بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله به طراحی و شبیه سازی گیتهای گرافن پلازمونیکی AND و OR با زیرلایه نیترید بور شش گوشه پرداخته شده است. در این گیتها پلازمون پلازیتونهای سطحی به وسیله موج ورودی با فرکانس 40THz با پلاریزاسیون TM در حالتی که پتانسیل شیمیایی نوارهای گرافنی در موجبر حدود 0.3ev تنظیم شده است، تحریک شده اند. استفاده از نیترید بور شش گوشه به جای دی اکسید سیلیکون به عنوان زیرلایه، تلفات کمتر پلازمون پلاریتونهای سطحی را نتیجه میکند.
نتایج شبیه سازی نشان میدهند که نسبت تمایز برای گیت هایAND و OR با زیرلایه دی اکسید سیلیکون به ترتیب برابر 28dB و 25dB و تلفات الحاقی برابر 14dB و 21dB میباشد در حالی که نسبت تمایز گیت های AND وOR پیشنهادی با زیرلایه نیترید بور شش گوشه به ترتیب برابر34dB و 29dB و تلفات الحاقی برابر 9.7dBو 4.3dB است. نتایج بدست آمده حاکی از بهبود نسبت تمایز و تلفات الحاقی و در عین حال ابعاد کوچکتر برای گیتهای منطقی مورد نظر است.
-1 مقدمه
-2 تئوری کار
پلازمونیک به عنوان روشی جهت کارکردن در ابعاد کسری از طول موج و غلبه بر محدودیت تفرق نور1 شناخته شده است. اساس ادوات پلازمونیکی انتشار پلازمون پلاریتون های سطحی2بین سطح دیالکتریک و فلز می باشد. مدهای سطحی ایجاد شده به وسیله فلزات نجیب مانند طلا و نقره در محدوده نور مرئی قرار دارند. برای ایجاد مدهای سطحی با فرکانس کمتر، فلزات نجیب دارای تلفات زیادی می باشند
از طرفی با کارگیری گرافن که دارای ویژگیهای بارزی از جمله تلفات کمتر، محبوسشدگی بیشتر پلازمون پلاریتونهای سطحی گرافن3 و تنظیم پذیری می باشد، امکان ایجاد مدهای سطحی گرافنی با فرکانس کمتر و کیفیت مورد قبول فراهم می شود. تلفات کمتر در گرافن از سرعت بالای حامل ها در آن ناشی می شود. همچنین تنظیمپذیری مدهای سطحیگرافن ناشی از مقدار موهومی رسانایی گرافن است، که این مقدار موهومی به فرکانس کاری، زمان استراحت حامل و پتانسیل شیمیایی بستگی دارد.
اغلب ویژگیهای مطلوب گرافن از جمله محبوسشدگی بیشتر مدهای سطحی گرافن در ادوات پلازمونیکی در صورتی به دست می آیند که لایه گرافن تک لایه مورد استفاده در ادوات پلازمونیکی، بسیار خالص باشد. درعین حال زیرلایه ی گرافن نقش مهمی در کیفیت ادوات پلازمونیکی دارد. در سالهای اخیر به جای استفاده از دی اکسید سیلیکون - - SiO2 که دارای سطحی ناهموار است از عایقی جدید به نام نیترید بور شش گوشه - h-BN - 4 ، به عنوان زیرلایه ی گرافن در ادوات گرافن پلازمونیکی استفاده میشود. این عایق جدید همانند گرافن دارای ساختار دوبعدی است و از طرفی این عایق خواص نوری بهتری نسبت به دی اکسید سیلیکون دارد
گرافن برحسب مقدار پتانسیل شیمیایی اش که از طریق بایاسالکتریکی یا آلایش5 تغییر می کند، بر طبق فرمول کوبو می تواند به عنوان عایق یا رسانا عمل کند .[7] برای انتشار مد TM، پتانسیل شیمیایی گرافن - - uc باید از
مقدار آستانه hw بیشتر باشد که در آنw فرکانس زاویهای و h ثابت پلانک کاهش یافته است
در مرجع [8] گیت گرافن پلازمونیکی با زیرلایه دی اکسید سیلیکون شبیه سازی شده است که فرکانسی کاری آن در ناحیه تراهرتز - 6THz - می باشد. برخلاف زیر لایههای متداولی چون دیاکسید سیلیکون برای گرافن که از سطح ناهمواری برخوردار می باشد، نیترید بور شش گوشه دارای سطحی صاف و هموار است. برخلاف مواد سهبعدی متداول همانند دیاکسید سیلیکون، نیترید بور شش گوشه همانند گرافن مادهای دوبعدی است. خصوصیت دوبعدی بودن نیترید بور شش گوشه به همراه سطح صاف و هموار،6 سبب کاهش نرخ پراکندگی حاملها، افزایش تحرک حاملها و خواص نوری بهتر در ادوات گرافنی میشود.[9] بنابراین، در این مقاله، گیتهای گرافن پلازمونیکی در فرکانس کاری مادون قرمز - - 40THz با زیرلایه نیترید بور شش گوشه طراحی و شبیه سازی شده و مشخصات آن با گیتهای گرافن پلازمونیکی با زیرلایه ی دی اکسید سیلیکون مقایسه می شود.
-3 طراحی و شبیهسازی
ساختار گیت AND پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل دیده می شود، گیت AND از یک نوار گرافنی مستطیل شکل که برروی آن دو پنجرهکنترلی با الکترودهایی از جنس طلا قرار داده شده، تشکیل شده است. عرض نوار گرافن و پنجرههای کنترلی W=150nm، طول نوار گرافنیL1 =1200nm، طول پنجرههای کنترلی L2=250nm و ضخامت زیرلایه نیترید بور شش گوشه 0.3nm است. با اعمال ولتاژ مناسب به الکترودها، پتانسیل شیمیایی گرافن برای حالت انتشار 0.35ev و برای حالت قطع 0.03ev تنظیم شده است.
شکل:1 گیت AND با زیرلایه نیترید بور شش گوشه، با اعمال ولتاژ از طریق الکترودهای طلا و تغییر پتانسیل شیمیایی انتشار مدهای سطحی گرافن کنترل شده و گیت منطق AND حاصل شده است.
شبیه سازی، با روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان 7 انجام شده است. پروفایل میدان الکتریکی در حالات منطقی مختلف برای گیت AND در شکل 2 نشان داده شده است.
پتانسیل شیمیایی گرافن برای حالت انتشار 0.2ev و برای حالت قطع 0.03ev تنظیم شده است. برای حالتی که زیرلایه دی اکسید سیلیکون انتخاب شود، با کاهش ضخامت زیرلایه به زیر200nm، با افزایش شدید تلفات و عدم انتشار مدهای سطحی مواجه خواهیم بود و لذا ضخامت برابر با 200nm انتخاب شدهاست.
شکل:3 گیت OR با زیرلایه نیترید بور شش گوشه، پنجرههای کنترلی در دو بازوی ماخ-زندر با تغییر پتانسیل شیمیایی نقش کنترل انتشار مدهای سطحی و پیاده سازی منطق OR را ایفا میکند.
نتایج شبیه سازی برای پروفایل میدان در گیت OR پیشنهادی ، در شکل 4 آمده است.
شکل :2 پروفایل میدان الکتریکی در حالتهای منطقی مختلف گیت AND الف - پروفایل میدان گیت در حالت - 1,1 - ب - پروفایل میدان گیت در حالت - 1,0 - پ - پروفایل میدان گیت در حالت - 0,1 - ت - پروفایل میدان گیت در حالت . - 0,0 -
ساختار گیت OR پیشنهادی درشکل 3 دیده می شود. ساختار گیت OR در واقع مشابه یک تداخلگر ماخ-زندر میباشد که با تغییر پتانسیل شیمیایی گرافن از طریق پنجرههای کنترلی قادر به کنترل انتشار مدهای سطحی خواهیم بود. در واقع اعمال بایاس الکتریکی به منزلهی منطق یک و عدم بایاس الکتریکی بیانگر منطق صفر می باشد.
شکل:4 پروفایل میدان الکتریکی در حالتهای منطقی مختلف گیت OR الف - پروفایل میدان گیت در حالت - 1,1 - ب - پروفایل میدان گیت در حالت - 1,0 - پ - پروفایل میدان گیت در حالت - 0,1 - ت - پروفایل میدان گیت در حالت . - 0,0 -
