بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، با قرار دادن یک آرایه از نانومیلههای L شکل از جنس نقره بین دو تک لایهی گرافن، یک فراسطح کایرال پیشنهاد میشود که دایکرویزم دایروی در آن قابل کنترل است. به این منظور نور با قطبشهای دایروی راستگرد و چپگرد به صورت عمودی و مایل به ساختار مورد نظر تابیده شده و طیف دایکرویزم دایروی آن به ازای انرژیهای فرمی متفاوت گرافن محاسبه میشود. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که میتوان با تغییر انرژی فرمی، بیشینه مقدار طیف دایکرویزم دایروی و طول موجی که در آن بیشینه رخ میدهد را تنظیم کرد.
-1 مقدمه
فرامواد الکترومغناطیسی که از ساختارهای مصنوعی متناوب تشکیل شدهاند، ویژگیهای خارقالعادهای مانند ضریب شکست منفی و ابرلنزها از خود نشان میدهند که در مواد عادی دیده نمیشوند. فرامواد که از واحدهای ساختاری زیر طول موج فلز-دیالکتریک تشکیل شدهاند، به علت کاربرد در کنترل انتشار امواج الکترومغناطیس، توجهات زیادی را در دههی اخیر به خود جلب کردهاند. فرامواد کایرال دستهی جدیدی از فرامواد هستند که سلول واحد آنها بر روی تصویر آینهای خود منطبق نمیشود و بخاطر غیر متقارن بودن ذاتیشان، پاسخهای متفاوتی به موج قطبیدهی دایروی راستگرد و چپگرد میدهند که دایکرویزم دایروی نام دارد
دایکرویزم دایروی به صورت اختلاف عبور موج فرودی قطبیدهی دایروی راستگرد و چپگرد تعریف میشود و برای مشخص کردن میزان آن، پارامتر دایکرویزم دایروی به صورت T RCP T LCP تعریف میشود که TRCP و TLCP به ترتیب ضرایب عبور برای نور با قطبش دایروی راستگرد و چپگرد میباشند. دایکرویزم دایروی یکی از روشهای اسپکتروسکوپی است که میتواند برای آشکارسازی و توصیف مولکولهای آلی و زیستی استفاده شود
در سالهای اخیر پدیدهی دایکرویزم دایروی در هر دو فرامواد کایرال ذاتی [3] و غیرذاتی [4] مشاهده شده است. در فرامواد کایرال ذاتی برای هر دو فرود عمودی و مایل پدیدهی دایکرویزم دایروی رخ میدهد در حالی که در فرامواد کایرال غیرذاتی که از سلولهای واحد غیرکایرال تشکیل شدهاند، این اثر فقط تحت فرود مایل رخ میدهد. فرامواد دو بعدی یا تخت که به آنها فراسطوح گفته میشود، دارای افت کمتر و ساخت آسانتر نسبت به فرامواد سه بعدی هستند
در سالهای اخیر، گرافن به عنوان جانشینی برای فلزات در ساخت تراشههای پلاسمونی مورد توجه قرار گرفته است. گرافن یک لایهی دو بعدی از اتمهای کربن با ضخامت یک اتم است که در یک شبکهی شش ضلعی لانهی زنبوری قرار گرفته است. این ماده دارای ویژگیهای اپتیکی و الکترونیکی منحصر به فردی است. با اعمال ولتاژ گیت، می-توان انرژی فرمی گرافن و در نتیجه خواص اپتیکی آن را کنترل کرد. لازم به ذکر است که هر دو گذار درون نواری و بین نواری در رسانندگی گرافن مشارکت دارند. همچنین گرافن در فرکانسهای حدود چند تراهرتز رفتارهای پلاسمونی قوی از خود نشان میدهد. خواص اپتیکی گرافن با یک رسانندگی سطحی توصیف میشود که با استفاده از فرمول شناخته شدهی کوبو به دست میآید و به صورت زیر بیان میشود:
در این مقاله، یک فراسطح کایرال کوکپذیر شامل آرایهای از نانومیلههای L شکل از جنس نقره که بین دو تک لایهی گرافن ساندویچ شده است، پیشنهاد میشود. طیف دایکرویزم دایروی ناشی از این ساختار تحت تابش عمودی و مایل به ازای انرژیهای فرمی متفاوت گرافن محاسبه می-شود. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که از این ساختار می-توان برای کنترل طیف دایکرویزم دایروی استفاده کرد.
-2 طراحی ساختار و شبیهسازی
یک لایهی نازک گرافن به ضخامت 1 نانومتر روی یک زیرلایه از جنس شیشه با ضریب شکست 1/5 و با ضخامت az لایه نشانی شده است. بر روی این لایهی گرافن، یک لایهی نقره به ضخامت t قرار میگیرد که در آن آرایهای از نانومیلههای L شکل به گونهای ایجاد میشود که بین نانوساختارهای L شکل هوا باشد. به علاوه لایهی گرافن دیگری به ضخامت 1 نانومتر روی آرایهی نانومیلههای L شکل قرار میگیرد. طرحوارهای از سلول واحد این فراسطح در شکل 1 نشان داده شده است که در آن ax و ay ثابتهای شبکه، dx، dy و w به ترتیب طول بازوی افقی و عمودی و پهنای بازوهای نانومیلهی L شکل و زاویهی نور فرودی میباشند.
شکل :1 طرحوارهای از سلول واحد نانوساختار طراحی شده؛ - الف - یک نانومیلهی L شکل قرار گرفته بر روی تک لایهی گرافن. - ب - نانومیلهی L شکل ساندویچ شده بین دو تک لایهی گرافن.
ساختار مفروض تحت تابش موج تخت قطبیدهی دایروی راستگرد و چپگرد با فرود عمودی - =0œ - و مایل - =60œ - قرار میگیرد. برای مطالعهی انتشار نور از این ساختار، از نرم افزار CST استفاده میشود که اساس آن روش انتگرال محدود است. مقادیر استفاده شده برای پارامترها در شبیه- سازی به صورت ax=450، ay=250، az=200، dx=260،
dy=100، t=30 و w=30 نانومتر هستند.
-3 بحث و نتایج عددی
ابتدا یک موج قطبیدهی دایروی با قطبشهای راستگرد و چپگرد به صورت عمودی به این ساختار تابیده و طیف دایکرویزم دایروی به ازای انرژیهای فرمی متفاوت محاسبه میشود. نتایج مربوطه در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل :2 طیف دایکرویزم دایروی برای فرود عمودی - =0œ - یک موج قطبیدهی دایروی راستگرد و چپگرد به نانوساختار طراحی شده به ازای انرژیهای فرمی مختلف؛ - الف - در بازهی 0/1 تا 0/7 الکترون ولت و - ب - در بازهی 0/93 تا 0/99 الکترون ولت.
همانگونه که در شکل 2 دیده میشود، با تغییر انرژی فرمی گرافن، طیف دایکرویزم دایروی تغییر میکند. در شکل 2 - الف - دیده میشود وقتی انرژی فرمی از 0/1 به 0/4 الکترون ولت افزایش مییابد، طیف دایکرویزم دایروی بدون تغییر باقی میماند و در ناحیهی طول موجی 750 تا 850 نانومتر تقریباً 0 است - منحنی آبی رنگ - . با افزایش انرژی فرمی تا 0/7 الکترون ولت، درههایی در طیف دایکرویزم دایروی مشاهده میشود. در شکل 2 - ب - ، به ازای انرژی فرمی 0/93 الکترون ولت، بیشینه مقدار 0/6 برای دایکرویزم دایروی در طول موج 786 نانومتر رخ میدهد. همچنین قلههای سمت راست طیف دایکرویزم دایروی در این شکل، با افزایش انرژی فرمی از 0/93 به 0/99 الکترون ولت، به سمت طول موجهای کوتاهتر جابجا میشوند.
حال یک موج قطبیدهی دایروی راستگرد و چپگرد تحت فرود مایل با زاویهی 60 درجه به ساختار تابیده و طیف دایکرویزم دایروی به ازای انرژیهای فرمی متفاوت لایههای گرافن محاسبه میشود. نتایج مربوطه در شکل 3 نشان داده شده است.
