مقاله تأثیر جایگاه نقص در بلور فوتونی یک بعدی گرافن پایه بر جذب نوری

بخشی از مقاله

چکیده - در این مقاله اثر تعداد تناوب سلولهای واحد اطراف لایهی نقص در یک بلور فوتونی یک بعدی گرافن پایه را بر طیف جذب بررسی میکنیم. با فرض اینکه تعداد تناوب سلول واحد قبل و بعد از لایهی نقص به ترتیب m و n باشد، نشان میدهیم که در هر m با افزایش n، جذب در محل مد نقص رو به بهبود میگذارد. بعلاوه، برای دستیابی به جذب افزایش یافته در ساختار، علاوه بر n های بالاتر بایستی از m های پایین نیز استفاده کرد.

کلید واژه- بلور فوتونی یک بعدی گرافن پایه، جذب افزایشیافته، مد نقص

-1 مقدمه

بلورهای فوتونی، محیطهایی با خواص نوری متناوب هستند که بخاطر توانایی منحصر به فردشان در کنترل و دستکاری نور، از جایگاه ویژهای برخوردارند .[1] به هم خوردن تقارن انتقالی یا تناوب ساختاری در بلورهای فوتونی موجب ظهور مد نقص در گاف باند فوتونی میشود که میتواند کنترل-پذیری را برای آن فراهم آورد.

از طرف دیگر، گرافن -ورقی با ضخامت یک اتم از گرافیت-بدلیل خواص الکترونیکی و فوتونی خارقالعادهاش که به سختی در سایر مواد یافت میشود، مطالعات علمی گسترده-ای را به خود اختصاص میدهد .[2] گرافن تکلایهی غیر آلاییده در منطقهی مادون قرمز نزدیک دارای جذب نوری بسیار ضعیفی است - % - 2,3 که کاربردهای بالقوهی آن را در ابزارهایی مانند آشکارسازهای نوری، فوتو ولتائیکها و ...محدود میکند. در این راستا، محققان در طی سالهای اخیر، با استفاده از ساختارهای مختلف شامل گرافن، مطالعاتی را در جهت افزایش جذب آن انجام دادهاند. برای نمونه میتوان به مراجع 3]؛[6 اشاره کرد.

در این مقاله، ساختار ما شامل یک بلور فوتونی یک بعدی حاوی لایهی نقص است که در آن تک لایههای گرافن در مرز بین لایههای دیالکتریک مجاور قرار گرفتهاند. هدف ما این است که با تغییر تعداد تناوب سلولهای واحد در طرفین لایهی نقص، به بررسی امکان کوکپذیری جذب در ناحیه طول موجی مادون قرمز نزدیک بپردازیم و با توجه به آن حالتی را که در آن جذب افزایش یافتهای در ساختار مورد نظر حاصل میشود، شناسایی کنیم.

-2 مدل و فرمولبندی مسئله

نمایشی از ساختار مورد مطالعهمان در شکل 1 نمایش داده شده است که در آن لایههای A، B و D به ترتیب نمایشگر مواد تیتانیم دی اکسید، سیلیکا و لیتیم نیوبات با ضرایب شکست na=2.17، nb=1.45 و - nd=ne -  میباشند . این لایه-ها توسط نانو لایههای گرافنی با رسانندگی  g از یکدیگر جدا شدهاند. با فرض طول موج طراحی    0  1.35 m ، ضخامت    لایههای A  و B  را به صورت ربع طول موج و ضخامت    لایهی   D     را   برابر    با    0/ 3
شکل :1 طرحوارهی ساختار مورد مطالعه به صورت .Air/ - AGBG - mD - GAGB - n/Subانتخاب میکنیم . در مورد لایهی نقص D که یک مادهی فروالکتریک از جنس لیتیم نیوبات - LiNbO3 - میباشد، ضریب شکست به طول موج وابسته است - پاشنده - که از رابطهی زیر محاسبه میشود :[7]

لازم به ذکر است که LiNbO3 یک بلور تک محوری منفی است و تقارن بلوری 3m دارد. اگر حالتی را در نظر بگیریم که نور در راستای محور x منتشر و در مسیر z - محور نوری - قطبیده شود، در این صورت ضریب شکست مربوطه، قطبش غیر عادی - ne - را تجربه خواهد کرد. در مورد گرافن نیز رسانندگی نوری مطابق با رابطهی زیر محاسبه میشود :[2]

-3 بحث و بررسی

در این مقاله، تعداد تناوب سلول واحد سمت چپ لایهی نقص را m و تعداد تناوب سلول واحد سمت راست آن را برابر با n در نظر میگیریم - شکل . - 1 همچنین، فرض می-کنیم که پتانسیل شیمیایی ورقههای گرافن برابر با c  0.2 ev است و محاسبات را در دمای 200C انجام می-دهیم. شکل 2، طیف بازتابندگی، تراگسیلندگی و جذب نوری ساختار مذکور را در صفحهی  n به ازای m  3 نشان میدهد. همانطور که از شکل هم پیدا است، ماکزیمم جذب ساختار، حدوداً 50% است که برای    n  6    و در ناحیهی  تشکیل  گاف  باند  و  در    محل    مد 

شکل :2 طیف بازتابندگی - a - ، تراگسیلندگی - b - و جذب - c - در صفحهی                    
شکل :3    طیف    جذب    در صفحهی    n    برای .m=5  در اینجا                                  
نقص، در طول موج    1.322 m    p    ظاهر شده است.    

لازم به ذکر است که ما توجهمان را به ناحیهی تشکیل گاف باند معطوف میکنیم که به دلیل نقصدار بودن ساختار، مد نقص در داخل گاف باند ظاهر میشود. هدفمان این است که جذب حاصله را برای m و n های مختلف بررسی کنیم. شکل

3، جذب نوری ساختار را در m  5 نشان میدهد. ملاحظه میشود که در n های بالاتر، جذب افزایش یافتهای در حدود %90 و حتی نزدیک به یک حاصل میشود. محل قلهی جذب نیز 1.325 m    p  است. برای بررسی بیشتر، m را افزایش داده و به 10 میرسانیم - شکل . - 4 با توجه به شکل 4 - a - که طیف بازتابندگی را در ناحیهی اطراف گاف باند نشان میدهد، مد نقص نسبتا کم پیدا است با بازتابندگیای که بالا و در حدود 0,8 است. همچنین، مطابق با شکل 4 - b - ، تراگسیلندگی نیز در این ناحیه بسیار پایین و نزدیک به صفر است. بنابراین، انتظار داریم که جذب بسیار پایینی را در محل مد نقص مشاهده کنیم - شکل 4 - c - را ملاحظه کنید - . به عبارت دیگر، جذب در m های بالاتر در محل مد نقص به شدت کاهش یافته است . در حالیکه، مطابق با آنچه که در نمودار 3 دیدیم، در m های پایین - m=5 - و n های بالاتر - n  9 - جذب افزایش یافتهای حاصل میشود. همچنین، طول موج قلهی جذب - در محل مد نقص - مطابق با شکل-های فوق تقریبا ثابت باقی میماند و در حدود 1.32 mمیباشد. اما، دلیل فیزیکی افزایش قلهی جذب در n های بالاتر و m های پایینتر، بستگی بازتاب نور به تعداد لایهها در بلورهای فوتونی    میباشد. همانطور    که میدانیم، هر چه
تعداد تناوب    سلول    واحد در    بلورهای    فوتونی    افزایش یابد، بازتاب    نیز    افزایش    مییابد؛