بخشی از مقاله
چکیده
پلاسمونهای سطحی در گرافن به علت ویژگیهای فوقالعاده، کاربردهای بسیاری پیدا کردهاند. در این مقاله با استفاده از گریتینگ پلهای طلا در مجاورت گرافن و یک لایه حساس، پلاسمونهای سطحی در ناحیه فروسرخ نزدیک تشکیل دادهشد و خواص اپتیکی گرافن و نیز ضریب خاموشی سیستم مورد بررسی قرار گرفته شد.با استفاده از وابستگی طول موج تشدید پلاسمونها به پارامترهای نوری لایه حساس، حسگری گازی در ناحیه فروسرخ نزدیک پیشنهاد شدهاست.
بدین منظور ضریب حساسیت S=∆λ/∆n و همچنین ضریب کیفیت سنسور Q=S/FWHM در ضریب شکستهای n=1,000 تا n=1,100 و با تغییرات ضریب شکست ∆n=0,005nm برای گازها محاسبه شد. مشاهده شد در ضریب شکست n=1,020 میزان ضریب حساسیت به بیشترین مقدار خودS=1600 nm/RIU و بهترین کیفیت سنسورQ= 333,3 1/RIU به ازای ضریب شکست های n=1,010 و n=1,030 و n=1,085 میرسد.
مقدمه
گرافن نامی است که به یک تکلایه تخت از اتمهای کربن به شکل شبکه لانهزنبوری در صفحه دوبعدی اختصاص دادهاند.[1] پویایی بالای گرافن در دمای اتاق آن را به مادهای عالی برای جایگزینی سیلیکون در الکترودها تبدیل میکند. هرچند که لایه جدا شده از گرافیت اولیه به ندرت با نور درگیر میشود - جذب برای شدت نور تصادفی مستقل از فرکانس تنها %2,3 است - . این تعامل را می-توان بهوسیله تشدید کاواکهای خارجی یا با تشدید پلاسمونیک بر روی سطح گرافن افزایش داد. در مقایسه با پلاسمونهای سطحی فلزات معمولی، پلاسمونهای سطحی گرافنی اتلافهای انتشار کمتری دارند همچنین دارای ویژگیهای تنظیمپذیری بالایی از طریق الکترواستاتیک و یا لایهنشانی گرافن هستند.
[2] گرافن میتواند پلاسمونهای سطحی را بوسیله خواص الکتریکی تنظیم- پذیر خود تا حد بالایی جایگزیده کند.[3] تکنولوژی سنسور ضریب شکست، یک محصول بینرشتهای است که در بیوپزشکی، پیشرفت دارو، تشخیص پزشکی و... نمود پیدا میکند. در زمان حال، سنسورهای پلاسمون سطحی سیر تکاملی تکنولوژی سنسور ضریب شکست هستند. سنسور ضریب شکست یک فوتونیک کریستال، بر اساس خواص نوری فوتونیک کریستال و اصل تشدید کنندگی موج سطحی بنا گذاشته شدهاست.[2] یکی از کاربردهای تشدید پلاسمونهای سطحی، آشکارسازی گاز است. در این مقاله ساختاری متشکل از گریتینگ پلهای طلا و گرافن را برای آشکارسازی گاز با استفاده از حسگر ضریب شکست پیشنهاد می-دهیم.
ساختار
در این مقاله، گرافن برروی ساختاری با گریتینگ پلهای طلا به منظور اهدافی همانند سنجش گاز پیشنهاد شدهاست. همانطور که در شکل 1 دیده میشود اولین گریتینگ با ضخامت t1=28 nm و پهنای l=1000nm ، دومین گریتینگ با ضخامتt2=18 nm و پهنای w=1028nm بر روی یک زیرلایه با ضخامت t3=10 nm و پهنای کل p=1450nm در نظر گرفته شدهاست. در مجاورت گرافن یک لایه حساس، روی کل ساختار پوشانده شده و میزان حساسیت پلاسمونهای سطحی نسبت به ضریب شکست این لایه مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور موج الکترومغناطیسی تخت با قطبش TM - مد های TE پلاسمونهای سطحی را برای این ساختار تشکیل نمیدهند - تحت زاویه تابش صفر درجه به ساختار تابیده شده است.
بحث و بررسی نتایج
در بسیاری از تکنیکها تغییر ضریب شکست یک ماده، پارامتری اساسی و مهم تعیین کننده غلظت و ویژگیهای آن ماده است.[4] به همین منظور ساختاری بر مبنای گرافن-پلاسمونها برای سنجش ضریب شکست گازها پیشنهاد داده شد. در شکل -2الف خاموشی ساختار و همچنین جذب گرافن بر حسب طول موج رسم شده است. سپس شدت میدان مغناطیسی در بیشینه مقدار خاموشی برای لایه حساس به ازای ضریب شکست n=1,000 رسم شد - شکل -2ب -
طولموج تشدید میتواند بهوسیله تنظیم پارامترهای نوری پلاسمونهای سطحی از جمله ضریب شکست، عوض شود.[5] به منظور بررسی حساسیت پلاسمونهای سطحی و در نتیجه حساسیت سنسورگازی نسبت به ماده موردآشکارسازی، با تغییر ضریب شکست لایه حساس، نمودار خاموشی سیستم رسم شد و مشاهده شد پیکهای تشدید پلاسمونها به ازای تغییرات کوچکی در ضریب شکست، شیفت قابل توجهی پیدا میکنند. شکل -3الف تغییرات ضریب شکست از n=1,000 تا n= 1,045 به ازای n=0,005nm را نشان میدهد همچنین شکل -3ب بیانگر تغییرات ضریب شکست از n=1,050 تا n= 1,100 به ازای n=0,005nm است. حساسیت عملکرد سنسورهای ضریب شکست با پارامترهای حساسیت S و کیفیت سنسور Q، که به ترتیب با / n S= و Q=S/FWHM تعریف می شوند، ارزیابی می شود. تغییرات طول موج تشدید برانگیخته شده ناشی از تغییرات ضریب شکستn است و FWHM نیز پهنای پیک در نیمه ارتفاع بیشینه نمودار خاموشی است.[6]
