۱۹۸۳۷پ
per
مطالعه‌ی اثر تنش کششی بر خواص پلاسمون- پلاریتون های سطحی در ساختارهای لایه‌ای شامل گرافن
Study of the effect of tension on the properties of surface plasmon-polaritons in layered structures containing graphene
/غفور خالندی
: فیزیک
، ۱۳۹۶
، میرزائی
۱۲۳ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
فیزیک اتمی و مولکولی( اپتیک و لیزر)
۱۳۹۷/۰۴/۱۷
تبریز
ساختارهای پلاسمونی معمولی دارای معایبی مانند اتلاف بالا و طول انتشار کم برای پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی می‌صباشند .گرافن می‌صتواند یک جایگزین مناسب برای رساناهای فلزی در این ساختارها باشد، زیرا پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی گرافن دارای طول انتشار بیشتر، تنظیم-پذیری بالا و جایگزیدگی بسیار زیادی می‌صباشند .گرافن دارای ویژگی‌صهای منحصر به فردی است و استفاده از آن در ساختارهای پلاسمونی، تولید وسایل اپتیکی جدیدی را در پی خواهد داشت که در بازه‌صهای فرکانسی مختلف با سرعت خیلی زیاد، ولتاژ محرک پایین، مصرف توان کم و اندازه‌صی کوچک کار می‌صکنند .یکی از عوامل مؤثر بر خواص گرافن، تنش کششی می‌صباشد .بنابراین در این رساله اثر تنش کششی بر رسانندگی اپتیکی گرافن، جذب تابش در آن و مشخصه‌صهای پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی نظیر طول موج، طول انتشار و عمق نفوذ برای ساختارهای مختلف، مطالعه شده است .در این تحقیق ساختار باند الکترونی گرافن از مدل بستگی قوی در تقریب نزدیک‌صترین همسایه‌صها و رسانندگی اپتیکی آن از نظریه‌صی اختلال به دست آمده است .برای زوایای مختلف راستای تنش کششی، رسانندگی اپتیکی گرافن دارای دو یا سه تکینگی وان هوف می‌صباشد، در حالی که بدون تنش تنها یک تکینگی وان هوف دارد .جذب تابش در گرافن با قسمت حقیقی رسانندگی اپتیکی آن مرتبط است .بررسی‌صها نشان داد که جذب در گرافن برای فرکانس‌صهای پایین تقریبا مستقل از تنش کششی است، اما در فرکانس‌صهای بالاتر افزایش اندازه‌صی تنش کششی سبب افزایش بازه‌صی فرکانسی میان قله‌صهای جذب شده و جذب را در این بازه کاهش می‌صدهد .جهت مطالعه‌صی اث‍ـر تنش کششی بر ویژگی‌صهای پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی در گراف‍ـن، چهار ساختار مختلف مورد بررسی قرار گرفت .در ساختار اول با یک لایه‌صی گرافن بین دو دی‌صالکتریک نیمه بی‌صنهایت، نشان داده شد که با تغییر کرنش می‌صتوان بازه‌صی فرکانسی تشکیل پلاسمون- پلاریتون‌صها را تغییر داد .همچنین مشاهده شد که در فرکانس‌صهای پایین، افزایش کرنش می‌صتواند طول موج، طول انتشار و عمق نفوذ پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی را به طور هم‌صزمان افزایش یا کاهش) بسته به راستای تنش کششی و زاویه‌صی آن با میدان الکتریکی مماسی (دهد .در فرکانس‌صهای بالا افزایش زاویه‌صی بین راستای تنش کششی و میدان الکتریکی مماسی، طول انتشار و عمق نفوذ را افزایش می‌صدهد .پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی در این ساختار بسیار جایگزیده هستند و عمق نفوذ آن‌صها از مرتبه‌صی نانومتر می‌صباشد که از طول موج آن‌صها بسیار کوچک‌صتر است .در ساختار دوم با یک لایه‌صی گرافن بر روی یک تیغه‌صی دی‌صالکتریک و ساختار سوم با یک تیغه‌صی دی‌صالکتریک بین دو لایه‌صی گرافن، نشان داده شد که پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی طول انتشار بالایی داشته و جایگزیده می‌صباشند .در این ساختارها، تنش کششی تأثیر چندانی بر طول موج و عمق نفوذ پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی ندارد، اما در شرایط مختلف می‌صتواند طول انتشار آن‌صها را افزایش یا کاهش دهد .طول موج و عمق نفوذ پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی در هر دو ساختار تقریبا یکسان بوده، اما طول انتشار آن‌صها در ساختار سوم در حدود نصف مقدار آن در ساختار دوم می‌صباشد .مطالعه‌صی ساختار چهارم با یک لایه‌صی گرافن در مجاورت یک بلور فوتونی یک بعدی، نشان داد که اگر در یک فرکانس مشخص با تغییر مشخصات تنش کششی قسمت حقیقی رسانندگی اپتیکی گرافن کاهش یابد، طول انتشار پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی افزایش می‌صیابد .همچنین اگر بر اثر تغییر این مشخصات قسمت موهومی رسانندگی اپتیکی گرافن افزایش یابد، طول موج پلاسمون- پلاریتون‌صهای سطحی و عمق نفوذ آن‌صها افزایش می‌صیابد
Ordinary plasmonic structures have disadvantages such as enormous losses and low propagation lengths for surface plasmon-polaritons. Graphene can be a suitable alternative to metal conductors in these structures because surface plasmon-polaritons in graphene have longer propagation lengths, high tunability, and extreme confinement. Graphene has unique properties and its use in plasmonic structures will enable the manufacture of novel optical devices that working in different frequency ranges with extremely high speed, low driving voltage, low power consumption and compact sizes. One of the effective factors on the properties of graphene is tension. Therefore, in this thesis the effect of tension on the optical conductivity of graphene, the absorption of radiation in it, and the characteristics of surface plasmon-polaritons such as wavelength, propagation length, and penetration depth for various structures have been studied. In this study, the electronic band structure of graphene is obtained from the nearest-neighbor tight-binding model, and its optical conductivity is derived from the perturbation theory. For different angles of tension direction, the optical conductivity of graphene has two or three Van Hove singularities, while without tension, it has only one Van Hove singularity. The absorption of radiation in graphene is related to its real part of the optical conductivity. Researches showed that the absorption in graphene for low frequencies is almost independent of tension, but at higher frequencies, increasing the amount of tension increases the frequency range between the absorption peaks and reduces the absorption in this range. To study the effect of tension on the properties of surface plasmon-polaritons in graphene, four different structures were considered. In the first structure, with a graphene layer between two semi-infinite dielectrics, it was shown that one can change the frequency interval of the formation of plasmon-polaritons by changing the strain. It was also observed that at low frequencies, the increase of the strain can either increase or decrease (depending on the tension direction and its angle with the tangential electric field) the wavelength, propagation length and penetration depth of surface plasmon-polaritons simultaneously. At high frequencies, the increase of the angle between the tension direction and the tangential electric field increases the propagation length and penetration depth. Surface plasmon-polaritons in this structure are extreme confined and their penetration depths are in the range of nanometers, which are much smaller than their wavelengths. In the second structure with a graphene layer on a dielectric slab and the third structure with a slab between two graphene layers, it was shown that surface plasmon-polaritons have high propagation lengths, and they are confined. In these structures, tension doesnt have much effect on the wavelength and penetration depth of surface plasmon-polaritons, but under different conditions can either increase or decrease their propagation length. The wavelength and penetration depth of surface plasmon-polaritons in both structures are approximately the same, but their propagation length in the third structure is about half of its amount in the second structure. The study of the fourth structure with a graphene layer adjacent to a one-dimensional photonic crystal showed that if the real part of the optical conductivity of graphene decreases at a certain frequency by changing the characteristics of tension, the propagation length of surface plasmon-polaritons increases. Also, if the imaginary part of the optical conductivity of graphene increases due to the change of these characteristics, the wavelength of surface plasmon-polaritons and their penetration depth increase
Study of the effect of tension on the properties of surface plasmon-polaritons in layered structures containing graphene
خالندی، غفور
Khalandi, Ghafour
نامدار، عبدالرحمن، استاد راهنما
روشن‌انتظار، صمد، استاد راهنما
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
