عنوان

پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی در ساختارهای لایه‌ای شبه‌متناوب حاوی گرافن,‮‭Surface Plasmon-Polaritons in Quasiperiodic Layered Structures Containing Graphene‬

‭۲۱۳۱۲پ‬

per

پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی در ساختارهای لایه‌ای شبه‌متناوب حاوی گرافن

‮‭Surface Plasmon-Polaritons in Quasiperiodic Layered Structures Containing Graphene‬

/رعنا فیض الهی عنصرودی

: فیزیک

، ‮‭۱۳۹۷‬

، میرزائی

‮‭۱۳۰‬ص‬

چاپی - الکترونیکی

دکتری

فیزیک اتمی و مولکولی

‮‭۱۳۹۷/۱۱/۱۷‬

تبریز

پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی نوعی از امواج سطحی الکترومغناطیسی هستند که دارای کاربردهای فراوانی در حوزه‌های مختلف از جمله مدارات نوری، سلول‌های خورشیدی، حوزه ارتباطات، حسگرهای بیوشیمیایی و زیستی، تصویر برداری با تفکیک‌پذیری بالا و نیز مینیاتورسازی عناصر فوتونیکی هستند .اما داشتن تلفات بالا، دشواری تغییر ویژگی‌های دی‌الکتریک و عدم وجود مد ‮‭TE‬ معایبی هستند که بر ساختاری پلاسمونیکی معمولی می‌توان برشمرد .برای غلبه بر این معایب می‌توان به جای رسانای فلزی از گرافن در این ساختارها استفاده کرد .با کشف گرافن که آرایه‌ای دو بعدی از اتم‌های کربن در یک شبکه‌ی لانه‌ی زنبوری است، این نقص‌ها به میزان قابل توجهی برطرف گردیدند .علاوه بر داشتن خواص الکترونیکی منحصر به فرد، گرافن قابلیت تشکیل پلاسمون‌های سطحی با تلفاتی بسیار ناچیز در گستره‌ی مادون قرمز و تراهرتز را دارند .به همین دلیل در طی چند سال گذشته بررسی ادوات پلاسمونی بر پایه‌ی گرافن بسیار مورد توجه قرار گرفته است .از سویی دیگر ساختارهای فوتونی شبه متناوب که حد مابین ساختارهای متناوب منظم و ساختارهای تصادفی نامنظم هستند به خاطر ویژگی‌های خاص و جالب توجهی که دارند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند .مشاهده شده است که ویژگی‌های پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی نه تنها به مشخصه‌های فیزیکی مواد تشکیل دهنده‌ی ساختار، بلکه به ویژگی‌های ساختاری سیستم از جمله نوع چیدمان ساختار و نسبت ضخامت لایه‌ها نیز بستگی دارد .از این رو در این رساله به بررسی نظری و تحلیل عددی پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی در ساختارهای لایه‌ای شبه متناوب حاوی گرافن با استفاده از روش ماتریس انتقال پرداختیم .در این راستا اولین ساختاری که مورد مطالعه قرار دادیم ساختار لایه‌ای با مولدهای مرتبه دوم تا پنجم شبه متناوب فیبوناچی بود .این بررسی بیانگر این بود که حضور گرافن در این ساختارها منجر به ظهور مدهای پلاسمون-پلاریتون سطحی در هر دو قطبش‮‭TE‬ و ‮‭TM‬ می‌گردد در حالی‌که در ساختارهای بدون گرافن تنها پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی قطبش ‮‭TM‬ امکان حضور داشتند .همچنین مشخص شد که ناحیه‌ی فرکانسی که در آن امکان وجود پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی در قطبش ‮‭TM‬ است، در مقایسه با حالت ‮‭TE‬ محدودتر است .همچنین مرتبه‌ی مولد شبه متناوب فیبوناچی نقش مهمی در وقوع پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی دارد .هر چقدر مرتبه‌ی مولد شبه متناوب فیبوناچی بالاتر باشد، تعداد گاف باند فوتونی بیشتری خواهیم داشت و در نتیجه در یک بازه‌ی فرکانسی معین، تعداد مدهای سطحی بیشتری وجود خواهد داشت .بنابراین افزایش مرتبه‌ی مولد شبه متناوب فیبوناچی یک پارامتر اساسی برای افزایش تعداد مدهای سطحی در یک ناحیه‌ی فرکانسی معین است .بررسی امکان تحقق پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی با استفاده از روش بازتاب کلی داخلی تضعیف شده ‮‭(ATR)‬ نشان داد که تمامی مدهای سطحی پیش‌بینی شده در منحنی‌های پاشندگی قابل تحریک و تحقق هستند .در هر دو قطبش ‮‭TE‬ و ‮‭TM‬ افزایش پتاسیل شیمیایی لایه‌های گرافن در یک معین منجر به جابه‌جایی موقعیت گاف باندها و مدهای پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی به فرکانس‌های بالاتر انتقال می‌شود که این خصیصه امکان کنترل و تنظیم پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی را با استفاده از تنظیم پتانسیل شیمیایی لایه‌های گرافن فراهم می‌سازد .پیکربندی پروفایل‌های میدان الکتریکی در گاف‌های مختلف، متفاوت از همدیگر ظاهر می‌شوند به عنوان مثال تعداد قله‌های پروفایل میدان الکتریکی با حرکت از گاف‌های پایین‌تر به گاف‌های بالاتر افزایش می‌یابد و نیز افزایش پتانسیل شیمیایی منجر به جایگزیدگی بیشتر مدهای پلاسمون-پلاریتون سطحی در اولین گاف باند فوتونی می‌شود .در نهایت به بررسی تاثیر چیدمان‌های مختلف ساختارهای شبه‌متناوب بر روی پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی پرداختیم و بدین منظور سه مولد شبه متناوب تیو-مورس، دو دوره ای و رودین-شاپیرو را در نظر گرفتیم و به ازای مولدهای مرتبه‌ی اول تا سوم به مطالعه ساختار پرداختیم .به ازای مولدهای شبه متناوب مرتبه‌ی اول در هر دو قطبش ‮‭TE‬ و ‮‭TM‬ در هر سه ساختار با افزایش ضخامت لایه‌ی کلاهک، مدهای پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی به فرکانس‌های پایین‌تر انتقال پیدا می‌کنند .به ازای مولدهای شبه متناوب مرتبه‌ی دوم در هر دو قطبش ‮‭TE‬ و ‮‭TM‬ با وجود این‌که مولدهای مرتبه‌ی دوم دو دوره ای و رودین-شاپیرو تعداد یکسانی از لایه‌های نوع ‮‭A‬ و ‮‭B‬ اما با چیدمان متفاوت دارند، رفتار کاملا متفاوتی در مورد پلاسمون-پلاریتون سطحی از خود بروز می‌دهند به گونه‌ای که ساختار با مولد مرتبه‌ی دوم رودین-شاپیرو برخلاف ساختار دیگر هیچ مد سطحی به ازای هیچ ضخامت لایه‌ی کلاهکی از خود نشان نمی‌دهد .در مولدهای مرتبه‌ی سوم، ساختار با مولد رودین-شاپیرو تنها در گاف اول خود از مدهای پلاسمون-پلاریتون سطحی پشتیبانی می‌کند در حالی‌که دو ساختار دیگر در تمامی گاف باندهای خود دارای مدهای سطحی هستند

Surface plasmon-polaritons are a kind of electromagnetic surface waves that are widely used in various fields such as optical circuits, solar cells, communication area, biochemical and biological sensors, high resolution imaging and also the miniaturization of photonic elements. But having high losses, difficulty in changing the dielectric properties, and the lack of the TE modes, are disadvantages that can be cited on a conventional plasmonic structures. In order to overcome these disadvantages, conductors can be replaced by graphene in these structure.With the discovery of graphene, a two-dimensional array of carbon atoms in a honeycomb lattice, these defects were significantly resolved. In addition to having unique electronic properties, graphene has the potential to form surface plasmons with very low losses in the infrared and terahertz ranges. For this reason, graphene-based plasmonic devices have been highly regarded over the past few years. On the other hand, quasi-periodic photonic structures, which are alternating between regular and random irregular structures are remarkable because of their special characteristics. It has been observed that the properties of surface plasmon-polaritons depend not only on the physical parameters of the constituent materials of layered structures but also on structural properties such as the ratio of the thickness of the alternating materials. Hence, we studied the theoretical and numerical analysis of surface plasmon-polaritons in quasiperiodic layered structures containing graphene using the transfer matrix method in this thesis. In this regard, the first structure we have studied was a layered structure with 2nd to 5th orders of Fibonacci quasi-periodic generations. This investigation showed that the presence of graphene in these structures leads to the appearance of surface plasmon-polariton modes in both TE and TM polarizations, whereas in structures without graphene only the TM modes were possible. It was also found that the frequency, in which SPPs can occur in the TM mode, is limited in comparison to the TE mode. Also, the Fibonacci quasi-periodic generation order plays an important role in the occurrence of surface plasmon-polaritons. The higher Fibonacci quasi-periodic generation order, the more numbers of photonic band gaps; hence the more numbers of surface modes in some definite frequency ranges. Therefore, increasing of the quasi-periodic generation order is a critical parameter for the increment of the number of surface modes in a given frequency range. The investigation of the possibility of realization of surface plasmon-polaritons confirmed that all of the predicted surface modes in the dispersion curves are excitable and realizable. Increasing the chemical potential of graphene sheets in given for both the TE and TM polarizations leads to displacement of the location of band gaps and the surface plasmon-polaritons modes to higher frequencies. This feature enables us to adjust the surface plasmon-polaritons via tuning of the chemical potential of graphene sheets. The configuration of electric field profile in different gaps appear differently, e.g., the number of peaks in the electric field profiles increases moving form the lower to upper gaps and also increasing the chemical potential of graphene sheets causes more localization of surface plasmon-polaritons in the first photonic gap. Finally, we investigated the effect of different layouts of quasiperodic structures on the surface plasmon-polaritons. For this purpose, we considered three type of quasiperodic generations, Thue-Morse, double-period and Rudin-Shapiro and we studied the layered structure for their 1st to 3th orders. In the case of the first generation orders in the all three structures, by increasing the thickness of cap layer, the surface plasmon-polaritons modes are shifted to lower frequencies for both TE and TM polarizations. For the second generation orders, even though both double-period and Rudin-Shapiro generations have the same number of A and B layers, however with different layouts, but they show a quite different behavior about surface plasmon-polaritons in both TE and TM polarizations in such a way that structure with second order. Rudin-Shapiro doesnt support any surface mode for any thickness of cap layer in contrast with the other structures. In the third generation orders, the structure with Rudin-Shapiro generation supports the surface plasmon-polaritons modes only in its first gap while the other two structures have surface modes in all of their band gaps

‮‭Surface Plasmon-Polaritons in Quasiperiodic Layered Structures Containing Graphene‬

فیض الهی عنصرودی، رعنا

Feizollahi Onsoroudi, Rana

نامدار، عبدالرحمن، استاد راهنما

خوش‌سیما، حبیب، استاد راهنما

صحرایی، مصطفی، استاد مشاور

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی