بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله به مطالعه پلاریتونهای سطحی در مرز بین یک بره پاشنده از جنس متامواد هایپربولیک گرافن-پایه با هوا پرداخته شده است. متامواد مورد بررسی، یک ساختار لایه ای یک بعدی متشکل از لایههای دی الکتریک-گرافن در نظر گرفته شده است که خواص پاشندگی آن در گستره خاصی از ناحیه فرکانسیTHz بصورت هایپربولیک میباشد. این خاصیت امکان تحریک امواج سطحی با قطبشTM را در این ساختار فراهم میکند. نتایج بدست آمده نشان میدهد که پاشندگی و فرکانس پلاریتونهای سطحی ایجاد شده وابسته به پتانسیل شیمیایی لایههای گرافن و زاویه جهت گیری محور اپتیکی متامواد است. تحریک پلاریتونهای سطحی در ساختار، بوسیله رسم نمودارATR
تحقیق شده است. امواج سطحی کاربردهای زیادی در زمینههای اپتیک غیرخطی، حسگرها و مطالعه سطوح دارند.
کلید واژه- پلاریتونهای سطحی، محور اپتیکی، متامواد هایپربولیک، پتانسیل شیمیایی، گرافن.
-1 مقدمه
امواج سطحی یا پلاریتونهای سطحی نوعی از امواج الکترومغناطیس هستند که در مرز مشترک بین دو محیط متفاوت تشکیل میشوند . میتوان نشان داد که چنین امواجی با قطبش TM، در فصل مشترک دو محیط با ضرایب دی الکتریک مختلفالعلامه مثل هوا و فلزات در فرکانسهای پایینتر از فرکانس پلاسما ایجاد میشوند. دامنه امواج سطحی با حرکت از مرز مشترک بطرف کنارهها بصورت نمایی افت پیدا کرده وسریعاً صفر میشود. لذا بیشترین دامنه میدان را در فصل مشترک خواهیم داشت. این امواج که در مورد فلزات بیشتر با نام پلاسمون پلاریتونهای سطحی شناخته میشوند، کاربردهای زیادی در زمینه های اپتیک غیرخطی، مطالعه دقیق سطوح، مدولاتورهای اپتیکی و حسگرها دارند.[1] در دهه اخیر، با اختراع متامواد، مطالعاتی هم در زمینه امکان تحریک امواج سطحی در آنها انجام شده است. متامواد، مواد مصنوعی مهندسی شده با اجزای ساختاری کوچکتر از طول موج هستند که بخاطر خواص منحصربفردشان در زمینههای مختلف اپتیک و مهندسی مورد توجه قرار گرفته اند .[2] پدیده امواج سطحی در حضور متامواد چپگرد بلافاصله پس از تولید متامواد، در سال2000 توسط روپین مورد مطالعه قرار گرفت .[3] در ادامه گروههای دیگری به بررسی این موضوع در بلورهای فوتونی حاوی متامواد پرداختند .[4] متامواد هایپربولیک نوع دیگری از مواد نوظهور هستند که در چند سال اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند .[5] اینمواد عمدتاً از ساختارهای لایه ای شامل ترکیب دی الکتریک- فلز، دی الکتریک- تامواد و اخیراً دی الکتریک- گرافن طراحی و ساخته میشوند. در نواحی طول موجی بلند و جایی که طول موج بسیار بزرگتر از ثابت شبکه ساختار است میتوان از تقریب محیط موثر برای مطالعه این محیطها استفاده کرد. در این حالت کل ساختار بعنوان یک ساختار همگن ناهمسانگرد دیده میشود که دارای تانسور گذردهی الکتریکی قطری میباشد. در متامواد هایپربولیک، عناصر قطر اصلی این تانسور مختلفالعلامه میباشند و این امر منجر به منحنی پاشندگی هایپربولیک - به جای منحنی پاشندگی بیضوی در محیطهای معمولی - میشود که کاربردهای جالب توجهی دارد. از آن جمله می توان به پدیدههایی مثل هایپرلنز، نامرئی سازی و بازتابندگی صفر تمام سویه و ... اشاره کرد .[6] استفاده از تک لایههای گرافن در ساختارهای متامواد هایپربولیک مزایایی را نسبت به فلزات فراهم میکند. گرافن بعنوان شبکه ای با ضخامت یک اتم از اتمهای کربن، قابلیت جایگزینی لایههای نازک فلزی را دارد. تحرک پذیری بالای الکترونی، انعطاف پذیری، استقامت بالا و پایداری محیطی خوب، اتلاف کم در نواحی فرکانسی THz و قابلیت تنظیم خواص اپتیکی و الکترونیکی از خواص قابل توجه گرافن میباشند که امکان استفاده از آن را در ادوات فوتونیکی و متامواد هایپربولیک را فراهم میآورند .[7]
در این مقاله سعی شده است که دلیل امکان ایجاد موج سطحی با قطبش TM، در مرز یک بره از متامواد هایپربولیک با هوا و نیز تاثیر جهت گیری محور اپتیکی این بره بر این امواج، نشان داده شود. مطالعه بر روی این ساختار با دو روش رسم منحنی پاشندگی امواج و رسم منحنی ATR برای ساختار انجام گرفته و امکان کنترل فرکانسی این امواج با استفاده از خواص کنترلی گرافن و زاویه قرار گیری محور اپتیکی بره مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مدل و محاسبات تئوری
شکل:1 در قسمت - - a طرحی شماتیک از ساختار مورد مطالعه و در قسمت - - b اجزای تشکیل دهنده متامواد هایپربولیک - HMM - حاوی لایههای گرافن و دی الکتریک نمایش داده شده است.
