بخشی از مقاله
چکیده -
در پژوهش حاضر یک ساختار پلاسمونی بر پایه فرامواد معرفی شده است که دو مد پلاسمونی را پشتیبانی میکند. با کنار هم قرار دادن این دو مد روشن و تاریک میتوان جذب را به شدت کاهش داد و در ساختار، سرعت نور را کند نمود. کاهش سرعت گروه در این ساختار از مرتبه 278 است. همچنین در فرکانس تشدید با برهم زدن تقارن در ساختار، میزان عبور تا 98,44 درصد می رسد.
با جایگزین کردن گرافن به جای طلا و نقره می توان از خاصیت رسانندگی الکتریکی آن استفاده کرد. با تغییر ولتاژ می توان یک انتقال فرکانسی به محدوده تشدید داد که در این کار محدوده 8 تا 18 تراهرتزی را پوشش داده ایم. با استفاده از خاصیت حسگری این ساختار، برای موادی با ضریب شکست های متفاوت حساسیت ساختار برابر RIU m 9.439محاسبه شده است. در واقع کاربرد چنین ساختاری برای ذخیره سازی اطلاعات و حسگری، فیلترها و سوییچ ها است.
-1 مقدمه
شفافیت القایی الکترومغناطیسی - EIT - که از طریق برهم کنش مخرب، توسط دو باریکه لیزری در سیستم های کوانتومی ایجاد می شود، کاربردهای فراوانی در کندسازی نور و ذخیره سازی اطلاعات دارد.[1] دانشمندان روشهای متفاوتی را برای ایجاد EIT استفاده کردهاند که از سیستمهای نوسانی کلاسیک استفاده شده است، همانند: استفاده از تشدیدکنندههای میکرو، جریانهای الکتریکی و ...
از آنجایی که بررسی اثر EIT محدودیت های آزمایشگاهی فراوانی دارد، ما از یک اثر مشابه به نام شفافیت القایی پلاسمونی - - PIT استفاده می کنیم. مدهای پلاسمونی دارای دو حالت روشن و تاریک هستند که بستگی به نوع جفتشدگی نور فرودی با المانهای ساختار دارد. مد روشن به طور مستقیم با نور فرودی برهمکنش میکند و میزان پراکندگی زیاد و ضریب کیفیت پایینی دارد.
برخلاف مد روشن، مد تاریک با نور فرودی به صورت مستقیم برهم کنش نمیکند و دارای ضریب کیفیت بالایی است. با کنار هم قرار دادن این دو مد تاریک و روشن، برهم کنش قوی بین این دو مد صورت می گیرد که مشابه پدیده EIT در سیستمهای سه ترازی اتمی است. از مهمترین نتایج روش PIT کنترل جذب در محدوده فرکانسی و کاهش سرعت گروه است. استفاده از فرامواد تخت یکی از روش های مناسب برای ایجاد شفافیت القایی پلاسمونی است
گرافن به عنوان یک ماده پلاسمونی جدید در فوتونیک و اپتوالکترونیک که خواص اپتیکی منحصر به فردی دارد در نظر گرفته شده است. گرافن در محدوده مادون قرمز میانی و تراهرتز خواص فوق العاده ای دارد، از جمله رسانندگی گرمایی و رسانندگی الکتریکی قابل کنترل با تغییر ولتاژ. رسانندگی قابل کنترل به وسیله ولتاژ، این امکان را به ما می دهد که شفافیت القایی پلاسمونی را کنترل کنیم.
در واقع با استفاده از فرامواد گرافنی برای طراحی شفافیت القایی پلاسمونی دیگر نیاز به طراحی های مجدد برای تغییر فرکانس تشدید نیست. با استفاده از این قابلیت گرافن، یک شفافیت القایی پلاسمونی قابل کنترل ایجاد شده است که کاربردهای کندسازی نوری، سوییچ ها، فیلترها، ذخیره سازی اطلاعات را دارد. رسانندگی گرافن در غیاب میدان مغناطیسی از طریق فرمول کوبو تخمین زده میشود.
رسانندگی الکتریکی گرافن شامل دو قسمت درون باندی و میان باندی است که در محدوده تراهرتزی سهم برهم کنشهای درون باندی غالب است. در نتیجه رسانندگی الکتریکی گرافن از طریق زیر به دست می آید:
شکل :1 شماتیک فراماده گرافنی
-2 نتایج و مباحث
شکل - - 1 شماتیک نانو ساختار فراماده ای را نشان می دهد [6-7] که در اثر اعمال نور فرودی بر ساختار، حلقه گرافنی نقش مد روشن و دو میله موازی نقش مد تاریک را ایفا می کنند. در این نانو ساختار برای ایجاد شفافیت القایی پلاسمونی از شکست تقارن استفاده می کنیم که پارامتر شکست تقارن در ساختار S است که با گام های 10 نانومتری افزایش می یابد و نتایج حالت کاملا متقارن - - S=0 و شکست تقارن - S=50 nm - نمایش داده شده است.
زمانی که ساختار در حالت کاملا متقارن - - S=0 قرار دارد تنها یک تشدید در پاسخ های اپتیکی رخ می دهد که مقدار عبوری برابر با 12,13 درصد و جذبی برابر با 45,27 درصد در فرکانس تشدید 12,08 تراهرتز دارد. و در ساختار تنها یک دو قطبی الکتریکی در حلقه ایجاد شده است و نشان دهنده مد روشن بودن حلقه گرافنی است که به صورت مستقیم با نور فرودی برهمکنش کرده است که در شکل -2 - الف - نشان داده شده است.
حال با شکست تقارن در ساختار، شفافیت القایی پلاسمونی ایجاد خواهد شد که علت آن تحریک مد تاریک است که در آن مد تاریک به صورت غیر مستقیم با نور فرودی برهمکنش می کند و باعث ایجاد یک چهارقطبی الکتریکی در دو میله موازی می شود که در شکل - -2 ب - نمایش داده شده است.
شکل :2 نمودار توزیع میدان الکتریکی در حالت -2 - الف - کاملا متقارن و حالت -2 - ب - شکست تقارن
همان طور که از پاسخ های اپتیکی در شکل - 3 - مشخص است با شکست تقارن در ساختار، مقدار عبور به 98,44 درصد و مقدار جذب به 0,15 درصد می رسد، که یکی از پیامدهای شفافیت القایی پلاسمونی کاهش شدید جذب در فرکانس تشدید است.
شکل :3 نمودار عبور - شکل-3الف - و جذب - شکل-3ب - برای حالت کاملا متقارن و شکست تقارن
-1-2 بررسی کنترل پذیری محدوده فرکانسی
یکی از ویژگیهای فوقالعاده گرافن تغییرپذیر بودن رسانندگی الکتریکی گرافن است. رسانندگی گرافن در بازه تراهرتزی به چهار پارامتر دما، فرکانس زاویهای، زمان واهلش حاملهای بار و پتانسیل شیمیایی وابسته است. در بازه تراهرتزی تغییرات پتانسیل شیمیایی بسیار چشمگیر است. درواقع تغییرات پتانسیل شیمیایی بهوسیله تغییر در ولتاژ ورودی یا تغییر در آلایشهای شیمیایی امکانپذیر است. در شکل - - 4 نحوه تغییر در پاسخهای طیفی با تغییر در پتانسیل شیمیایی مشاهده میشود.
شکل :4 نمودار عبور با تغییر پتانسیل شیمیایی
همانطور که در شکل - - 4 مشاهده میشود با تغییر در پتانسیل شیمیایی میتوان یک انتقال فرکانسی در محدوده تراهرتزی داشته باشیم . علت این انتقال فرکانسی این است که با تغییر پتانسیل شیمیایی، چگالی حاملهای بار در گرافن تغییر میکند. این کاربرد بسیار مهمی برای گرافن محسوب میشود، چرا که ما با یک ساختار گرافنی میتوانیم طیف وسیعی از محدوده فرکانسی را پوشش دهیم، بدون این که نیازی به طراحی مجدد ساختار داشته باشیم.
-2-2 بررسی حسگر ضریب شکست
یکی از ویژگیهای جالب فرامواد حساسیت آنها به محیط اطراف هست که به آن قابلیت طراحی سنسورهای وابسته به ضریب شکست میدهد.[9] بدینصورت که ابتدا حسگر در محیط خلأ وجود داشته و در مراحل بعد حسگر را درون گلوکز با خلوص مختلف بررسی کردهایم و با استفاده از خلوص متفاوت، انتقال فرکانسی در محدوده تشدید مشاهده شده است که در شکل - 5 - نمایش دادهشده است.
شکل :5 نمودار عبور با تغییر ضریب شکست محیط اطراف
شکل :6 نمودار حساسیت با ضریب شکست
