بخشی از مقاله
چکیده- امکان تنظیم کردن پاسخ نوری نانوآنتنهای دوقطبی با استفاده از اجسام پوسته-هسته پالسمونیکی که این اجسام فضای بین دو بازوی آنتن اشغال میکنند، تشریح شده است. ساختار نانو آنتن دوقطبی ایده آل با استفاده از مواد پالسمونیکی مختلف؛ طال، نقر، گرافن، به گونهای طراحی شدهاند که پاسخ نوری کلی آنتن، شامل پارامترهایی مانند؛ سطح مقطع انهدام و امپدانس ورودی، تنظیم پذیری خوبی در طول موج امواج تراهرتز داشته باشند. همانگونه که نشان داده است، می توان به ازای مواد و شکلهای مختلف طراحی، مقدار و Zin را به شکل دلخواه تغییر داد.
-1 مقدمه
آنتن های نوری دو قطبی به دلیل سادگی و تشابه خود با آنتنهای متداول باند X و همچنین پیشرفت چشمگیر تکنولوژی ساخت ادوات نوری در ابعاد نانو، توجهات زیادی را در سالیان اخیر به خود جلب کردهاند [1] در این زمینه تاکنون مقاالت بسیار زیادی پیرامون انواع آنتنها و خصوصیات آنها منتشر شده است 2]و 3و ۴. [ به یکی از چالش های اصلی طراحی این نوع آنتنها، توانایی کنترل طیف تشعشعی و پراکندگی آنتنهای دو قطبی میباشد. یکی از راههای کنترل طیف تشعشعی، استفاده از یک ماده پرشونده مناسب مابین بازوهای آنتن به عنوان یک خازن یا سلف، میباشد ]۵ .[ چند نمونه از طراحی های مختلف این نوع آنتن ها مانند، تک قطبیها، دو قطبیها، یاگی یودا، پاپیونی در مراجع 2]و [3 تا به امروز منتشر شده است.
همچنین نشان داده شده است که شکل آنتن در تعیین خصوصیات تشعشعی نقش بسیار مهمی را ایفا میکند]۵ و۶. [ در این مقاله، با استفاده از خاصیت پالسمونیکی فلزات در فرکانسهای تراهرتز، طراحیهای متفاوتی به منظور دستیابی به یک پاسخ نوری تنظیم پذیر در آنتنهای دو قطبی ارائه و مورد بحث قرار گرفته است. چند کره هادی از جنس نقره، یک استوانه هادی از جنس طال و نقره، و همچنین استفاده از ماده جدید گرافن به عنوان یک ماده جدید و کارآمد پالسمونیکی، موادی هستند که در این مقاله در شکاف بین بازوهای آنتن قرار گرفتهاند.
-2 طرح کلی مسئله
در حالت کلی، ساختار هندسی نانوآنتن دوقطبی در شکل 1 نشان داده شده است. این ساختار متشکل از دو بازوی استوانهای شکل ساخته شده از فلز - در اینجا نقره - میباشند که با فاصله g از یکدیگر قرار گرفتهاند. در این طراحی فاصله بین بازوها به منظور ایجاد تشدید در ناحیه تراهرتز، ۵2 نانومتر در نظر گرفته شده است. ماده نقره تشکیل دهنده بازوهای نانوآنتن ، با استفاده از مدل دیالکتریک دورود1 مدلسازی میشود.
شکل :1 ساختار هندسی نانوآنتن دوقطبی
امپدانس کل ورودی برای شکل 2 در دو حالت متفاوت نقره و طال مورد بررسی قرار گرفت. در شکل 3 امپدانس ورودی برای حالت r_load = 5nm و ارتفاع های متفاوت نشان داده شده است. با تغییر در ارتفاع بار موجود در شکاف می توان، امپدانس کل سیستم را تغییر داد و به مقدار مطلوب نزدیک کرد. همچنین برای مقایسه بیشتر مسئله را برای شعاع های مختلف نیز مورد بررسی قرار داده و در شکل ۴ به نمایش گذاشته شد.
مشاهده میشود که یک درجه آزادی دیگر نیز با ایجاد شعاع های مختلف برای بار، خواهیم داشت. همچنین در بررسی های انجام شده، مشاهده شد که بار استونهای از جنس طال، توانایی تولید چندین پیک تشعشعی در بازه فرکانسی دارد و بسته به شعاع و ارتفاع این بار، می توان این پیک ها را به اندازه و شدت دلخواه تنظیم کرد. در شکل ۵ نمودار سطح مقطع انهدام برای بار استوانه ای از جنس طال و نقره به نمایش گذاشته شده است.
-1-1 استفاده از نانوبارهای استوانه ای فلزی برای تنظیم خصوصیات تشعشعی
در راستای دست یابی به یک طراحی مناسب برای تنظیم پذیری نانو آنتن دو قطبی، در نخستین مرحله شکاف مابین بازوها را با استفاده یک بار استوانهای با دو جنس طال و نقره، پر میکنیم - شکل . -
شکل :2 بار استوانهای به منظور تغییر در خصوصیات تشعشعی
شکل :3 امپدانس ورودی نانو آنتن دو قطبی زمانی که بک بار استوانه ای از جنس نقره در مرکز آن قرار گرفته باشد. شعاع در این جا ثابت و برابر 5nm در نظر گرفته شده است. - a - قسمت حقیقی امپدانس، - b - قسمت موهومی امپدانس.
-2-1 استفاده از نانو بارهای کرهای برای تنظیم خصوصیات تشعشعی
در ادامه مقاله، دومین راه پیشنهادی برای تنظیم پذیر کردن آنتن های دوقطبی، استفاده از نانو کره ها، مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل نمایی از یک نانو آنتن دو قطبی که در آن از یک بار کره ای با الیه های متفاوت استفاده شده است، نشان داده شده است.با بررسی ساختار موجود، مشاهده شد که این ساختار قابلیت بسیار زیادی در ایجاد یک طیف پراکندگی بسیار پهن باند دارد. خاصیتی که از آن میتوان به راحتی در طراحی جاذب¬های مختلف به کار گرفته شود. در شکل - a - 7و - - b به ترتیب نمودار سطح انهدام و امپدانس ورودی این ساختار به نمایش گذاشته شده است. همچنین در شکل 8، نمایی سه بعدی مولفه میدان الکتریکی در جهت - E - z آورده شده است.
شکل :4 امپدانس ورودی آنتن با بار استوانهای برای شعاع و ارتفاع های متفاوت. - - a قسمت حقیقی امپدانس، - b - قسمت موهومی امپدانس.
شکل :5 نمودار سطح مقطع انهدام، پراکندگی و جذب نانو بار استوانهای. در شبیه سازی انجام شده، r_load = 5nm و h_load = 15nm در نظر گرفته شده است. - a - استوانه از جنس طال. - b - استوانه از جنس نقره.
شکل۶ : بار کرهای به منظور تغییر در خصوصیات تشعشعی. بار مورد نظر متشکل از 3 الیه، الیه اول یک عایق با = ، الیه دوم فلز نقره و الیه سوم فلز طال میباشد. اندازه ها در شکل نشان داده شده
-3-1 استفاده از نانو بارهای کرهای و گرافن به صورت همزمان برای تنظیم خصوصیات تشعشعی
راه سوم پیشنهادی، استفاده از ماده نوظهور گرافن به عنوان یک ماده بسیار قدرتمند پالسمونیکی در طراحی بار نانو آنتن دو قطبی میباشد. گرافن به عنوان یک ماده کاربردی در علوم فوتونیک و الکترونیک نوری محسوب میشود. این ماده دارای مزایای بسیاری نسبت به سایر مواد می-باشد. بکارگیری گرافن در افزارههای الکترونیک نوری متنوعی مانند، ماژولهای فوتو- ولتاییک، مدوالتورهای نوری، افزارههای پالسمونیکی و لیزهای بسیار سریع، نشان داده شده است.
در سالیان اخیر، تالش بسیار گستردهای برای توسعه آشکارسازهای نوری بر اساس خصوصیتهای مختلف گرافن انجام شده است. خصوصیت بدون باند بودن گرافن سبب تولید حاملهای بار در بازه وسیعی از طیف انرژی شده است. در این بین می توان به بازههای طیفی ماوراء بنفش، مرئی، مادون قرمز موج کوتاه - - SWIR، مادون قرمز-نزدیک - - NIR، مادون قرمز-میانی - - MIR، مادون قرمز- دور - - FIR و تراهرتز - - THZ اشاره کرد.
