بخشی از مقاله
چکیده
مواد دو بعدی بویژه مولیبدنیوم دی سولفایت - MoS2 - در ادوات الکترونیکی و نوری جایگاه ویژه ای پیدا کرده اند. در این مقاله پاسخ مگنتواپتیکی کر ساختار شیشه/طلا/پرمالویn × MoS2/ - که در آن n تعداد لایه های MoS2 می باشد - بصورت نظری بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که در شرایط تشدید پلاسمون های سطحی مقدار سیگنال کر 18 برابر بزرگتر از ساختار شیشه/طلا/پرمالوی می باشد. این افزایش سیگنال کر، ناشی ازجذب نور در لایه نازک MoS2 می باشد.
مقدمه
اثر مگنتواپتیکی کر به تغییر قطبش نور بازتابی از سطح یک ماده مغناطیسی اطلاق می شود. از این پدیده در بررسی خواص مغناطیسی مواد، ساخت حافظه های مغناطیسی وحسگرهای مگنتو اپتیکی و. ..استفاده می شود. یکی از مشکلات استفاده از این پدیده در صنعت کوچک بودن شدت این اثر می باشد. بنابراین راه های مختلفی جهت افزایش اثر کر بکار برده شده است. از جمله از این روش ها می توان افزایش اثر کر به واسطه ی تشدید پلاسمون های سطحی اشاره کرد.
پلاسمون پلاریتون سطحی امواج الکترومغناطیسی عرضی هستند که در مرز بین دو محیط با ضریب دی الکتریکی متضاد - فلز و دی الکتریک - انتشار می یابند. تشدید پلاسمون های سطحی باعث افزایش میدان الکتریکی در مرز شده و در نتیجه افزایش برهمکنش نور با ماده مغناطیسی را در پی خواهد داشت. در این مقاله به صورت تئوری ساختاری طراحی شده تا با استفاده از خواص نیمه هادی MoS2 تشدید پلاسمونی را در ساختار ارائه شده افزایش داده و در نتیجه اثر کر افزایش یابد.
مباحث نظری
وقتی میدان مغناطیسی به فلزی که خواص مغناطیسی دارد اعمال می شود، تقارن معکوس زمانی در ساختار شکسته می شود در نتیجه بردار موج پلاسمون پولاریتون سطحی کاملا به جهت میدان مغناطیسی وابسته می شود. در نتیجه شدت موج بازتابی نیز وابسته به میدان مغناطیسی خواهد بود.
به منظور بررسی رفتار موج درون ساختارهای مغناطیسی از روش ماتریس های انتقالی استفاده می شود. رابطه بین دامنه میدان الکتریکی در لایه اول با دامنه آن در لایه پایانی به صورت زیر بیان می شود.
که در آن Ei و E f به ترتیب دامنه میدان الکتریکی در لایه ابتدایی و انتهایی ساختار می باشند. - D - n و - P - n به ترتیب ماتریس مرزی و ماتریس انتشار نام دارد که به خواص اپتیکی مانند ضریب شکست و هندسی مانند ضخامت بستگی دارد. دامنه میدان الکتریکی بازتابی با قطبش P به صورت زیر بیان می شود که در آن Rpp شدت موج بازتابی با قطبش P می باشد. سیگنال کر عرضی به صورت زیر به دست می آید :
بحث و نتایج
در این مقاله به منظور تحریک پلاسمون های سطحی و افزایش اثر کر به وسیله آن ها از پیکربندی کرچمن در هندسه عرضی استفاده شده است. لایه به صورت شیشه/طلا/پرمالویMoS2/ می باشد که بر روی یک منشور نیمه استوانه ای قرار داده شده است. از طلا به دلیل بالا بودن خاصیت پلاسمونی واز پرمالوی به دلیل بالا بودن
خاصیت مغناطیسی آن در میدان های پایین استفاده شده است.از MoS2 به عنوان یک نیمه هادی که قابلیت تولید حاملین بار آزاد دارد، برای افزایش خاصیت پلاسمونی استفاده شده است. پرتو فرودی با طول موج 632/8 نانومتر - قرمز - با قطبش P ، از طرف منشور به ساختار تابیده می شود. شکل 1 ساختار مورد نظر را به صورت طرحوار نشان می دهد:
شکل :1 بلور مگنتوپلاسمونیک در هندسه کرچمن. H میدان مغناطیسی اعمالی به ساختار در راستای محور X می باشد.
ضریب شکست و ثابت مگنتواپتیکی لایه ها از منابع اطلاعاتی استخراج شده است[6][5] به منظور دستیابی به بیشترین سیگنال کر عرضی و مطابق با مطالعات قبلی ضخامت لایه طلا را مقدار ثابت9 - نانومتر - در نظر می گیریم [1] و رفتار شدت نور بازتابی R - H=0 - و مولفه مگنتو اپتیکی خالص Rpp و شدت سیگنال کر R pp Rpp را برحسب ضخامت پرمالوی وزاویه فرودی با استفاده از نرم افزار متلب رسم کرده و بررسی میکنیم. - شکل . - 2 با توجه به شکل - 2 الف - شدت نور بازتابی در زاویه 42/2 درجه به بیشترین مقدار خود می رسد که متناظر با بازتاب کلی می باشد. مقدار کمینه بازتاب که متناظر با تشدید پلاسمون های سطحی می باشد در زاویه 48 و برای ضخامت 9 نانومتر پرمالوی اتفاق می افتد.
در شکل 2 - ب - نمودار Rpp بر حسب زاویه فرودی و ضخامت لایه کبالت رسم شده است. با توجه به شکل در ضخامت های کمتر از 1 نانو متر مقدار Rpp به صفر می رسد. زیرا ضخامت لایه مغناطیسی کمتر از آن است که نور بتواند با آن برهمکنش کند.
با افزایش ضخامت پرمالویو در زاویه 44/3 درجه شکل - : - 2 الف - نمودار مولفه اپتیکی خالص ب - مگنتواپتیکی خالص ج - سیگنال کر برای ساختار شیشه/طلا/پرمالوی مقدار Rpp به علت افزایش برهمکنش نور با ماده مغناطیسی به بیشترین مقدار میرسد. ولی با افزایش ضخامت لایه مغناطیسی مقدار اتلاف اپتیکی و همچنین مقدارکمینه بازتاب نیز افزایش می یابد. در نتیجه مقدار سیگنال کر کاهش می یابد. و در نهایت با توجه به نمودار سوم بیشینه سیگنال کر 0/24 و در ضخامت 9 نانومتر برای پرمالوی می باشد.
نمودارهای بررسی شده در شکل 2 بدون در نظر گرفتن لایه MoS2 می باشد. در قدم بعدی لایه های MoS2 را بر روی ساختار قرار داده و تاثیر آن را بررسی می کنیم. نتایج در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به شکل - 3
الف - با اضافه شدن لایه MoS2 زاویه مربوط به بازتاب کلی تغییر نمیکند، ولی زاویه مربوط به کمینه بازتاب به سمت زاویه های بزرگترجابه جا می شود. علت این امر را می توان به بزرگ بودن قسمت حقیقی ضریب شکست MoS2 ربط داد. مقدارکمینه بازتاب نسبت به حالت قبلی کاهش می یابد.
این امر باعث می شود که موج پلاسمون پولاریتون بیشتری در سطح ساختار منتشر شده و درنتیجه مقدار سیگنال کر شکل - 3 ب - افزایش می یابد. با توجه غیر صفر بودن قسمت موهمی ضریب شکست MoS2 با افزایش تعداد آن مقدار جذب اپتیکی نیز افزایش یافته و نمودار بازتاب در ناحیه مربوط به تشدید پلاسمونی پهن تر می شود. با توجه به شکل - 3 ب - اندازه سیگنال کر کاملا وابسته به تعداد لایه های MoS2 می باشد.
تاثیر تعداد لایه های MoS2 بر روی کمینه بازتاب و سیگنال کر در نمودار 3 - ج - نشان داده شده است. بیشترین مقدار سیگنال کر به مقدار 4/40 و در زاویه فرودی 53/13 درجه و برای ساختار شامل 4 لایه MoS2 به دست آمده است. این مقدار حدود 18 برابر بیشتر از سیگنال کر نسبت به ساختار بدون MoS2 می باشد. باافزایش تعداد لایه های MoS2 بیشتر از ، مقدار مینیمم بازتاب افزایش یافته و در نهایت مقدار سیگنال کر کاهش می یابد.
در شکل 4 نمودار مربوط به توزیع میدان الکترومغناطیسی شیشه/طلا/پرمالویMoS 2 - ×4 - / رسم شده است. همانطور که دیده می شود 4 - الف - ، در زاویه53/13 درجه وقتی که پلاسمون پولاریتون سطحی تشدید می شود بیشترین مقدار شدت موج الکترومغناطیسی در مرز بین پرمالوی و MoS2 جایگزیده شود. این امر باعث می شود که برهمکنش موج با پرمالوی افزایش یافته و در نهایت پاسخ مگنتواپتیکی ساختار افزایش یابد. در زاویه تابشی60 درجه قسمتی از نور تابیده شده به محیط اول بر میگردد.
