بخشی از مقاله
چکیده
آشکارسازی و اندازهگیری نور که بر اساس پدیده اپتوالکترونیک کار میکنند رده وسیعی از آشکارسازها و وسایل اندازهگیری سامانههای نوری را شامل میشوند. یکی از قسمتهای مهم و تاثیرگذار هر آشکارساز نوری، فوتوکاتد میباشد. فوتوکاتدهای فلزی در مقایسه با نوع نیمه هادی دارای پاسخ زمانی سریعتری میباشند، اما در مقابل تلفات شدید ناشی از پدیده پراکندگی الکترون-الکترون و انعکاس سطحی باعث افت کارایی فوتوکاتدهای فلزی میشود.
در این مقاله با استفاده از دانش و فناوری جدید نانوپلاسمونیک در طراحی انواع حسگرها و آشکارسازها، به طراحی و شبیه سازی فوتوکاتد فلزی جدیدی با استفاده از روش تفاضل محدود حوزه زمان FDTD پرداختهایم. در این مقاله، با طراحی ساختاری جدید متشکل از نانوکاواکهای حلقوی تناوبی بر روی سطح فلز، ساختاری ارائه شده است که با کوپلینگ نور فرودی به یک موج چگالی الکترونی در سطح فلز - شبه ذره پلاریتون پلاسمون سطحی - SPP رزونانس پلاسمونی در محدوده طول موج مورد نظر ایجاد شده و شدت میدان افزایش بسیار زیادی پیدا میکند، به این طریق فلز تبدیل به یک جاذب عالی میشود.
همچنین پاسخ انعکاسی از سطح فلز قابل مدیریت بوده و امکان رسیدن به انعکاس صفر در طول موج مورد نظر ممکن میباشد . با محدود سازی میدان الکتریکی در نزدیکی سطح فلز، مسافت انتقال الکترون به سطح کاهش پیدا میکند و در نتیجه تلفات ناشی از پدیده پراکندگی الکترون-الکترون تا حد بسیار زیادی کاهش خواهد یافت. به این ترتیب با این روش امکان کاهش بسیار زیاد ضخامت فوتوکاتد ممکن میباشد.
ساختار ارائه شده دارای مزیت عدم وابستگی پاسخ سیستم به پلاریزاسیون نور فرودی بوده و فیلتراسیون نور فرودی در خود فوتوکاتد با دقت و کیفیت بسیار خوبی ممکن میباشد. قابلیت مهم دیگر ایجاد چندین فرکانس رزونانس به طور همزمان با ایجاد نانوکاواکهای حلقوی هم مرکز میباشد، همچنین علاوه بر قابلیت تنظیم پهنای باند طیفی، تنظیم پهنای باند زاویهای نیز به خوبی ممکن میباشد.
-1 مقدمه و هدف
فوتوکاتد وسیلهای است که از طریق اثر فوتوالکتریک شار نوری را به شار الکترونی تبدیل میکند . در یک فوتوکاتد که تحت تابش قرار گرفته است به شرطی که فوتونهای تابشی انرژی کافی برای گذر از تابع کار کاتد را داشته باشند، الکترونها از سطح جدا میشوند
این اصل ساده پایهی ایجاد پرتو الکترونی یا همان پدیده گسیل الکترون - خروج الکترون از فلز در اثر انرژی تابشی نور - میباشد. میتوان پدیده گسیل الکترون را به سه مرحله تقسیم بندی کرد: - 1 جذب فوتون، - 2 انتقال الکترون به سطح، - 3 عبور از سد فلز-خلاء. تلفات انرژی در هر یک از این سه مرحله رخ میدهد و باعث کاهش بازدهی کوانتومی فلز میشود.
در مرحله اول، تنها بخش جذب شده نور فرودی مهم میباشد، از اینرو انتقال و انعکاس بازدهی کوانتومی را کاهش میدهند. در مرحله دوم ممکن است فوتوالکترونها به واسطه برخورد با دیگر الکترونها - پراکندگی الکترونی - یا با شبکه - پراکندگی فونون - انرژی از دست بدهند. در نهایت سد پتانسیل در سطح از فرار برخی الکترونها جلوگیری میکند. تلفات انرژی توصیف شده برای مواد گوناگون متفاوت میباشد. در فلزات یک بخش بزرگی از نور مرئی فرودی منعکس میشود.
تلفات بیشتر زمانی رخ میدهند که فوتوالکترونها سریعا انرژی خود را در اثر برخورد با دریای الکترونهای آزاد - پراکندگی الکترون- الکترون - فلز از دست میدهند در نتیجه عمق فرار، مسافتی از سطح که در آن الکترونها میتوانند با انرژی کافی به سطح برسند، کم و معمولا چندین نانومتر میباشد.
در باند تهی یک ماده نیمه هادی هیچ حالت انرژی وجود ندارد، از اینرو امکان از دست دادن مقدار اندکی انرژی برای الکترون وجود ندارد. بنابراین در نیمه هادیها زمانی که الکترون به باند هدایت انتقال یافتند با دیگر الکرتونها اثر پراکندگی نخواهد داشت. اصلیترین مکانیزم تلفات انرژی در این حالت پراکندگی الکترون-فونون میباشد .>2@ در نتیجه یک الکترون برانگیخته قبل از خروج از ماده میتواند زمان بیشتری درون ماده بالک باقی بماند، این باعث ایجاد انتشار زمانی طولانیتری در فوتوکاتد نیمه هادی میشود
در یک فلز به دلیل ماهیت پراکندگی الکترون- الکترون، پاسخ زمانی بسیار سریع و در مقیاسی برابر با طول پالس اشعه تابشی میباشد، زیرا تنها آن الکترونهایی که به طور مستقیم و بدون پراکندگی الکترون-الکترون به سطح انتقال پیدا میکنند امکان خروج را خواهند داشت
اخیرا با توجه به پیشرفتهای بسیار زیاد در زمینه نانوتکنولوژی امکان کنترل ویژگی های اپتیکی سطح فلز با شکل دادن آنها با ساختار های کوچکتر از طول موج نور ممکن شده است. در سطوح نانوساخت یافته امکان کوپلینگ قدرتمند بین نور فرودی و نوسانات الکترونی یا پلاسمونهای سطحی وجود دارد. از اینرو با توجه به ویژگیهای مدهای پلاسمونهای سطحی برانگیخته شده در سطح فلزات نجیب - طلا، نقره، مس و ... - ، استفاده از این ویژگی منحصر به فرد مورد توجه قرار گرفته است.
نتایج استفاده از این نوع ساختارها محدود کردن، به تله انداختن و افزایش بسیار زیاد میدان الکتریکی در سطح فلز و در عمق کمتر از عمق نفوذ فلز میباشد. افزایش میدان باعث افزایش تعداد فوتونها در مساحت ثابت شده و در نتیجه باعث افزایش جذب و تولید حاملها خواهد شد، این امر باعث کاهش مسیر الکترونهای تولید شده به سطح فلز میشود که آن هم منجر به کاهش پدیده پراکندگی الکترون-الکترون خواهد شد. با این روش میتوان ضخامت فوتوکاتد را تا حد بسیار زیادی کاهش داد. همچنین پاسخ انعکاسی از سطح فلز قابل مدیریت بوده و از طریق مهندسی رزونانس پلاسمونی امکان رسیدن به انعکاس صفر در طول موج مورد نظر ممکن میباشد.
در ادامه ساختاری ارائه میگردد که از مزیت پاسخ سریع فلز بهرهمند بوده و باعث نیل هرچه بیشتر به اهداف بالا و بهبود عملکرد فوتوکاتد فلزی میشود . این کار با ایجاد یک سری نانوکاواکهای حلقوی متناوب در سطح فلز انجام میگیرد، که در آن مدهای پلاریتونهای پلاسمون سطحی برانگیخته میشوند. با این هدف ابتدا به بررسی پیشینه تحقیق میپردازیم، سپس روش طراحی ساختار مورد نظر شرح داده میشود، و با استفاده از همین روش به طراحی ساختار مورد نظر میپردازیم و نشان خواهیم داد که امکان طراحی دقیق ساختار با این روش وجود دارد و ما میتوانیم ساختاری طراحی کنیم که در طول موج - و یا طول موجها - مورد نظر برای کار دستگاه، رزونانس پلاسمونی ایجاد شده و باعث ارتقای عملکرد فوتوکاتد شود.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
در این بخش به بررسی پیشینه تحقیق و کارهای صورت گرفته در این حوزه میپردازیم. در این زمینه میتوان به مقالهای اشاره کرد که در آن از گسیل الکترون ارتقا یافته ناشی از پلاسمونهای سطحی برای افزایش بازدهی کوانتومی فوتوکاتد فلزی استفاده شده است
در این کار یک سطح مسی با آرایه نانوحفرهها به گونهای مهندسی شده است که در طول موج 800 نانومتر رزونانس پﻻسمونی ایجاد میشود. در این کار نشان داده شده است که به دلیل جذب و محلی سازی بسیار زیاد شدت میدان نوری، راندمان بار مشاهده شده تحت پالسهای لیزری، بیش از 100 برابر در مقایسه با سطح صاف افزایش یافته است.
همچنین نشان داده شده است که ویژگی-های گسیل الکترون یک ماده کاتد ساده مانند مس را میتوان با استفاده از نانوساختارهای تحت طول موج به خوبی مدیریت کرد ورزونانس پلاسمونهای سطحی را در طول موج مورد نظر دقیقا تنظیم نمود. این ساختار دارای پاسخ زمانی بسیار سریع بوده و بازدهی آن شدیدا افزایش یافته است. در کاری دیگر از پلاسمونهای سطحی محدود شده - LSP - در سطح نانوساختارهای فلزی فراکتال استفاد شده است
در این کار توزیع پلاسمونهای سطحی در لایه نانوساختار طلا بر روی سطح بستر ایندیم-قلع-اکسید/ شیشه - indium-tin-oxide/glass - بررسی شده است. لایه طلا دارای ابعاد فراکتال در حدود 100 نانومتر میباشد.
از پالسهای لیزر فمتوثانیه با طول موج 800 نانومتر برای تهییج پلاسمونهای سطحی استفاده شده است و پدیده گسیل الکترون با یک فرایند 3 فوتون رخ میدهد. در نواحی که نانوساختارها قرار دارند نرخ گسیل الکترون هزاران بار بیشتر از نواحی غیر ساخت یافته افزایش یافته است. در این مقاله تخمین زده میشود که شدت میدان نوری در این نواحی با فاکتور 18 نسبت به دیگر نواحی افزایش پیدا میکند.
در مقاله-ی >6@، تولید موثر الکترونها از فلزات در اثر پدیده گسیل الکترون، با استفاده از سطوح پلاسمونی نانوساخت یافته برای حبس، محلی سازی و ارتقای میدانهای نوری گزارش شده است. در این کار سطح پلاسمونی باعث افزایش 6 مرتبهای بازدهی کوانتومی غیرخطی موثر شده است. برای ایجاد پلاسمونهای سطحی نانو توریهای یک بعدی مورد بررسی و بهینه سازی قرار گرفته اند. در این مقاله اندازه گیریهای آزمایشگاهی با نتایج شبیه سازی حاصل از روش تفاضل محدود حوزه زمان مقایسه شدهاند و تطابق بسیار خوبی مشاهده شده است. در این کار نشان داده شده است که با مهندسی سطح طلا میتوان با دقت بسیار زیادی طول موج رزونانس را کنترل کرد.
در حوزه رزونانس پلاسمونهای سطحی تاکنون کارهای زیادی صورت گرفته و با معرفی ساختارهای گوناگونی از جمله حفرهها، توریهای یک بعدی، دو بعدی، انواع ساختارهای پریودیک، فراکتال و حتی نانوذرات پلاسمونی کاربردهای فراوانی در حوزههای طراحی سنسور، فوتوولتائیک و ... پیشنهاد شده است
ما در این کار ساختاری جدید پیشنهاد میدهیم که از مجموعهای از حفرههای - زیر طول موج - حلقوی با بدنهای مستطیل شکل تشکیل شده است و باعث افزایش قابل توجه محدودسازی میدان در سطح فلز، افزایش میدان و جذب در فلز میشود. ما نشان خواهیم داد که با تنظیم مشخصات هندسی ساختار از قبیل شعاع حلقه، عرض کاواک، عمق کاواک و دوره تناوب ساختار میتوان رزونانس پلاسمونی را دقیقا در طول موج - طول موجهای - مورد نظر تنظیم کرد.
-3 مواد و روشها
با تحریک جمعی الکترونها در قالب یک پلاسمون، فلزات الکترون آزاد - فلزات نجیب طلا، نقره، مس و ... - میتوانند به طور کامل نور را جذب کنند. کلید این پروسه یک مکانیزم تطبیق تکانه برای کوپلینگ نور فرودی به پلاریتونهای پلاسمون سطحی بر روی سطح فلز میباشد. برای این کار روشهای مختلفی وجود دارد، به عنوان مثال در >14@ برای تهییج پلاسمونهای سطحی روی سطح فیلم آلومینیومی از یک منشور استفاده شده است. اما برای کاربردهایی که شدت میدان بالا میباشد یک ماده بالک مورد نیاز است، در این مورد یک مکانیزم دیگر باید مورد استفاده قرار گیرد. کوپلینگ SPP همچنین میتواند از طریق اضافه کردن - یا کم کردن - مومنتوم یک توری انجام شود .>15@ مومنتوم توری برابر 2 /p میباشد، که در آن p پریود توری میباشد که به مومنتوم نور فرودی اضافه یا کم میشود تا با بردار موج متعلق به پلاریتونهای پلاسمون سطحی تطبیق پیدا کند.
روش پیشنهادی ما شکل دادن سطح فلز با نانوکاواکهای حلقوی متشکل از ترانشههای مستطیل شکل با عمق h و عرض w و دوره تناوب مرکز به مرکز p میباشد، این ساختار در شکل 1 - الف - نشان داده شده است. اگر به سطح مقطع عرضی این ساختار در شکل - 1ب - نگاه کنیم، مشاهده میشود که گپ بین هسته و فلز کناری معادل عرض نانو توری w، و همچنین قطر هسته p/2 به عنوان پریود نانوتوری یک بعدی در نظر گرفته میشود. بنابراین به صورت تقریبی میتوان با این ساختار به عنوان یک نانوتوری یک بعدی رفتار کرد - در ادامه نشان خواهیم داد که این تقریب با دقت بسیار زیادی قابل قبول میباشد - . در این حالت برای دستیابی به شرایط رزونانس نیاز به تعیین دقیق مجموعه پارامترهای ذکر شده با شرط w<<p< داریم. رابطه بین تناوب و عرض یک نانوتوری در شرایط رزونانس به صورت زیر میباشد :
شکل :1 الف - شماتیک ساختار پیشنهادی متشکل از نانوکاواکهای حلقوی، ب - سطح مقطع عرضی یک نانوکاواک حلقوی.
