بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی خواص آشکار کنندگی نوری گرافین به منظور استفاده از آن در آشکارسازهای IR
چکیده
امروزه، آشکارسازهای امواج الکترومغناطیس در محدوده فروسرخ (IR)، بطور وسیع در صنایع نظامی مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله کاربردهای نظامی اشکارسازهای IR می توان به دوربینهای دید در شب و همچنین دنبال کننده ی موشکها، اشاره کرد. در این مقاله خواص نوری گرافین به منظور استفاده از آن در ساخت آشکارسازهای نوری، مورد بررسی قرار گرفته است. مزایای آشکارسازهای گرافینی نسبت به سایر آشکارسازها و مشخصات آشکارکنندگی افزارههای گرافینی مختلف آزمایش شده در بازه فرکانسی IR، بیان شده است. سپس مشخصات آشکارسازی یک نمونه آزمایشگاهی آشکارساز گرافینی ساخته شده توسط نویسندگان مقاله، ارائه شده و با سایر آشکارسازهای گرافینی در محدوده IR، مقایسه شده است.
مقدمه
از دیرباز در میان طیف امواج الکترومغناطیسی ، محدوده ی فرکانسی فروسرخ (IR)، به علت داشتن فرکانسیهای بالا و انرژی فوتون های زیاد، توجه زیادی را در بخشهای مختلف دفاعی، نظامی، صنعتی و دولتی به خود جلب کرده است. در میان این محدوده های فرکانسی مختلف، آشکارسازی در محدوده ی طول موجهای باند C از محدوده ی IR که برابر است با (nm 1528-1561) و نیز طول موجهای باند L از محدوده ی IR که برابر است با (nm 1620 - 1561)، از دید مخابرات نوری از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند ا۱ ا. از سوی دیگر، آشکارسازی در محدوده ی فروسرخ میانی (mid-IR) از نظر کاربرد در ساخت دوربینهای دید در شب و بکارگیری از آنها توسط سربازان در نیروهای نظامی مورد توجه هستند. آشکارسازی در محدودهی فروسرخ دور (Tar-IR) نیز در زمینه کاربردهای هوایی و فضایی اهمیت ویژهای دارند. از طرفی با نگاهی به تاریخ توسعه تکنولوژی آشکارسازهای IR، می توان فهمید که تاکنون مواد بسیاری برای بررسی پاسخ دهی به طیف فروسرخ مورد تحقیق قرار گرفته اند که در طی سال های اخیر محققان با پیشرفت صنایع و نیاز به افزاره هایی با سرعت عملکرد بالا و بهتر، تلاشی هایی در سدد دسترسی به این تکنولوژی با استفاده از جدیدترین مواد و روشی ها انجام دادهاند. در این میان گرافین بعلت ویژگیهای منحصر به فرد الکترونیکی، اپتیکی و فوتونیکی خود، هدف موسسات معتبر مثل موسه علم ملی ( NSF )" و آژانس توسعه و دفاع از پروژههای تحقیقاتی آمریکا (DARPA) ، شرکت IBM و شرکت IQE ( تولید کننده محصولات نیمه هادی ) و گروه های تحقیقاتی مختلف قرار گرفته است [۱ - ۳ ]. این تک لایه از مادهی کربن، میتواند پهنای باند وسیعی از امواج الکترومغناطیسی را بدلیلی گذارهای بین باندی و درون باندی جذب کند [۵٫۴]. بطوری که گذارهای بین باندی پدیده غالب در جذب امواج در محدوده فرکانسی مرئی و فروسرخ است. در حالی که گذارهای درون باندی عامل اصلی جذب امواج الکترومغناطیسی در محدوده گیگاهرتز و تراهرتز در گرافین است. براین اساسی، انواع مختلفی از آشکارسازها بر پایه گرافین ساخته شده اند که در محدوده} های مختلف فرکانسی کار می کنند ا۵-۷]. این در حالی است که آشکارسازهای مختلف ساخته شده در حوزه IR، هیچ کدام کل پهنای IR را پوشش نمی دهند. همچنین با توجه به بازدهی کوانتومی بالا و برانگیختگی گرمایی اندک در گرافین ، آشکارسازهای گرافینی از سایر اشکارسازهای موجود در این بازه، پیشی خواهند گرفت . بنابراین با توجه به آنچه مطرح شد، انگیزه اصلی از نوشتن این مقاله ، نیاز صنعت دفاعی کشور به اشکارسازهای سریع با بازده مناسب می باشد، بطوری که همزمان بتواند طیف فرکانسی گستردهای را در حوزه IR اشکارسازی کند. از این رو ما ابتدا به بیان مختصری از خواص نوری گرافین می پردازیم. در بخش بعدی به معرفی آشکارسازهای گرافینی در محدوده ی فرکانسی فروسرخ پرداخته و سپس با مقایسه ان ها و بررسی شرایط و عوامل مختلف، یک نوع از این آشکارسازها را به عنوان بهترین نوع شناخته شده معرفی می کنیم. سپس به بیان نتایج حاصل از آزمایشات انجام شده بر روی نمونه ساخته شده می پردازیم. در نهایت نتیجه ازمایشات خود را با نمونه های ساخته شده مشابه مقایسه می کنیم
۱- ۱ مروری بر خواص نوری گرافین و مزایای آشکارسازی بر مبنای آن:
ضخامت یک اتم، ساخته شده از اتمهای کربن است که ساختار اصلی سایر نانو مواد کربنی را تشکیل میدهد. این بلور نانومتری به عنوان اولين بلور دو بعدی پايدار در سال ۲۰۰۴ میلادی در آزمایشگاه گروه گیم ساخته شد [۸- ۹ او به علت خواص فیزیکی منحصر به فرد، رفتار شگفتآور و کاربردهای عملی بالقوه این نانوماده، تحقیقات گستردهای بر روی آن صورت گرفت [ ۱۰-۱۱. این ساختار کریستالی دوبعدی به دست آمده نه تنها شدیدا پایدار و پیوسته است بلکه یک کریستال با کیفیت بالا است، به طوری که حاملهای بار در آن می توانند بدون پراکندگی مسافت حدود هزار برابر فاصله بین اتمی را بپیمایند، به عبارت دیگر موبیلیته(تحرک پذیری) حاملها بالا است که باعث می شود برخی از پارامترهای این ماده بسیار بهتر از بهترین فلزات باشند. به عنوان مثال هدایت الکتریکی آن هزار برابر بزرگتر از بهترین فلز است. علاوه بر این هدایت گرمایی آن نیز بسیار بالاتر از مس است ا ۱۲ ا. با نوشتن هامیلتونین گرافین در انرژیهای کم و اثبات می شود که ذرات گرافین، فرمیونهای دیراک بدون جرم هستند که منجر به خطی شدن رابطه ی پاشندگی با شکاف انرژی صفر و مشاهده ی خواص الکترونیکی و اپتیکی متفاوت می شوند که آنها را برای ساخت افزاره آ هایی نظیر سلولهای خورشیدی (Solar Cell) ، لیزرهای خیلی سریع، پردههای لمسی (Touch SCTeen) و آشکارسازهای نوری (photo detectorS) مناسب میسازد [۱۳]. چند نمونه از خواص اپتیکی بی نظیر آن مثل ثابت بودن رسانندگی اپتیکی و در نتیجه ثابت بودن ضریب جذب و عبور و انعکاسی به صورت عبارتی از ثابت [ \ f) (Fine Structure Constant) -> s US-L- پهنای طیفی گسترده، میزان جذب قابل اشباع و اثر ترموالکتریک، می توان اشاره کرد. رسانش دینامیکی (یا اپتیکی) جهانی گرافین (G) پارامتری است که برای توصیف مشخصات اپتیکی فیلمهای نازک بکار میرود. هدایت اپتیکی G برای گرافین برابر مقدار ثابت جهانی ("2) 10×6.08-G=e/4h است [۱۴]. با کمک روابط مربوط به هدایت اپتیکی و ضریب جذب (عبور) مواد، میزان جذب (عبور) گرافین تک لایه در محدودهی فوتونهای تابیده شده در رژیم مرئی و فروسرخ مقداری ثابت و برابر ۲.۳٪ ( ۹۷.۷ ٪ ) است. این ضریب عبور در مقایسه با ضریب عبور مواد متداول استفاده شده در آشکارسازهای نمیه هادی، بیشترین میزان را دارد. علاوه بر میزان عبور، ضریب جذب گرافین نیز بالا است که باعث تولید زوج الکترون + حفره ی بیشتر و در نتیجه تسهیل در فرآیند اصول عملکرد آشکارسازهای نوری می شود. گرافین تک لایه، با وجود ضخامت بسیار کم، بعلت خطی بودن رابطه پاشندگی انرژی و شکاف انرژی صفر و گذارهای بین باندی و درون باندی، میتواند فوتون هایی از محدودهی فرکانسی تراهرتز تا فرابنفش (مادون قرمز uV) را جذب کند و یکی از قویترین گذارهای بین باندی را بین تمام مواد شناخته شده داشته باشد [۱۵]. بنابراین، این ویژگی منجر می شود که آشکارسازهای نوری مبتنی بر گرافین "(GPD) توانایی کار در گسترہی طول موجی وسیعتری را داشته باشند (همان طور که در مقدمه نیز بیان شد). ضریب جذب گرافین، بالا و متناسب با تعداد لایه ها است و محدودهی جذب سیستم(گذارهای بین زیرلایه ها) نیز با تغییر انرژی فرمی توسط یک میدان گیت خارجی مثل میدان الکتریکی و مغناطیسی تغییر می کند و امکان تغییر بازه ی اشکارسازی با استفاده از میدانهای خارجی را ممکن میسازد [۱۶]. از طرفی گرافین چند لایه ضریب جذب بالاتری دارد، بنابراین با اعمال میدان خارجی احتمال گذارهای مختلف افزایش مییابد و امکان آشکارسازی در پهنای باند بیشتری را فراهم می کند. بنابراین می توان گفت که اشکارسازهای گرافینی قابلیت تنظیمپذیری بالایی دارند. در جذب نور، جفت الکترون – حفره تولید شده در گرافین بطور معمولی در چند ده پیکو ثانیه، بسته به کیفیت و تراکم حاملها در گرافین، بازترکیب می شوند. اگر میدان خارجی اعمال شده باشد، جفتها میتوانند جدا شده و جریان نوری تولید کنند. همین اتفاق در حضور میدان الکتریکی داخلی نیز خواهد افتاد. چنین میدان هایی در سطوح مشترک الکترود فلزی و گرافین شکل می گیرند||۱۷]. این میدانهای داخلی می توانند برای تولید پاسخ جریان نوری فوق سریع در گرافین استفاده شوند. سرعت بالای انتقال حاملهای آن (در حدود ۱۰۰m/s) حتی در حضور میدان الکتریکی متوسط باعث می شود برای تولید جریان نوری فوق سریع و کارآمد ( با بازده کوانتومی داخلی %16-6 در ناحیه تابش) احتیاجی به ولتاژ بایاس مستقیم بین سورس
و درین (مسیر تولید جریان نوری) نباشد. محدودکننده ی اصلی پهنای باند کاری گرافین، ثابت زمانی افزاره(ناشی از مقاومت R وظرفیت C) است. ثابت زمانی (زمان پاسخ) نیز توسط قابلیت حرکت حامل تعیین می شود.
که ۶ ضریب نفوذپذیری و n0 ضریب شکست است. در افزارههای گرافینی (یک لایه یا چند لایه) بعلت موبیلیتهای بسیار بالای حاملان بار، ثابت زمانی طبق رابطه (۱-۱) کم، در نتیجه محدودیت کمی برای پهنای باند وجود خواهد داشت. از طرفی این امر موجب افزایش سرعت افزاره است که منجر به استفاده از انها بعنوان افزاره های فوق سریع می شوند ||۱۸||||| ماکزیمم پهنای باند کاری ممکن نیز توسط زمان گذر (زمان محدودی که طول میکشد تا جریان الکتریکی ناشی از نور برخوردی تولید شود) محدود می شود به:
که " زمان گذر حاملها از ناحیه ی آشکارسازی است.
از آنجایی که زمان گذر حامل ها در گرافین بعلت ابعاد آن به مراتب کمتر از نیمه هادی های متداول است، پس ماکزیمم پهنای باندی نیز در گرافین بیشتر از سایر آشکارسازها خواهد شد.
صفحات گرافین بدلیل ساختار دوبعدی با ابعاد سطحی و ضخامت بسیار کوچک (به ترتیب در حدود میکرو و انگسترم) به عنوان نانو ساختار معرفی می شود که استفاده از انها به دو دلیل زیر می تواند باعث افزایش حساسیت در آشکارسازهای نوری شود: ۱ - نسبت سطح به حجم بالای این نانو ساختارها و حالتهای تله سطحی عمیق تر، عمر حاملهای تولید شده در اثر نور را طولانی می کند. ۲کاهش ابعاد، زمان انتقال حاملهای تولید شده به وسیله ی نور را کاهش می دهد [۱۹]. بنابراین آشکارسازهای نوری بر پایه گرافین و بخصوص نانو ساختارهای آن دارای حساسیت خوب در اشکارسازی هستند. بازده کوانتومی آشکارسازهای نوری بستگی به احتمال بازترکیب نسبت به تفکیک حاملهای تولید شده توسط نور دارد. در افزاره های با ابعاد کوچک این نسبت نیز به عرض ناحیه تهی شده در آشکارساز(یا به عبارت بهتر سطح موثر آشکارسازی) مربوط می شود که با کاهش عرض ناحیه تهی شده، این احتمال بعلت قرارگیری اکثر زوج الکترون – حفرها های تولید شده در ناحیه تهی(تحت میدان الکتریکی داخلی) افزایش و در نتیجه بازده کوانتومی داخلی کاهش می یابد۔ سطح موثر کوچک میدان الکتریکی داخلی (تقریبا "200) مربوط به فصل مشترک گرافین و الکترودهای فلزی، میتواند منجر به کاهش بازده کوانتومی آشکارسازی شود [۱۸ ]. اما تاکنون بیشترین بازده جریان نوری داخلی مربوط به آشکارسازهای گرافینی بین %30 تا 15 گزارش شده است [۲۰] که در نوع خود بازده کوانتومی داخلی مناسبی محسوب می شود. در مجموع با توجه به انچه که ذکر شد، در این آشکارسازهای نوین، چون برهمکنش فوتون ها و گرافین، خواص حاملهای نوری تولید شده و انتقال حاملهای نوری بصورت اساسی با آشکارسازهای گروه متفاوت هستند، پس دارای مشخصات ویژهای مثل پهنای باندی بسیار بالای آشکارسازی و زمان پاسخ کم (سرعت بالای آشکارسازی)، قابلیت تنظیمپذیری بالا با میدان های الکتریکی و مغناطیسی، محدودهی بالای تشخیص طول موجهای خیلی عریضی (مثل تراهرتز) و عمکرد در بایاسی دریناسورس صفر، بازده کوانتومی داخلی مناسب و ساخت اسان می باشند که انها را یک آشکارساز نوری ویژه و بسیار قابل توجه در سالهای
