9- دینامیک آسایش حامل‌ها و بازترکیب در پمپ نوری گرافن 50

3-10- وارونگی جمعیت در گرافن تحت پمپ نوری 51

3-10- 1- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی پایین 51

3-10-2- بررسی وضعیت با دمای الکترونیکی بالا 53

3-11- تحلیل آشکارساز نوری زیر قرمز مبتنی بر ساختار GL-GNR-GL 53

3-11- 1- مدل دیود نوری GL-GNR-GL و معادلات مربوطه 56

3-11-2- جریان نوری و جریان تاریک 58

3-12- معادلات مربوط به پاسخ ضربه 59

3-13- پاسخ زمانی به تابع پله 65

3-14 پاسخ زمانی به پالس 68

فصل 4- نتیجه‌گیری و پیشنهادها 71

4-1- نتیجه‌گیری 71

4-2- پیشنهادها 72

فهرست منابع: 73

فهرست جدول‌ها

جدول 3-1 آلوتروپ‌های کربن [46] 33

فهرست شکل‌ها

شکل 1-1 شبکه لانه زنبوری و ساختار باندی انرژی برای گرافن [5]. 3

شکل 1-2 (الف)ساختار دیود نوری GL-GNR-GL ، (ب) دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. 6

شکل 1-3 (الف) ساختار باندی گرافن (ب) توزیع نیمه‌متعادل حامل های برانگیخته شده (ج) پراکندگی حامل- حامل (د) پراکندگی حامل-فونون [12]. 7

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]. 16

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]. 17

شکل 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]. 19

شکل 2-4 دینامیک آسایش و بازترکیب حامل‌ها در گرافن پمپ شده به صورت نوری در دمای اتاق [7]. 19

شکل 2-5 وابستگی زمانی (الف) دمای حامل‌ها و (ب) انرژی شبه فرمی با شدت پالس‌های متفاوت [31]. 21

شکل 2-6 (الف) ناحیه بریلویین اولیه. (ب) شبکه گرافن [10]. 23

شکل 2-7 پراکندگی بین باندی درون‌دره‌ای و بین دره‌ای توسط فونون‌های نوری در گرافن [10]. 23

شکل 3-1 چینش الکترون‌ها و تنیدگی آن‌ها در (الف) عنصر کربن و (ب) گرافن. (ج) نمایش اوربیتال‌ها [46]. 33

شکل 3-2 تصویر TEM انتقال نوری قابل توجه گرافن که اتم‌های الکترون و پیوند‌ها در ساختار لانه‌زنبوری را روشن نشان می‌دهد [46]. 34

شکل 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]. 35

شکل 3-4 شبکه لانه زنبوری گرافن. سلول واحد اولیه متوازی الاضلاع متساوی الاضلاع بر اساس دو اتم A و B می‌باشد [46]. 36

شکل 3-5 شبکه‌ی معکوس گرافن [46]. 38

شکل 3-6 ساختار باندی بدون تقریب گرافن شامل باندهای σ و π [46]. 39

شکل 3-7 مقایسه پراکندگی‌های NNTB و ab-initio برای گرافن [46]. 43

شکل 3-8 ساختار باندی تنگ بست نزدیک‌ترین همسایگی گرافن [46]. 45

شکل 3-9 پراکندگی انرژی خطی گرافن در نقطه‌ی K که به عنوان مخروط دیراک شناخته می‌شود [46]. 46

شکل 3-10 چگالی حامل‌های ذاتی برای گرافن [46]. 48

شکل 3-11 ساختار اتمی (الف) نانوروبان گرافن زیگزاگ، (ب) نانوروبان گرافن چرخ‌دستی بار عرض W [5]. 49

شکل 3-12 الف: ZGNR(8) ب: AGNR(9) ج: AGNR(9) [5]. 50

شکل 3-13 نمایش طرح‌واره‌ی ساختار باندی گرافن (الف) و توزیع انرژی الکترون‌ها و حفره‌های نوری (ب-د) [5]. 52

شکل 3-14 ساختار دیود نوری GL-GNR-GL و دیاگرام انرژی آن تحت ولتاژ بایاس V [9]. 55

شکل 3-15 وابستگی زمانی انرژی شبه فرمی با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [31]. 61

شکل 3-16 وابستگی زمانی دمای حامل‌ها با شدت نورهای متفاوت و مقایسه‌ی آن با نتایج مرجع [31]. 61

شکل 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. 63

شکل 3-18 تغییرات جریان نوری به ازاء (الف) شدت نورهای مختلف (ب) سد پتانسیل‌های متفاوت از نانوروبان گرافن. 64

شکل 3-19 جریان نوری بر حسب انرژی فوتون و مقایسه با نتیجه‌ی به دست آمده در مرجع [9]. 66

شکل 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. 67

شکل 3-21 جریان نوری به ازای سه فرکانس نور متفاوت به صورت پالس. 69

فصل اول

فصل 1- 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 كوچك[1] مانند چاه‌های کوانتومی[2]، نقطه‌های کوانتومی[3] و سیم‌های کوانتومی[4] 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[5]-GL[6] پرداخته می‌شود و در بخش آخر پیکربندی پایان‌نامه ارائه می‌گردد.

1-1- 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 [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[7] 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].

[1] Low dimensional

[2] Quantum well

[3] Quantum dot

[4] Quantum wire

[5] Graphene nanoribbon

[6] Graphene layer

[7] 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

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است

تعداد صفحه :104

قیمت : 14700 تومان

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)        [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *