بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله یک جاذب چند بانده در باند تراهرتز متشکل از یک لایه گرافن صفحهاي محصور شده بین دو لایه از دي اکسید سیلیکون و یک الگوي خاص از گرافن روي کل ساختار طراحی و شبیهسازي شده است. با توجه به ویژگیهاي منحصربهفرد گرافن، ساختار ارائه شده میتواند با تغییر ولتاژ اعمالی به گرافن پاسخهاي متفاوتی را از خود نشان دهد.
با انتخاب پتانسیل شیمیایی 0.6 eV سه باند جذب تقریباً بالاي %90 را به کمک تشدید بین لایه هاي گرافن و دي اکسید سیلیکون و در نتیجه تحریک و تقویت شدن پلاسمون هاي سطحی، شاهد هستیم. همچنین ناشی از متقارن بودن الگوي گرافنی ایجاد شده، ساختار نسبت به قطبش حساس نیست، که این امر موجب استفاده از جاذب مطرح شده در کاربردهاي بیشتري در مدولاتورها، ادوات تصویربرداري و آشکارسازها می شود.
-1 مقدمه
باند تراهرتز که بازهي فرکانسی 0/1 تا 10 تراهرتز را شامل میشود، در سالهاي اخیر مورد توجه بسیاري از محققین قرار گرفته است. در نتیجه مقالات بسیاري با کاربردهاي مختلف از جمله آشکارسازها[1]، حسگرها[2]، مدولهکنندهها[3] و غیره، در این محدوده فرکانسی ارائه شده است. از طرفی به دلیل عدم وجود مواد طبیعی که پاسخ مناسبی در محدوده فرکانسی تراهرتز داشته باشند، بیشتر ادوات پیشنهادي در این ناحیه فرکانسی بر اساس فرامواد طراحی و ارائه شدهاند.
فراماده یک ماده مصنوعی است و عمولاًم بهصورت آرایهاي تکرار شونده ساخته میشود. فرامواد با توجه به ویژگیهاي منحصربهفردشان از جمله ضریب شکست منفی[4]، انتقال نامتقارن[5] و تبدیل قطبش متقابل[6]، براي ساخت ادوات مختلف، از جمله جاذبها بسیار مورد توجه میباشند.[7] با پیدایش فرامواد و استفاده از آنها در این باند فرکانسی دریچهي جدیدي از تحقیقات بر روي پژوهشگران باز شده است.[8] با دقت بر این مسأله که یافتن مادهي مناسب براي جاذبهاي باند تراهرتز بسیار مشکل میباشد، میتوان به اهمیت دو چندان استفاده از فرامواد در جاذبهاي تراهرتز پیبرد.
در سال 2007، آقاي لندي و همکارانش توانستند اولین جاذب مبتنی بر فرامواد را بعد از طراحی و شبیهسازي، پیادهسازي کنند.[8] در سالهاي اخیر جاذبهاي متنوعی بر اساس فرامواد با پاسخهاي مختلف باند باریک، پهن باند و چند بانده 9]و[10 براي کاربردهاي مختلفی از جمله نهاننگاري، آشکارسازي، مدولاسیون، تصویربرداري و غیره، طراحی و ساخته شدهاند11]و.[12 ایدههاي زیادي در طی سالیان گذشته براي مقاصد متفاوت مانند چندباندهکردن بهواسطهي ایجاد چند رزونانس در ساختار که البته ساخت را بسیار مشکل میکند[9]، قابلیت تنظیم از طریق دما[13] و هم چنین به کمک تغییر مدولاسیون ولتاژ[14] مطرح و اجرا شده است.
امروزه مشکل ساخت جاذبهاي سادهتر در باند تراهرتز، با به کارگیري گرافن برطرف شده است. گرافن یک ساختار تک لایه با آرایش لانه زنبوري از اتم هاي کربن میباشد و با توجه به ویژگیهاي آن از جمله قابلیت تنظیمپذیري، داشتن ویژگیهاي مناسب در محدوده وسیع فرکانسی و سرعت بالاي حاملها، میتواند گزینه مناسبی در پیادهسازي جاذبها باشد.[15] به منظور شناخت بیشتر گرافن میتوان به ویژگیهاي دیگري از آن مانند کم تلف بودن و قابلیت انتشار پلاسمونهاي سطحی نیز اشاره کرد.[16]
همچنین قابلیت تغییر رسانایی صفحهاي گرافن در بازهي وسیع فرکانسی از طریق تغییر میدان الکتریکی ساکن[17] و یا از طریق تزریق شیمیایی[18] باعث شده است توجه بیشتري به این ماده معطوف گردد. با توجه به اهمیت گرافن، جاذبهاي بسیاري بر پایه این ماده طراحی و ساخته شدهاند که براي مثال میتوان به جاذبهاي قابل تغییر با فرکانس بر اساس نوارهاي باریک گرافنی[19]، نانو دیسک هاي گرافنی[20] و حتی ترکیب سیمهاي گرافن با سیمهاي متقاطع طلا[21] اشاره کرد.
در این مقاله، یک جاذب مبتنی بر فراماده با استفاده از گرافن طراحی و پیشنهاد شده است که سه باند جذبتقریباً بالاي %90 را در باند تراهرتز نشان میدهد. در این ساختار با طراحی الگویی خاص از گرافن، علاوه بر داشتن چند باند جذب عالی، حساسیت نسبت به قطبش وجود ندارد که میتواند در کاربردهاي مختلفی، مفید باشد.
-2 ساختار و روابط
شکل -1 - الف - ، یک سلول واحد از ساختار پیشنهاد شده را نشان میدهد. جاذب پیشنهادي متشکل از یک لایه طلا و یک لایه گرافن صفحهاي محصور شده بین دي اکسید سیلیکون - SiO2 - است و یک الگوي خاص از جنس گرافن بر روي SiO2 قرار دارد. در شکل -1 - ب - تصویر از نماي بالاي ساختار ارائه شده به همراه پارامترهاي مربوطه رسم شده است.
ضخامت لایهي طلا برابر با t m 0.8 m و بزرگتر از عمق پوستی این فلز در باند تراهرتز، انتخاب شده است. این نکته، صفر شدن مولفه انتقالی موج تابیده شده را نتیجه داده است. رسانایی طلاي به کار گرفته شده 4.56 107 S m است. دو لایهي دي الکتریک، از جنس دي اکسید سیلیکون با گذردهی الکتریکی [22] r 2.25 با ضخامت هاي t1 5 m و t 2 3 m میباشند. گرافن در لایه وسط بهصورت ساده و صفحهاي بوده، ولی گرافن واقع در لایه رویی بهصورت یک حلقه مربعی با پهناي و چهار بازوي -Tشکل مطابق شکل -1 - ب - طراحی شده است. ضخامت گرافن در هر لایه t g 1 nm میباشد.
علاوه بر تغییر رسانایی گرافن با تغییر فرکانس به ازاي یک مقدار مشخص براي سطح فرمی گرافن، میتوان با تغییر ولتاژ اعمالی و یا با تزریق شیمیایی و بواسطهي تغییر سطح فرمی گرافن، پاسخ ساختار یا همان جذب مورد نظر را تغییر داد17]و.[18 لایه دي اکسید سیلیکون روي آن و سپس قرار دادن الگوي طراحی شده از جنس گرافن بر روي ساختار، بر اساس آن چه در شکل - 2 - رسم شده است، توانستهایم جذب سه باندي با میزان جذب تقریبا" بالاي %90 را بدست آوریم.
به منظور تحقیق بیشتر، همین ساختار با تعداد لایههاي بیشتري از گرافن و دياکسید سیلیکون طراحی و شبیه سازي شده است که مطابق شکل - -3د - نتیجهي بهتري حاصل نشد. بنابراین، بهکارگیري لایه هاي بیشتر نه تنها بهبودي در پاسخ مورد نظر حاصل نکردبلکه، پیچیدگی ساختار را مخصوصاً به لحاظ ساخت، افزایش داده است.
