عنوان

طراحی آشکارسازهای مادون قرمز مبتنی بر نانو خوشه های فلزی بر روی گرافن

‭۱۷۲۹۵پ‬

per

طراحی آشکارسازهای مادون قرمز مبتنی بر نانو خوشه های فلزی بر روی گرافن

/مهدی رحمانشاهی

: مهندسی فناوری‌های نوین

، ‮‭۱۳۹۵‬

، میرزائی

چاپی

کارشناسی ارشد

مهندسی نانوفوتونیک گرایش مهندسی نانوفوتونیک

‮‭۱۳۹۵/۱۱/۱۶‬

تبریز

گرافن با توجه به خواص نوری و الکترونیکی منحصربفرد خود مانند جذب وسیع، ساختار باند بدون گاف انرژی و حاملین با تحرک بالا، با وجود لایه‌صهای باضخامت تک اتمی، یک کاندید ایده‌صآل برای دستگاه‌صهای اپتوالکترونیکی مانند آشکارساز فوق سریع می‌صباشد .هرچند که جذب ذاتی کم ( ‮‭(۳/۲‬ و بازده کوانتومی پایین گرافن به طور جدی مزایای آن را برای دستگاه‌صهای الکترونیک نوری و فوتونیکی با عملکرد بالا را محدود می‌صکند .خوشبختانه نانو آنتن‌صهای نوری، پاسخ نوری جذابی ناشی از نوسانات جمعی الکترون‌صهای باند هدایت موسوم به پلاسمون‌صهای سطحی را به وجود می-آورند که می‌صتواند نور را در ناحیه زیر طول‌صموج در نزدیکی آنتن‌صها متمرکز کند .این نانوآنتن فلزی تحت تابش نور، الکترون‌صهای داغ نامتعادلی را) به دلیل میرا شدن پلاسمون‌صهای سطحی (در نزدیکی ساختار گرافن تزریق می‌صکند که منجر به دوپینگ گرافن به صورت موثر می‌صشود و هدایت گرافن را بهبود می‌صبخشد .با انتخاب مناسب اندازه، فاصله، جنس و شکل ساختار نانو آنتن‌صها، می‌صتوان راندمان گرافن را در جذب نور مرئی و مادون قرمز نزدیک افزایش داد .در این پایان‌صنامه از یک نانوخوشه پلاسمونی از جنس طلا به شکل نونامر) متشکل از یک نانودیسک مرکزی که توسط ‮‭۸‬ نانودیسک دیگر احاطه شده است (استفاده شده که علاوه بر دوپینگ مناسب گرافن توسط الکترون‌صهای داغ، یک فانو رزونانس به وجود می‌صآورد .فانورزونانس شامل یک پنجره شفافیت ناشی از روی هم رفتن مدهای پلاسمونی تاریک و روشن در یک بازه مشخص است که در آن پروفایل پراکندگی به شدت فروکش می‌صشود ولی پروفایل جذب تا حد زیادی افزایش میابد .در این پایان‌صنامه با استفاده از نرم‌صافزار ‮‭Lumerical FDTD solution‬ به شبیه‌صسازی این نانو خوشه پرداختیم و مشخصات آن را با ایجاد تغییرات در لایه‌صهای گرافن، جابجایی موقعیت گرافن در بالا و پایین نانوخوشه، فاصله نانوذرات نسبت به هم، ضخامت و شعاع نانودیسک‌صها با ثابت درنطر گرفتن سایر پارامترها بررسی کردیم .در این پایان نامه در هر مرحله به صورت مجزا پروفایل جذب، پراکندگی، توزیع میدان الکتریکی در مد ‮‭TE‬ در اطراف نانوخوشه، بازده کوانتوم داخلی، بازده کوانتوم کلی و منحنی پاسخ‌صدهی آشکارساز را با استفاده از نرم‌صافزار ‮‭Lumerical FDTD solution‬ محاسبه و با استفاده از نرم‌صافزار ‮‭MATLAB‬ مورد تحلیل و بررسی قرار دادیم .در نهایت بر اساس نتایج بدست آمده، یک آشکارساز گرافنی مادون قرمز برای جذب طول موج مخابراتی ‮‭nm ۱۵۵۰‬ با دامنه پیک جذب ‮‭m۲۲۲/۰‬، بازده کوانتومی ‮‭۱۳‬ و ضریب پاسخ‌صدهی‮‭۱۵۰ - mAW‬ ‮‭۱‬طراحی و معرفی کردیم

Graphene due to its unique optical and electronic properties such as broadband absorption, gapless band structure and high carrier mobility, despite its single-atom-layer thickness, becomes a promising candidate for optoelectronics devices such as ultrafast photodetectors. However, inherently low absorption (2.3 ) and low quantum efficiency of graphene seriously limit its usefulness for high-performance photonic or optoelectronic devices. Fortunately, optical nanoantennas have fascinating optical response due to the collective oscillation of the conduction electrons, which are called surface plasmons, can concentrate light into a subwavelength region close to the antennas. A metallic nanoantenna, under resonant illumination, injects nonequilibrium hot electrons due to the decay of the surface plasmons into a nearby graphene structure, which act as an effective doping in graphene, and enhances graphene conductance. Nanoantennas are also able to assist graphene to harvest visible and near-infrared light with high efficiency by tailoring the size, the gap distance and shape of the antenna structure. In this thesis, a plasmonic nanocluster in the form of gold nonamer (consisting of a central nanodisk surrounded by eight nanodisks) which is used for perfect doping of graphene via generating hot electrons, which in turn creates a Fano resonance. Fano resonances consist of a transparency window due to overlapping dark subradiant and bright superradiant plasmon modes in a specific wavelength where scattering is strongly suppressed but absorption is greatly enhanced. Here, we have simulated this nanocluster by using Lumerical FDTD solution software with changing the number of graphene layers, graphene layer position on top and under the nanocluster, the gap distance between the nanoparticles, the thickness and the radius of the nanodisks with taking other parameters unchanced. In this thesis for different structures in each step, absorption and scattering profiles, electric field distribution in TE mode, the internal quantum efficiency, the quantum efficiency and responsivity of the detector calculated by using Lumerical FDTD solution software and analyzing the results utilizing MATLAB software, individually. Finally, based on our simulation results, we have designed a graphene IR-photodetector for absorbing telecommunication wavelength (1550 nm) with absorption peak of 0.22 m2, quantum efficiency of 13 and responsivity of 150 mAW-1, systematically

رحمانشاهی، مهدی

گلمحمدی، سعید، استاد راهنما

عسگری، اصغر، استاد راهنما

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی