بخشی از مقاله
چکیده
ما در این مقاله به طراحی و شبیه سازي آشکارساز پلاسمونیکی فلز-نیمههادي-فلز مبتنی بر نانوذرات پرداختهایم که ساختار جدیدي را براي به کارگیري نانو توريهاي فلزي براي افزایش جذب نور بوسیله دریچه زیر طول موجی را ارائه می دهد. از روش تفاضل محدود در حوزه ي زمان براي بهینه کردن پارامترهاي مختلف قطعه نظیر پهناي دریچه زیر طول موجی ،ارتفاع نانو توري ، چرخه کار و پارمترهاي دیگر ساختار آشکارساز را براي افزایش جذب نور استفاده می کنیم. ساختار آشکارساز با توجه به افزایش جذب نور در ناحیه طیف جذبی GaAs بوسیله تجمع پلاریتون هاي پلاسمون سطحی تولید شده بوسیله امواج الکترومغناطیسی ورودي به نانو توري ها بهینه شده است
نتایج شبیهسازي با پارامترهاي بهینه بدست آمده افزایش جذب نور در حدود طول موج 818نانومتر را در نتیجه انتشار پلاریتون هاي پلاسمون سطحی در نانو توري هاي فلزي در مقایسه با آشکار سازهاي فلز-نیمه هادي -فلز معمولی - بدون نانوتوري - را نشان می دهد.این نتایج براي طراحی و توسعه آشکارسازهاي پلاسمونیکی فلز-نیمه هادي- فلز با پاسخ دهی بالا بسیار مفید هستند.
.1 مقدمه
پلاسمون پلاریتونهاي سطحی 1 - SPP - ، نوسانات کوانتیزه چگالی بارهایی هستند که در اثر تزویج فوتونها به الکترونهاي آزاد فلز در مرز بین فلز با ديالکتریک، ایجاد میشوند. در دهههاي اخیر، تحقیقات عملی و تئوري زیادي در زمینه انتقال نور غیر عادي از آرایهاي از حفرهها در ابعاد نانو بر روي یک فیلم فلزي و ساختارهاي توري فلزي در حد نانو، انجام گرفته است.
امروزه استفاده از SPPها براي افزایش جذب نور با استفاده از روزنه زیر طول موجی و توريهاي نانو در ساختارهاي فتوولتائیک، بسیار مورد توجه است. آشکارساز نوري فلز-نیمههادي-فلز - MSM-PD - ، 2 سادهترین ساختار آشکارساز است که نسبت به آشکارسازهاي نوري p-i-n و APD استاندارد، سرعت بسیار بهتري دارد. سرعت پاسخ MSM-PDها در حد چند ده پیکوثانیه است.
ضمن آنکه MSM-PDها، از نظر تکنولوژي ساخت بسیار سازگارتر هستند و علاوه بر سادگی ساخت، میتوان به راحتی آن ها را به همراه تقویتکنندههایی از جمله ترانزیستورهاي اثر میدانی مجتمع کرد. هر چند که به دلیل بازتاب اتصالات فلزي و انتقال نور افزایش سرعت MSM-PDها از میان فضاي بسیار کوچک بین اتصالات بسیار کم میباشد لیکن این پدیدهها حساسیت قطعه را به شدت کاهش میدهند. هدف از این پایاننامه، بررسی و ارائه ساختار جدیدي از MSM-PD ها بر پایه ساختارهاي هایبرید پلاسمونیک، براي افزایش همزمان سرعت و حساسیت قطعه است.
براي انجام این تحقیق از روش تفاضل محدود حوزه زمانی 3 - FDTD - براي شبیهسازي نوري قطعه استفاده میشود. نتایج نشان میدهند که در ساختار پیشنهادي، ضریب جذب بیش از 40 برابر نسبت به ساختار با روزنه زیر طول موجی افزایش مییابد. همچنین، شبیهسازيهاي الکترونیکی نشان میدهند که در راندمان کوانتومی تا 10 برابر، در جریان الکتریکی تا 2 برابر، و در سرعت قطعه بیش از 20 برابر افزایش نسبت به ساختار با روزنه زیر طول موجی وجود دارد. همچنین استفاده از پلاسمون سطحی بر پایه الکترون داغ به منظور آشکارسازي منجر به کاهش تلفات می گردد.
در شکل 1 یک نمونه آشکار ساز فلز-نیمههادي-فلز با روزنه و توري فلزي و بستر نیمههادي را مشاهده میکنیم. حرکت پلاسمون پلاریتونهاي سطحی را روي توري نانو مقیاس نشان دادهایم.
شکل :1 آشکارساز MSM و پلاسمون پلاریتونهاي سطحی.
.2 تئوري کار
در این مقاله در مورد آشکارسازهایی که شامل الکترودها يفلز يبه هم وصل شده است بحث میشود که در فاصله ماب ین یا ن الکترودها، نانوذرات فلزي قرار میگیرند. همچنین در مورد تأثیرات یا ن نانوذرات فلزي و نقش آنها صحبت میشود. تابش نور بر روي نانوذرات تأث یرات جالب توجهی دارد. فوتون ها یا پراکنده میشوند و یا جذب میشوند . فوتونهاي جذب شده باعث به وجود آمدن تحری ک الکترونی داخل ذرهاي میشوند - جذب نور ي - و در صورتی که دارا ي انرژي کافی باشند میتوانند الکترون را به خارج از ذره تحریک کنند. عامل تعیی ن کننده ویژگیهاي جذب نوري تشدیدپلاسمون ی سطح است که در ذراتی با قطر - - d کمتر از طول موج، نور میتواند تحری ک شود اما در مورد جسم حجیم 4به این شکل نیست. در صورتی که قطر ذره کمتر از طول موج نور باشد، میدان الکتریکی باعث میشود تا پرتو نوري در داخل ذره یکنواخت باشد.
اندازه، نوع، شکل و ضریب شکست - یا ضریب گذردهی - به عنوان مهمترین متغیرهاي مورد نظر براي تنظیم طول موج کاري و تشدید پلاسمون سطحی مکان گزیده در ساختار افزاره ما میباشند. تعداد لایه ها و نوع مواد بستر و نانو ذره نیز از دیگر متغیرهاي مهم براي رسیدن به حداکثر جذب در ساختار هستند.
اساس کار بر این است که یک نیمههادي بدون ناخالصی داریم این نیمههادي را به دو اتصال فلزي وصل کرده و منبع ولتاژي به دو سر اتصال فلزي اعمال میکنیم. فوتونهاي نور به این ساختار تابانده میشوند و با جذب فوتون جفت الکترون حفره تولید میشود وتحت تاثیر میدان الکتریکی به سمت اتصالهاي فلزي حرکت میکنند.
ابزار هاي اندازه گیري به دو صورت اندازه گیريهاي مربوطه انجام میشود که نوع اول دستی بوده و معادلات مستخرج از مقالات است و نوع دوم روش FDTD که از طریق نرم افزار Lumericalمی باشد، انجام میشود
-2-1توري فلزي
ساختار فلزي - براي این کار طلا - از دیرباز به منظور هدایت موثر الکتریسیته شناخته شده است. این به خاطر الکترونهاي آزاد باند است که در فلز وجود دارد. اعمال یک میدان مغناطیسی در سرتاسر فلز باعث ایجاد یک جریان براي حرکت در ماده می شود. فوتونیک به صورت عمومی نور را توصیف کرده است، که در آن نور از یک میدان الکتریکی و مغناطیسی متناوب در یک محیط منتشر میشود، تشکیل می شود. میدان مغناطیسی یک طبیعت متناوب و یک طول موج مرتبط با آن را دارد. با ترکیب طبیعت فلز و ﻧﻮري ورودي، مطالعه پلاسمونیک شکل میگیرد. به طور خاص، پلاسمونیک "برپایه سازوکار اندرکنش بین تابش الکترومغناطیس و الکترون هاي هدایت در واسط فلزي یا در نانوساختار کوچک، منجر به یک ارتقاي نوري نزدیک میدان ابعاد زیرطول موج میشود" .
پلاریتون پلاسمون سطحی - SPP - 5، موج الکترومغناطیسی است که به نوسانات الکترون هاي ازاد نزدیک سطح فلز می باشد. ویژگی فتوالکتریک در بسیاري از افزاره هاي الکترونیک-نوري را بهبود می دهد. علاوه بر توري فلزي در ساختار ما نانو ذره فلزي نیز وجود دارد که از لحاظ پلاسمونیک سازوکار مشابه دارند.
اجزاي الکتریکی میدان الکترومغناطیس ورودي به سطح فلزي می رسند، و الکترون هاي آزاد در فلز شروع به نوسان جمعی به شکل پلاسمون هاي سطحی می کند. این پلاسمون هاي سطحی به سطح فلز محدود می شوند، و واپاشی نمایی میدان الکتر ومغناطیس است
شکل :2 سه مدل مختلف از طراحی توري فلزي
اهمیت پلاسمونیک در مقیاس نانو به عنوان ساختار ممکن تنظیم شده براي استفاده ارتقا نوري براي ساخت افزاره هاي موثر ظاهر می شود. افزاره هاي حسگر و فتوولتائیک در حال حاضر از این اصل براي ساخت افزاره هاي مقیاس میکرو و مقیاس نانو که کارائی موثري دارند استفاده می شود. در این مقاله توانایی براي تولید جریان در لایه نیمه هادي پرداخته می شود. میدان الکترومغناطیس تابش شده که از پلاسمون هاي سطحی در فلز تولیده شده می تواند به صورت موثري در یک نقطه مشخص ساختار جمع اوري کرده شود و می تواند براي ارتقاي تولید در نیمه هادي استفاده شود. با مطالعه دقیق هندسه، می توان نشان داد که قادر به نفوذ جریان نوري ایجاد شده توسط افزاره است.
تمرکز قوي نور در رژیم زیرطول موج توسط بهرهگیري از ساختار پلاسمونیک نزدیک رژیم جذب آشکار ساز محقق میشود [6]حبس. فضایی نزدیک و شدت میدان محلی بالا پلاسمون سطحی براي ارتقا تعامل ماد-نور و براي بهبود عملکرد آشکارسازي نور انجام میشود.
Vحجم ذره و تابع دي الکتریک ذره و تابع دي الکتریک محیط احاطه شده است. جذب قوي از طریق تشدید نور القا شده توسط الکترون هاي هدایت از طریق نانو ذرات انجام می شود.
میزان جریان نوري تولید شده در افزاره با وجود نانو ذره فلز ي در مقایسه با افزاره بدون نانو ذره فلزي مقدار خ یل ی بیشتر ي است، به قولی معرفی پلاریتون پلاسمون سطحی می تواند مشخصات فتوالکتریک ساختار آشکارساز را بهبود ببخشد.
.3 طراحی ساختار
ساختار آشکارساز نوري فلز-نیمه هادي-فلز اساسا شامل چهار قسمت است: الف - توري فلزي بالائی ب - روزنه زیر طول موج ج - پراشه فلزي پائینی و د - زیربنا؛ همچنانکه در شکل زیر نشان داده شد است:
-2-2 نانو ذرات در ناحیه فعال
ناحیه جذب ساختار آشکارساز نوري فلز-نیمه هاديفلز- پلاسمونیک می تواند از طریق استفاده از نانوذرات تعبیه شده در بستر نیمه هادي بهبود یابد. که این سازوکار با الکترون هاي هدایت چنین نانوذرات فلزي، تشدید نور القا شده براي ارتقاي جذب نوري شناخته می شود. این پدیده نیز با تشدید پلاسمون سطحی مکان گزیده 6 - LSPR - معرفی می شود زیرا در رابطه با نانو ذرات فلزي رخ می دهد
اگرچه این تشدید پلاسمون سطحی مکان گزیده به اندازه، شکل و ضریب شکست نانو ذره فلزي حساس است. اتخاذ مدل دو قطبی معمولی، جذب و پراکندگی معمولی از نانوذرات، قطر خیلی کوچکتري از طول موج دارد؛ نور ورودي می تواند طبق رابطه 1 بیان شود که قابلیت پلاریزه شدن براي ذره کروي است و توسط رابطه 2 داده می شود:
شکل :3 ساختار آشکارساز نوري به منظور ارتقاي جذب نوري
نور به ساختار توري فلزي پلاسمونیک بالائی تزویج می شود، سپس از طریق روزنه زیر طول موج با ارتقا پلاسمون سطحی منتقل می شود، و سرانجام با استفاده ساختار توري پلاسمونیک زیرین به خارج تزویج می شود. هر دو توري فلزي بالائی و پائینی محتوي هادي عالی هستند که بصورت شیارهاي موازي در راستاي محور x قرار گرفته اند. ابعاد براي تزویج نور در یک طراحی طول موج و راه اندازي پلاریتون هاي پلاسمون ها سطحی در جهت محور x بهینه شده اند.
