بخشی از مقاله
چکیده :
استفاده از گرافن در آشکارسازهای نوری به دلیل دینامیک بسیار سریع حامل ها و جذب مستقل از فرکانس این ماده، از جذابیت های بسیاری برخوردار است. با این حال میزان کم جذب آن بر روی پارامترهای آشکارسازی تاثیر منفی می گذارد. در این مقاله یک آشکارساز نوری مادون قرمز میانی مبتنی بر گرافن تک لایه طراحی و مدل سازی شده است که در ساختار آن، نانوآنتن های فلزی برای افزایش جذب و بهبود مشخصات آشکار ساز قرار گرفته است.
این نانوساختارها توسط اثرات پلاسمونیک و افزایش شدید شدت میدان الکتریکی موج در مرز مشترک فلز -گرافن، موجب افزایش جذب گرافن می شوند. در این مقاله نشان داده شده است که با تغییرات اندک در ساختار نانوآنتن می توان پیک جذب را بین طول موج های 4 تا 6 m جابجا کرد. هم چنین اثر پتانسیل شیمیایی گرافن بر روی میزان جذب نیز بررسی شده است. به طور خلاصه، در این مقاله، بیشینه مقدار جذب برای آشکارساز طراحی شده برای طول موج های 4/6 m و 5/5 m به ترتیب برابر با % 9 و %12 محاسبه شده است. هم چنین نشان داده شده است که با افزودن یک لایه دیگر گرافن می توان جذب در طول موج 4/6 m را تا %14 افزایش داد.
-1 مقدمه
استفاده از گرافن در آشکارسازهای نوری در سالیان اخیر توجه فراوانی را به خود جلب کرده است [1] که عمده دلیل آن را می توان خواص منحصر به فرد گرافن از جلمه دینامیک بسیار سریع حامل ها [2]، جذب مستقل از طول موج [3] ، مشخصات نوری قابل تنظیم با استفاده از دوپینگ الکترواستاتیکی [4]، نرخ تلفات کم، قابلیت تحرک بالا و توانایی حبس انرژی الکترومعناطیسی در حجم بسیار کوچک،[5] دانست.
قابلیت تحرک بالای گرافن باعث تبدیل شدن بسیار سریع فوتون یا پلاسمون به جریان یا ولتاژ الکتریکی می شود. از طرف دیگر، میزان جذب نوری گرافن تک لایه برای یک موج الکترومغناطیسی که به صورت عمود بر آن بتابد، تقریبا مستقل از فرکانس نور و برابر با 2.3%است. تا به حال آشکارسازهای نوری گرافنی مبتنی بر اثرات فیزیکی مختلفی نظیر اثر فتوولتایی [6] و اثر فوتو-ترمو-الکتریکی [7] در بازه های فرکانسی مختلفی نظیر ماوری بنفش، مادون قرمز و تراهرتز با مشخصات قابل توجه معرفی شده اند. علی رغم قابلیت های مهم برشمرده در سطور فوق برای گرافن، میزان جذب اندک گرافن تک لایه، یکی از موانع مهم در طراحی آشکارسازهای نوری گرافنی است.
یکی از روش های نوین پیشنهاد شده در سالیان اخیر برای افزایش اندرکنش موج الکترومغناطیسی با گرافن، استفاده از نانوساختارهای های فلزی و استفاده از اثرات پلاسمونیک است. یکی از خصوصیات مهم پلاسمون پلاریتون های سطحی حبس شدید نور و لذا افزایش شدت میدان الکتریکی موج در مرز بین فلز-دی الکتریک یا فلز-گرافن است. در این ساختارها، جذب نوری گرافن به دلیل اثرات پلاسمونیکی این نانوساختارهای فلزی تا حد بسیار زیادی افزایش می یابد. با ترکیب گرافن با نانوساختارهای فلزی در سالیان اخیر آشکارسازهایی با مشخصات بهبود یافته در بازه طول موجی مرئی [8] و همچنین مادون قرمز دور [9] پیشنهاد شده اند. در یک پژوهش دیگر، با استفاده از نانوآنتن های فلزی جذب نوری گرافن تک لایه تا %9 افزایش یافته و آشکارسازی با پاسخ دهی 0/4V/W در طول موج 4/45 m در حوزه مادون قرمز میانی پیشنهاد شده است
در مقاله حاضر، یک آشکار ساز با ساختاری شامل نانوآنتن های فلزی کوپل شده به گرافن پیشنهاد شده است و نشان داده شده است که توسط بهینه سازی ساختارنانوآنتن می توان نسبت توان جذب شده را تا %12 افزایش داد . هم چنین تاثیر پتانسیل شیمیایی گرافن بر روی میزان جذب بررسی شده است و در نهایت نشان داده شده است که با افزودن یک لایه گرافن دیگر بر روی ساختار می توان میزان جذب را به تقریبا %14 رساند. انتظار می رود این میزان قابل توجه در بهبود جذب باعث بهبود جریان نوری و سایر مشخصات آشکارسازی گردد.
-2 طراحی آشکار ساز
یکی از روش های محاسبه ی جذب نوری گرافن استفاده از مدل هدایت سطحی می باشد. هدایت سطحی برای یک لایه ی گرافنC تابعی از فرکانس زاویه ای ، پتانسیل شیمیایی C ، نرخ برخورد حامل ها و دمای T می باشد
هم چنین با استفاده از مدل هدایت سطحی، می توان میزان توان نوری جذب شده در سطح گرافن را از رابطه - 2 - محاسبه کرد .[11] در این رابطه فرض شده است که گرافن در صفحه x-y واقع شده است. هم چنین Ex و Ey مولفه های میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی در راستاهای x و y بر روی سطح گرافن هستند.
نمای بالا از آشکارساز پیشنهادی در شکل 1 دیده می شود. همان طور که مشاهده می شود، این آشکارساز از آنتن های کوپل شده پشت سر هم بر روی ورقه ی گرافنی تشکیل یافته است. هر یک از آنتن ها هم به عنوان الکترودی برای جمع آوری حامل های نوری و هم شکاف بین آنها به عنوان محلی برای متمرکز شدن شدت میدان الکتریکی می باشد. در شکاف بین آنتن ها اندرکنش بین نور و گرافن شدیدا افزایش می یابد.
هر کدام از آنتن ها از یک لایه پالادیوم به ضخامت 10 نانومتر زیر فلز طلا - به ضخامت 30 نانومتر - تشکیل شده است. پالادیوم به منظور کمتر کردن مقاومت اتصال بین گرافن و طلا استفاده شده است. مقاومت اتصال بین گرافن و فلز به دلیل چگالی حالت های کم گرافن در مقایسه با فلز محدود می شود. هم چنین نشان داده شده است که این مقاومت به پتانسیل شیمیایی گرافن وابسته است .[12] برای مثال برای اتصال پالادیوم/گرافن، مقاومت ویژه از حدود 900 cm برای پتاسیل شیمیایی در نقطه دیراک به حدود 200 cmبرای گرافن شدیداً دوپ شده کاهش می یابد. هم چنین سیلیکون زیرین به عنوان گیت برای کنترل پتانسیل شیمیایی گرافن استفاده شده است.
شکل:1 شماتیک سه بعدی از آشکارساز نوریBگرافنی بهبود داده شده با نانو ذرات فلزی. ساختار در جهت طولی و عرضی متناوب می باشد ، دوره ی تناوب نانو ذرات در حهت عرضی 1/2 m می باشد، هر یک از شکاف های ما بین آنتن ها به عنوان یک نانو آشکارساز نوری در نظر گرفته شده است.
-3 نتایج و بحث
با استفاده از روش FDTD چگونگی توزیع میدان الکتریکی تحت تابش نور فرودی محاسبه شده است. شکل 2 توزیع میدان الکتریکی در فاصله ی 1 نانومتری از سطح گرافن را نشان می دهد، شدت میدان الکتریکی در داخل شکاف بین دو آنتن متمرکز شده است.
شکل:2 نمودار توزیع اندازه ی میدان الکتریکی در طول موج رزونانس ساختار - نرمالیزه - . مانیتور ثبت میدان الکتریکی در یک نانومتری بالای سطح گرافن قرار داده شده است.
در شکل 3 نسبت توان جذب شده در سطح گرافن به توان موج فرودی که توسط رابطه - 3 - محاسبه شده است بر حسب طول موج و برای سطوح پتانسیل شیمیایی مختلف آورده شده است. در این شکل، فاصله بین نانوآنتن ها برابر با 60nm می باشد. همان طور که ملاحضه می شود، بیشترین میزان جذب برابر %9 برای سطح پتانسیل شیمیایی صفر یا در واقع گرافن ذاتی است. زیرا در این سطح شیمیایی، گذارهای بین باندی به دلیل خالی بودن حالت های نوار هدایت و پر بودن حالت های نوار ظرفیت با بیشترین شدت انجام می گیرند. همان طور که از شکل 3 برمی آید، طول موج رزونانس ساختار برای گرافن ذاتی،4. 6 m R می باشد.
شکل :3 نسبت توان نوری جذب شده در سطح گرافن بر حسب طول موج به ازای پتانسیل های شیمیایی مختلف.
با بهینه کردن ابعاد آنتن ها می توان میزان جذب را افزایش داد و نیز طول موج متناظر با پیک جذب که در واقع همون طول موج رزونانس پلاسمون ها است را جابجا کرد
