بخشی از مقاله
چکیده
در این مقالهیک بلور فوتونی سهبعدی با ساختار اپال، اپال معکوس هوا در ZnO شبیه سازی شد و ساختار برای داشتن گاف نواری بسامدی پهن در ناحیه 400nm 700- بهینهسازی گردید. سپس با توجه به شعاع بهینه کرههای هوا، ویژگی ساختار بلور فوتونی اپال متشکل از کرههای پلی متیل متااکریلات در هوا که قالب برای شکلگیری اپال وارون است، شبیهسازی شد. در مرحله بعدی با تهیه اپال به روش سل-ژل و دقت در سنتز که ذرات هماندازه و با شعاع بهینهشده، بدست آمد که نتایج مشابهی در تصویر SEM را نشان داد.
پراشیدگی نور از بلور فوتونی - ساختار اپال - میتواند باعث ایجاد فلاشهایی با هر کدام از رنگهای رنگین کمان شود. منشا قوس و قزح در اپالها ناشی از ریز ساختارهای است که به طور منظم کنار هم قرار گرفتهاند و باعث میشوند که نور از صفحات کرات پراشیده شود و همچنین اندازه قطر و فاصله کرههای بر بسامد نور مشاهده شده تاثیر میگذارد. طول موج نور پراشیده شده از این ساختار چند صد نانومتر میباشد و در ناحیه طول موجهای نور مریی قرار میگیرد.
تولید اپالها به آن دلیل حائز اهمیت میباشد که مرحلهای برای تولید محصول اپال وارون است که یک بلور فوتونی سه بعدی با گاف نواری کاملی میباشد2]و.[3 روشهای مختلفی برای طراحی، تجزیه و تحلیل بلورهای فوتونی وجود دارد. احتمال کنترل و کاربری انتشار خود به خودی نور، مسبب ایجاد روشهای طراحی، تجزیه و تحلیل بلورهای فوتونی در سال 1987 گردید.
پایه و اساس این روشها مربوط به فیزیک حالت جامد و منحصراً به قضیه بلاخ برمیگردد. سه روش بنیادی برای طراحی بلورهای فوتونی میباشد که هر یک از این روشها محدودیتهای برای محاسبات دارند که متداول- ترین روش، روش بسط موج تخت میباشد4]و.[5 در این تحقیق جهت طراحی و شبیه سازی ساختار بلور فوتونی سه بعدی اپال و اپال وارون از این روش استفاده شده است.
طراحی وشبیه سازی اپال وارون اکسیدروی
ساختار اپال وارون اکسید روی یک ساختار بلور فوتونی سه بعدی میباشد که متشکل از آرایهای از کرههای هوا در زمینه اکسید روی با ساختار FCC است. در این تحقیق با توجه به ضریب دی- الکتریک اکسید روی در ناحیه مریی که 1/9- 2/25میباشد، با استفاده از PWE ساختار مورد نظر شبیه سازی شد. در این شبیه سازی اثر تغییر شعاع کرههای هوا و اختلاف ضریب دیالکتریک بین ماده و محیط برای داشتن گاف نواری کامل در تمامی نواحی بسامدی بررسی شده است.
شبیهسازی برای ساختار اپال وارون با ضریب دی الکتریک 2/25 برای زمینه و 1 برای کرههای هوا برای شعاعهای 0/34a تا 0/38a انجام شدهاست و نمودار گاف نواری آن در شکل 1رسم شدهاست. این شکل یک گاف نواری باریک بین 0/92D/ تا 1/1D/ را نشان میدهد - a دوره تناویب شبکه است - . سپس برای بهینه نمودن ساختار شبیه سازی برای شعاعهای مختلف کرهها در ساختار اپال وارون انجام شد و مشاهده گردید که تنها برای کرههای هوا با شعاع بین 0/34aتا 0/38a ساختار دارای گاف نواری است. بنابراین اساس طراحی و شبیهسازی را برای شعاع بهینه 0/38a قرار داده- ایم - این شعاع بهینه از روی نمودار3 مشخص میگردد - .
در این نمودار شعاع بهینه و اختلاف ضریب دیالکتریک 1/25 در نواحی بسامدی گاف نواری مشاهده میگردد. شکل:1 گاف نواری را به ازای شعاعهای مختلف برحسب a نشان میدهد. اختلاف ضریب دی الکتریک بین اپالهای وارون و محیط پس زمینه در نمودار 1/25 است. نمودار شعاع بهینه با اختلاف ضریب دی الکتریک 1/25رسم شد همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود در تمام نواحی بسامدی گاف نواری داریم.
شکل:2 نمودار گاف نواری اپال وارون را برای شعاع بهینه و اختلاف ضریب دی الکتریک 1/25 بین کرههای اپال و محیط پس زمینه نشان میدهد. نمودار 3-a بیانگر میانگین گاف نواری به مرکز گاف میباشد که بر حسب شعاع رسم شدهاست. همانگونه که با مقایسه با نمودار1 انتظار میرود تنها ناحیه 0/34aتا 0/38a دارای مقادیری است و بیشترین مقدار آن در 0/38a میباشد نمودار 3-b نسبت گاف بر حسب شعاع نشان میدهد که بیشترین بسامد متعلق 0/38a میباشد.
شکل - a :3 برمیانگین گاف نواری به مرکز گاف، - b نسبت گاف بر حسب شعاع نتایج حاصل از شکل 1 تا 3 نشان میدهد که برای داشتن گاف نواری پهن بهتر است شعاع کرههای هوا در اپال وارون بین 0/34a تا 0/38a باشد و میزان بهینه آن شعاع 0/38aمیباشد. شکل2 نمودار گاف نواری این ساختار را نشان میدهد و میتوان دید که در تمام جهتها یک گاف نواری وجود دارد بگونهای که اگر بسامد نور تابشی به بلور در این ناحیه قرار گیرد در محیط منتشر نشده و بازتاب میگردد بنابراین این ساختار دارای گاف نواری کاملی میباشد.
روش ساخت: ساخت پلی متیلمتاکریلات - - PMMA با استفاده از پلیمریزاسیون رشد زنجیرهای رادیکال آزاد میشود. کره-های PMMA دارای اندازههای یکنواخت هستند و با استفاده از پلیمریزاسیون متیل - - MMA در آب تهیه میشوند. از آنجا که MMA در آب قابل حل نیست، باید آن را به وسیله فرایندی به نام پلیمریزاسیون امولسیونی پلیمرایز کرد. امولسیون عبارت است از سوسپانسیون قطرات روغن در آب6]و.[7 برای شروع پلیمریزاسیون نیاز به یک آغازگر - - initiator است، دی بنزوئیل پراکساید که این آغازگر مولکولی است می تواند جزء واکنش را تشکیل دهد.
آب مقطر، مونومر و دی بنزوئیل پراکساید به صورت محلول در آورده و مخلوط در مدت 90 دقیقه با دماهای بین 70 تا 80 درجه سنتزمیشود. بعد از اتمام زمان سنتز ساختارهای اپال تشکیل می- شود. نمودار جذب UV آن را برای دماهای مختلف رسم نمودیم در شکل 6-a مشاهده میشود با افزایش اندازه ذرات طول موج به سمت ناحیه قرمز شیفت میکند. همچنین در شکل 6-b دیده میشود برای نمونه سنتز شده - در دمای 80 درجه سانتیگراد - حداکثر تحریک گسیلی در 270nm رخ میدهد و با افزایش طول موج سریعا کاهش مییابد.
