بخشی از مقاله
چکیده -
در این کار به حل عددی یک ساختار فرامواد متشکل از گرافن میپردازیم که در آن دو حلقه شکاف دار گرافنی بر روی یک دیالکتریک قرارگرفتهاند. درواقع برهمکنش مخربی که بین دو مد پلاسمونی روشن-روشن در این ساختار ایجاد میشود منجر به ایجاد شفافیت القایی در پاسخ های طیفی میشود. در واقع فاصله شکافهای در دو حلقه نقش مهمی را ایفا میکنند که ما باکم و زیاد کردن این فاصله میتوانیم یک انتقال فرکانسی به رزونانس ایجادشده دهیم این انتقال فرکانسی از طریق فاصله شکاف برابر با 0,4 تراهرتز است.
علاوه بر این با تغییر ولتاژ ورودی گرافن یا تغییر در آلایش شیمیایی گرافن میتوان محدوده این روزنه شفاف را کنترل کنیم که انتقال فرکانسی آن برابر با 6 تراهرتز است. بنابراین از دو طریق فاصله شکاف در حلقه ها و پتانسیل شیمیایی کنترل محدوده رزونانسی را ایجاد کردیم. کاربردهای که از این نوع ساختار ایجاد میشود در کلیدهای نوری، کند سازی نور، حسگرهای زیستی است.
-1 مقدمه
با پیشرفت های صورت گرفته در زمینه آشکارسازی تشدیدهای پلاسمونی، شفافیت القایی پلاسمونی به عنوان یک روش جدید جهت تولید شفافیت القایی مخصوصا در فرامواد مورد توجه بسیاری قرار گرفت است.[1] در این روش از ساختارهای پلاسمونی خاص جهت تداخل مدهای پلاسمونی استفاده می شود. مد روشن با نور فرودی بهطور مستقیم برهمکنش میکند اما دارای تلفات زیادی است اما مد تاریک با نور فرودی بهطور مستقیم برهمکنش نمیکند و بهواسطه برهمکنش مد روشن با نور فرودی برانگیخته میشود و تلفات بسیار کمی دارد.[2-4] نوع جفت شدگی مدهای پلاسمونی یک ساختار به هندسه ساختار و نوع قطبش نور فرودی وابسته است.
بنابراین جفت شدگی ها میتواند یک جفت شدگی مد تاریک-روشن ، روشن-روشن باشد. تداخل ویرانگری که بین دو مد ایجاد شده صورت می گیرد باعث ایجاد یک شفافیت می شود که نتیجه یک فرورفتگی در قسمت موهومی قطبش پذیری و تغییرات تند قطبش پذیری در همان ناحیه طیفی می باشد که نشان دهنده کاهش جذب و ایجاد نور کند به وسیله این ساختار پلاسمونی است.
پدیده شفافیت القایی پلاسمونی - PIT, - Plasmon Induced Transparency کاربردهای زیادی در کلیدهای نوری، کند سازی نور، حسگرهای زیستی دارند .[5] تابهحال ساختارهایی که برای پدیده PIT پیشنهاد شده بود در یک فرکانس ثابت بود و برای تغییر محدوده رزونانسی باید تغییراتی را در پارامترهای فیزیکی ساختار ایجاد میکردند. اما در مواردی که ساختار طراحی میشود تغییر پارامترهای فیزیکی ساختار امکانپذیر نمیباشد . بنابراین انتخاب محدوده رزونانسی بسیار پراهمیت میباشد.
روشهای متفاوتی برای ایجاد یک شفافیت قابلکنترل همانند استفاده از مواد غیرخطی، کریستالهای مایع، تغییر فاز مواد وجود دارد. گرافن یکی از بهترین موادی است که میتوان برای کنترل محدوده رزونانسی از آن استفاده نمود. گرافن یک ماده دوبعدی به شکل لانهزنبوری است که خواصی فوقالعاده در رسانندگی الکتریکی دارد و گرافن را به مادهای خاص تبدیل کرده است.
در محدوده فرکانسی تراهرتزی سهم برهمکنشهای درون باندی غالب است که باعث میشود گرافن همانند یک فلز عمل کند. گرافن نشان داده که یک گزینه مناسب برای طراحی و ساخت دستگاههایی که محدوده رزونانسی را کنترل میکنند است چراکه با تغییر در ولتاژ ورودی یا آلایش شیمیایی گرافن میتوان رسانندگی الکتریکی آن را تغییر داد.[6] بنابراین گرافن بهطور گسترده در فرامواد پلاسمونی موردبررسی قرارگرفته است.
درواقع ما در این حل عددی به بررسی فراموادهای، متشکل از گرافن پرداختهایم که شامل دو مد روشن-روشن پلاسمونی است که در آن از دو طریق محدوده رزونانسی پدیده PIT را کنترل کرده که یکی شکاف موجود در دو حلقه گرافنی است و دیگری تغییر پتانسیل شیمیایی گرافن است.
شکل:1 نمای ساختار در صفحه xy
-2 طراحی ساختار
شکل - - 1 نمای ساختار پیشنهاد دادهشده است که در آن یک زیر لایه از جنس شیشه باضخامت 200 نانومتر و اندازه 900*900 نانومتر که ضریب گذردهی الکتریکی آن برابر با 2,4025 است. بر روی این زیر لایه دو حلقه شکاف دار از جنس گرافن استفادهشده است که ضخامت این دو حلقه گرافنی 1 نانومتر است. مشخصات ساختاری دو حلقه شکاف دار بهصورت L=750 nm و t=100 nm و w=50 nm و d=50,100,150,200,250 nm است. شرط مرزی که برای این شبیهسازی استفادهشده است بهصورت سلول واحد است که بهصورت دورهای تکرار میشود که میدان الکتریکی در راستای محور xها و میدان مغناطیسی در راستای محور yها انتخابشده است و محل ورود نور و قرار گرفتن پورت ها در راستای محور zها است. برای شبیهسازی این ساختار از نرم افزار CST Studio Suite استفاده شده است که روش ادغام محدود برای حل معادلات استفاده میکند.
در این شبیهسازی گرافن را یکلایه بسیار نازک در نظر میگیریم که رسانندگی سطحی آن توسط فرمول کوبو داده میشود. رسانندگی گرافن شامل دو سهم درون باندی و میان باندی است که سهم برهمکنشهای درون باندی در محدوده تراهرتزی غالب است
-3 بررسی ساختار و نتایج شبیهسازی
همانطوری کهقبلاً بیان شد ساختار از دو مد روشنروشن تشکیلشده است که بهوسیله نور فرودی هر دو مد روشن تحریک میشوند و ایجاد رزونانس در محدوده فرکانسی میکنند و از همپوشانی این دو رزونانس پدیده PIT در پاسخهای طیفی نمایش داده میشود که باعث کاهش جذب میشود. نمودار عبور و جذب را میتوان در شکل - - 2 مشاهده نمود.
شکل:2 نمودارهای - a - عبور - b - جذب
برهمکنش میدانی این دو نانو حلقه شکاف دار بهوسیله فاصله شکاف که با پارامتر d مشخص میشود قابلکنترل است که این ویژگی را به این ساختار میدهد که تغییر d در آن یک انتقال فرکانسی برای پاسخهای طیفی آن ایجاد مینماید. حال با تغییر d=250,200,150,100,50 nm نمودار عبوری را برای رزونانس 2 بررسی میکنیم که در شکل - - 3 انتقال فرکانسی آن را نمایش دادهایم.
شکل:3 نمودار عبور برای تغییر پارامتر d
برای بررسی توزیع میدانی از شکل - - 4 استفاده میکنیم که در آن دو دوقطبی الکتریکی در دو حلقه تشکیلشده است که نشان از برهمکنش مستقیم نور فرودی با هر دو المان است و ایجاد دو رزونانس 2 و 1 میکند و با بررسی توزیع میدان مغناطیسی مشخص میشود که دو جریان خلاف هم در دو حلقه القاشده است و شکاف بین حلقهها بهعنوان محل ذخیره انرژی کاربرد دارد و با تغییر در فاصله شکاف برهمکنش بین این دوقطبی کنترل میشود درواقع برهمکنشی که این دو جریان خلاف هم ایجاد میکنند باعث برهمکنش مخرب در این ساختار میشود و نتیجه آن از بین رفتن جذب در فرکانس تشدید میشود که نمایشدهنده پدیده EIT در این ساختار است.
