بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش اثر جایگزین کردن مس با گرافین در سطوح انتخابگر فرکانس1 جاذب امواج راداری شبیه سازی و بررسی شده است. شبیه سازی ها با روش المان محدود و با استفاده از نرم افزار CST Studio انجام شده است. پیش از این بیشتر پژوهش ها کارایی گرافین را در محدوده های تراهرتز مورد بررسی قرار داده اند، در این پژوهش محدوده انتخابی بین 0/1 تا 40 گیگاهرتز بررسی شده است. مشاهده شده است که برخلاف مس که فقط در چند فرکانس جذب دارد، سطوح انتخابگر بر پایه گرافین تقریبا در تمامی محدوده فرکانس جذبی پنجاه درصدی دارد. این نشان دهنده پتانسیل مواد نوینی مانند گرافین برای کاربرد های جدید است.
مقدمه
سطوح انتخابگر فرکانس ساختار های تناوبی یک بعدی یا دو بعدی هستند که بسته به نوع طراحی شان فرکانس های مختلفی را جذب یا عبور می دهند. سهولت نسبی ساخت ساختار های در فرکانسهای مایکرویو و همچنین وجود چندین دهه تحقیقات در زمینه ی آنها، این ساختارهای پریودیک را به عنوان نامزد های مناسبی برای ارایه کاربرد ها و قطعات جدید در فرکانس های مایکرویو مورد توجه قرار داده است. سطوح انتخابگر فرکانس ساختار هایی هستند که از قرار دادن سطوح رسانا بصورت تناوبی در کنار یکدیگر حاصل میشوند.
این ساختارها به علت خاصیت فیلتر کنندگی فرکانسی شان مورد توجه زیادی قرار گرفته و کاربرد های فراوانی برای آنها پیشنهاد شده است. کاربرد هایی از قبیل آنتن های انعکاسی[2]2، رادوم ها 3[3], [4]، پلارایزرها 4[5]، بیم اسپلیترها 5[6] و فیلتر مکانی.6[7] از میان پارامتر هایی که در طراحی سطوح انتخابگر فرکانس در اختیار طراح قرار دارند، شکل لایه رسانایی که در هر سلول قرار میگیرد از اهمیت ویژه ای برخودار است.
گرافین همچون گرافیت یکی از آلوتروپهای کربن است. با این تفاوت که در گرافیت، هر کدام از اتم های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم دیگر کربن متصل شدهاند و تشکیل لایهای دادهاند. هر لایه بر روی لایهای دیگر وکاملاً مشابه قرار گرفته بطوریکه چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی دادهاست. اما این پیوند، از نوع پیوند واندروالسی و ضعیف است.
به همین دلیل لایههای گرافیت به راحتی بر روی هم سر میخورند. درحالیکه گرافین مادهای است که در آن تنها یکی از این لایههای گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی ماندهاست. بنابراین گرافین مادهای دوبعدی است با ضخامت یک اتم کربن. این اتمها شبکهای شش وجهی چون کندوی عسل را تشکیل میدهند. اولین بار در سال 1962 بوهم و همکاران سعی کردند گرافین چند لایه بسازند.[8] در سال 2004 ، آندره گیم و کاستیا نووسلف از دانشگاه منچستر، توانستند با روش لایه برداری مکانیکی گرافین تولید کنند و برنده جایزه نوبل در سال 2010 شدند.
کربن ششمین عنصر جدول تناوبی است و شش الکترون اطراف هسته آن وجود دارد. آرایش الکترونی کربن به صورت 1s 2, 2s 2,2p2 است. دو الکترون 1s2 در فاصله ای نزدیک از هسته قرار دارند. اما چهار الکترون دیگر در لایه ظرفیت قرار دارند. به دلیل اینکه تفاوت انرژی اربیتال های 2sو 2p بسیار کم است به راحتی باهم ترکیب می شوند. در گرافین یک الکترون 2s و دو الکترون 2p تشکیل هیبریدیزاسیون sp2 می دهند که باعث برقراری پیوند کوالانسی سیگما می شود. پیوند سیگما با انرژی پیوند 607 KJ/mol یکی از قوی ترین پیوند های موجود در طبیعت است.
دلیل شش وجهی بودن آرایش اتم ها در گرافین وجود هیبریدیزاسیون sp2 است. با تشکیل اربیتال های sp2 یک الکترون باقی مانده در لایه ظرفیت به عنوان الکترون نامتمرکز1برای هر اتم کربن باقی می ماند که می تواند آزادانه حرکت کند. این الکترون در اربیتال pz قرار میگیرد. عامل رسانایی گرافین این الکترون است. در گرافین رابطهی انرژی و ممنتوم برای الکترونها در بازه ای وسیع از انرژی ها خطی است؛ الکترون ها در گرافین مانند ذرات بدون جرم نسبیتی - فرمیونهای دیراک - 2 با سرعتی مستقل از انرژی هستند. بنابراین الکترون در گرافین مانند ذره ای بدون جرم رفتار می کنند. دقیقا همانند حرکت نور در ماده، با این تفاوت که الکترون بار دارد.
با این امکان که مسافتی طولانی را بدون پراکنش3 در ساختار طی کنند. این ویژگی به معنای توانایی تحمل جریان الکتریکی زیاد توسط چنین ساختاری است. طول پویش آزاد الکترون در گرافین حدود 1 میکرو متر است به همین دلیل میتوانند انتقال بالیستیک الکترون4 داشته باشند. باید به این نکنه توجه شود که خواص الکترونیکی گرافین به میزان ناخالصی های شبکه آن وابسته است. ناخالصی و مواد دوپ شده می تواند ساختار نواری گرافین را تغییر دهد، تقارن الکترون- حفره را برهم زند و گاف انرژی ایجاد کند. همچنین ناخالصی ها باعث پراکنش الکترون می شوند و این باعث کاهش طول پویش آزاد و کاهش موبیلیتی الکترون می شود. نه تنها ناخالصی ها بلکه زیرلایه گرافین مانند اکسید سیلیسیوم نیز اثر مشابهی بر خواص الکترونیکی گرافین دارد. به همین دلیل کیفیت و خواص گرافین به روش ساخت آن وابسته است.
گرافین به دلیل خواص الکتریکی، نوری، مکانیکی، شیمیایی و ... خارق العاده از اهمیت بسیاری برخودار است. شفافیت گرافین در برابر نور مرعی به فرکانس نور وابسته نیست و در کل محدوده نور مرعی 97/7 درصد را از خود عبور می دهد. گرافین در همه جهات حرارت را به خوبی انتقال می دهد و رسانایی گرمایی بالاتر از مس دارد. از نظر خواص مکانیکی استحکام شکست گرافین حدود 130 گیگا پاسکال است یعنی 100 برابر از فولاد مستحکم تر است. گرافین کاملا انعطاف پذیر است و توانایی تحمل 20 درصد کرنش بدون شکست را دارا می باشد و مدول الاستیسیته بالایی دارد.
گرافین از نظر شیمیایی پایدار است و به راحتی بوسیله اسید خورده نمی شود. نسبت به محیط اطراف حساس است به همین دلیل می توان به عنوان حسگر چند منظوره از آن استفاده کرد. اما در دمای بالای 800 درجه سلسیوس به کربن دی اکسید تجزیه می شود. رسانایی الکتریکی گرافین 35 درصد از مس بیشتر است. ضریب میرایی خوبی برای امواج مغناطیسی دارد. تا کنون هیج ماده ای یافت نشده است که همه این خواص را در خود داشته باشد. با وجود گذشت تنها 11 سال از تولید اولین لایه گرافین تا کنون محصولات کامپوزیتی و الکترود های شفاف رسانای گرافینی وارد بازار شده اند که این در نوع خود شگفتی آفرین است.
شبیه سازی و نتایج
استفاده از شبیه سازی کامپیوتری در طراحی باعث کاهش هزینه ها و صرفه جویی در زمان می شود. برای شبیه سازی از مدول MICROWAVE STUDIO نرم افزار CST STUDIO استفاده شده است. این نرم افزار بر اساس تکنیک همگرایی محدود5 بنا شده است
این نرم افزار از چندین روش حل استفاده می کند که می توان از روش دامنه فرکانس1، دامنه زمان2، ایگنمود3و روش هایبریدی نام برد. روش استفاده شده در این پژوهش دامنه فرکانس بوده و فرکانس تعریف شده برای شبیه سازی ها در بازه 0.1 - 40 GHz می باشد. این نرم افزار توانایی وارد کردن اشکال از نرم افزار های دیگر را دارد همچنین خود نرم افزار قابلیت رسم اشکال بر پایه مدل سازی پیشرفته پارامتری ACIS را دارد. همچنین متریال های مورد استفاده در این پژوهش به صورت پیشفرض در نرم افزار موجود می باشد. در تمامی شبیه سازی ها زیرلایه استفاده شده از جنس Arlon AD 250 انتخاب شده است و پارامتر های شبیه سازی رفتار گرافین در برابر امواج الکترومغناطیسی مطابق جدول 1 انتخاب شده است.
جدول -1 پارامتر های تعریف شده برای گرافین
طراحی هندسی سطح فرکانس گزین از پژوهش های دیگری اقتباس شده است که برای جذب امواج راداری در باند ایکس5 طراحی شده است.[10] , [11] شکل 1 نشان دهنده این طراحی است. ابعاد شکل مورد نظر به صورت پارامتری تعریف شده اند تا در مراحل بعد بهینه شوند. شرایط مرزی به صورت متناوب انتخاب شده و در شکل 2 قابل مشاهده است.
برای این شبیه سازی 2درگاه فلوکِت 6 تعریف شده است، بدین صورت نتایج نهایی شامل ضریب بازتابش - S11 - و ضریب عبور - S21 - می باشد. S21 - به معنای ورود از پورت 1 و خروج از پورت 2 می باشد - . ابتدا برای تایید صحت شبیه سازی ها، ساختار معرفی شده در [11]به عنوان مرجع انتخاب شده و عیناً تکرار شده است. پارامتر های تعریف شده در جدول 2 نشان داده شده است.
شکل :1 - الف - سلول واحد طرح اول. - ب - ساختار فرکانس گزین گرافین که در دو بعد تکرار می شود تحت تابش موج قائم .[10] - پ - سلول واحد طرح دوم .
