بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله طراحی و شبیه سازی آشکارساز پلاسمونیکی فلز- نیمه هادی- فلز جدیدی را با به کارگیری نانوتوری های فلزی برای افزایش جذب نور بوسیله دریچه زیرطول موجی را ارائه می دهد. از روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان برای بهینه کردن پارامترهای مختلف قطعه نظیر پهنای دریچه زیرطول موجی ، ارتفاع نانوتوری و چرخه کار و پارمترهای دیگر ساختار آشکارساز را برای افزایش جذب نور استفاده می کنیم.
ساختار آشکارساز با توجه به افزایش جذب نور در ناحیه طیف جذبی GaAs بوسیله تجمع پلاریتون های پلاسمون سطحی تولید شده بوسیله امواج الکترومغناطیسی ورودی به نانوتوری ها، بهینه شده است. نتایج شبیه سازی با پارامترهای بهینه بدست آمده، افزایش جذب نور در حدود 44.2 برابر در طول موج 878 نانومتر را در نتیجه انتشار پلاریتون های پلاسمون سطحی در نانوتوری های فلزی در مقایسه با آشکارسازهای فلز- نیمه هادی- فلز معمولی - بدون نانوتوری - را نشان می دهد. این نتایج برای طراحی و توسعه آشکارسازهای پلاسمونیکی فلز- نیمه هادی- فلز با پاسخ دهی بالا، بسیار مفید هستند.
مقدمه
در سال های اخیر مطالعه و تحقیقات بسیار زیادی در زمینه اصول و تئوری پلاسمون های سطحی و همچنین ساختارهای پلاسمونیکی صورت گرفته است . پلاسمون سطحی ارتعاشات بارهای الکتریکی در سطح مقطع فلز و دی الکتریک هستند که می توانند شکل های مختلفی از الکترون های آزاد منتشر شونده در سطح فلزات تا ارتعاشات الکترون ها در نانو ذرات فلزی، به خود بگیرند .
خواص منحصر به فرد پلاسمون های سطحی مانند هدایت نوردر ابعاد نانومتری ، افزایش محسوس به عبور نور از روزنه های کوچکتر از طول موج و عکس برداری نوری با تفکیک پذیری بسیار بالا زیر حدتفرق باعث افزایش کاربردهای علمی آنها در دنیای تکنولوژی شده است . اخیرا، نانو ساختارهای فلزی به علت داشتن توانایی منحصر به فرد در هدایت نور در مقیاس نانومتری نظر بسیاری از محققین را به خود جلب کرده اند
اخیراٌ ساختارهای نانوپلاسمونیکی زیرطول موجی برای آشکارسازهای فوق سریع و دقیق فلز- نیمه هادی- فلز جدید به کار می روند. از اثرات پلاریتون های پلاسمون سطحی برای توسعه این نوع آشکارسازها استفاده می کنند. آشکارساز پلاسمونیکی فلز- نیمه هادی- فلز کاربردهای مختلفی از جمله در ارتباطات فیبر نوری، اتصالات نوری تراشه به تراشه با سرعت بالا، نمونه برداری های بسیار سریع و غیره دارند. کارهای تئوری و تجربی زیادی برای توسعه این نوع آشکارسازها انجام شده است
هدف از طراحی و شبیه سازی آشکارساز پلاسمونیکی فلز- نیمه هادی- فلز بهینه کردن پارامترهای مختلف ساختار آشکار ساز برای جذب حداکثری است. در این مقاله با به کارگیری نانوتوری های فلزی در ساختار آشکارساز، افزایش جذب نور بوسیله دریچه زیرطول بال می بریم. از روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان برای بهینه کردن پارامترهای مختلف قطعه نظیر پهنای دریچه زیرطول موجی ، ارتفاع نانوتوری و چرخه کار و پارمترهای دیگر ساختار آشکارساز را برای افزایش جذب نور استفاده می کنیم.
طراحی ساختار آشکار ساز
آشکارساز مورد نظر از سه قسمت نانوتوری های فلزی1 - بالا - ، روزنه زیرطول موجی - میانه - 2 و زیرلایه3 که در شکل 1 نشان داده شده، تشکیل شده است.
شکل -1 طرح کلی ساختار آشکارساز MSM با نانوتوری هایی به شکل مستطیل در بالای دریچه زیرطول موجی که این دریچه روی زیرلایه قرار گرفته برای تولید پلاریتون های پلاسمون سطحی4 ، بایستی نانودندانه های توری با فراهم کردن اختلاف اندازه حرکت، رابطه پراکندگی را در آشکارساز برآورده کند. ابعاد و هندسه نانودندانه های توری فلزی برای کوپل کردن نور ورودی و ایجادپلاریتون های پلاسمون سطحی که در جهت x منتشر می شوند، بهینه شده اند. بردار موج پلاریتون های پلاسمون سطحی برای نانوتوری فلزی با دوره تناوب بوسیله معادله زیر داده می شود:
که دوره تناوب نانوتوری فلزی، w فرکانس زاویه ای موج ورودی، c سرعت نور در خلاء، زاویه نور ورودی نسبت به بردار عمود بر قطعه و L عدد صحیح است.
معادله - 1 - ، شرایط تطبیق بردار موج - شرایط بقای اندازه حرکت - را برای پلاریتون های پلاسمون سطحی تحریک شده بوسیله امواج نوری ورودی با فرکانس زاویه ای W و زاویه ورودی بر روی سطح مشترک دی الکتریک و نانوتوری فلزی با دوره تناوب بیان می کند. نور ورودی بوسیله نانوتوری کوپل می شود و سپس از طریق روزنه زیرطول موجی با افزایش پلاسمون هایی سطحی عبور داده می شود.
در طراحی، نانوتوری فلز طلا در بالای روزنه زیرطول موجی که روی زیرلایه GaAs قرار دارد، قرار می گیرد. ضریب دی الکتریک طلا - - m از مدل لورنتز- درود بدست می آید، که برابر:
که 'm و "m به ترتیب قسمت حقیقی و موهومی ضریب دی الکتریک هستند و i عدد مختلط است. برای تحلیل نتایج شبیه سازی، معادله فاکتور افزایش جذب نور5 را معرفی می کنیم که عبارتست از :
نسبت توان جذب شده از طریق دریچه زیرطول موجی در حضور نانوتوری به توان جذب شده از طریق دریچه زیرطول موجی بدون نانوتوری طبق معادله :3
