بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی طیف جذب برای بلورهای فوتونی گرافندار در حضور فراماده پرداخته شده است. با توجه به اینکه حضور گرافن در بلورهای فوتونی باعث افزایش جذب در ناحیه ی تراهرتز میشود، در این تحقیق با بهره گیری از روش ماتریس انتقال و حضور فراماده در کنار گرافن در بلورهای فوتونی، ضریب جذب در حضور فراماده با ضخامت های مختلف بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که با افزایش ضخامت لایهی فراماده، جذب، افزایش بیشتری نسبت به حالت عدم حضور فراماده در پی خواهد داشت و این بهبود آشکارسازی در ناحیه ی تراهرتز را به دنبال دارد.
کلید واژه- بلورهای فوتونی، فراماده، گرافن، ماتریس انتقال
-1 مقدمه
بلورهای فوتونی، نانو ساختارهای نوری دورهای هستند که بر روی حرکت فوتون ها تاثیر میگذارند. این نوع بلورها از دی-الکتریک، فلز یا حتی از نانو ساختارها و میکروساختارهای ابر رسانا که به صورت دورهای هستند تشکیل می شود که بر روی انتشار امواج الکترو مغناطیسی تاثیر میگذارند. بلورهای فوتونی شامل ناحیههای تکراری از دی الکتریکهایی با ثابتهای کم و زیاد هستند .[1] با قرار دادن لایههای گرافن که توسط این دیالکتریکها از هم جدا میشوند، میتوان یک ماده کامپوزیتی با خواص الکتریکی تک محوره ایجاد کرد. این نوع از چند لایههای گرافن-دی الکتریک برای طراحی ساختارهای تنظیمپذیر در یک محدوده طیفی فرکانسی وسیع از امواج میلی متری تا تراهرتز مورد استفاده قرار میگیرند که شامل تمام باند فرکانسی IR دور است.
در ناحیهی تراهرتز، طراحی لایههای القایی به دلیل افت فلز و پاشندگی فرکانس مشکل است که بههمین دلیل الگوهای دورهای گرافن-دی الکتریک مطرح میشود .[2] در طول دو دهه گذشته با توسعه سریع نانوساختارها و علم نیم رساناها، فناوری لیزرهای فوق سریع، علم و فناوری تراهرتز، کاربرد-های بالقوهای را به نمایش گذاشته است و به عنوان یک منبع موج همدوس در فیزیک، شیمی، پزشکی و دیگر زمینههای فنی به کار گرفته شده است .[3] در این مقاله به بررسی ساختارهایی که میتوانند جذب بیشتری از این امواج را داشته باشند پرداخته شده است. این نوع ساختارها در نهایت میتوانند به طراحی آشکارسازهای این امواج کمک شایانی کنند.
-2 مبانی نظری
در این بررسی به منظور محاسبهی ضرایب اپتیکی در مرزهای گرافن-دیالکتریک و گرافن-فراماده از روش ماتریس انتقال استفاده شده است. ایدهی اصلی ماتریس انتقال این است که میتوان میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در موقعیتی را به موقعیت دیگر مربوط ساخت. در اینجا انتشار نور از لایهی گرافنی را بررسی کرده و سپس به بررسی انتشار موج فرودی در مرز گرافن-فراماده می-پردازیم.ساختار سلول واحد دی الکتریک-گرافن را نشان میدهد.در این ساختار ضخامت لایهی دیالکتریک d در نظر گرفتهمیشود و لایه گرافن دارای رسانندگی میباشد. در این حالت ماتریس مرز گرافن–دی الکتریک را M در نظر می- گیریم که میدان درلایه ی n را به میدان در لایهی n+1 مربوط می سازد :[4]پرتو فرودی به ساختار میباشد. اگر ساختار سلول واحد شکل 1 بصورت تناوبی در یک تعداد دورهای مثل N تکرار شود، ماتریس کل بصورت زیر در نظر گرفته میشود:در این صورت پس از بدست آوردن ماتریس U می توان ضرایب اپتیکی بازتاب و عبور را از عناصر این ماتریس بدست آورد:
ب: ساختار گرافن-فراماده
حال اگر یک ساختار دوره ای که از تکرار دو لایه با ضخامت و ضریب شکست متفاوت تشکیل شده باشد را در نظر بگیریم، ماتریس مشخصه هر دوره که تکرار این دو لایه می باشد، متناظر است با :[5]حال با ترکیب این ساختار با ساختار شکل1 میتوان به ساختار سلول واحد یک بلور فوتونی نظیر شکل2 دست یافت.
-3 نتایج و بحث
با فرود عمودی نور از سمت چپ به ساختار شکلهای 1 و 2 و با استفاده از روابط - 7 - - - 8 - و - - 14 - - - 15 میتوان ضرایب اپتیکی و میزان جذب امواج تراهرتز در این ساختارها را بررسی کرد.شکل3 با توجه به جدول - 1 - ، نمودار جذب برای فرکانس 1 تا 100 تراهرتز را برای ساختار شکل1 نشان میدهد. همان-طور که از نمودار مشخص است، با توجه به خاصیت ذاتی گرافن در جذب امواج با طول موج های بلند و نیز با افزایش تعداد لایهها به دلیل تداخلهای متعدد موج درون لایهها مقدار جذب دستخوش تغییراتی می شود و باعث به وجود آمدن قلهی جذبی تیزی می شود، بهطوری که در اینجا یک قله جذب در فرکانس 68 تراهرتز مشاهده میشود که مقدار بیشینه جذب این فرکانس 0/068 می باشد . قسمتی که در شکل بهصورت مجزا نشان داده شده است، بازهی فرکانسی 0/3 تا 3 تراهرتز را نشان میدهد.؛ نتایج حاصل از شبیه سازی در این بازه نشان می دهد که با افزایش فرکانس، مقدار جذب در این محدوده افزایش می یابد تا در نهایت میزان جذب در این بازه به یک مقدار ثابت می رسد.
