۲۳۱۴۳پ
per
انتشار امواج الکترومغناطیسی در مواد ناهمسانگرد گرافن پایه
Electromagnetic Waves Propagation in Anisotropic Graphene-based Materials
/مجتبی کریمی هابیل
: فیزیک
، ۱۳۹۹
، راشدی
۱۰۱ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
فیزیک اتمی - لیزر
۱۳۹۹/۰۶/۳۰
تبریز
انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک محیط به خواص ماده تحت تابش موج و خصوصیات موج فرودی به ماده، بستگی دارد .به طور کلی، مواد اپتیکی به همسانگرد و ناهمسانگرد تقسیم می‌شوند .بر خلاف مواد همسانگرد، مواد ناهمسانگرد دارای خواص متفاوتی در راستاهای مختلف می‌باشند .بسیاری از پدیده‌ها در اپتیک از عرضی بودن قطبش امواج الکترومغناطیسی ناشی می‌شوند، به طوری که امواج الکترومغناطیسی با قطبش‌های متفاوت، ضمن انتشار در یک محیط می‌توانند خواص متفاوتی را تجربه کنند .اخیرا ساختارهای شامل گرافن به خاطر خواص گرافن، از جمله وابستگی شدید گذردهی الکتریکی به رسانندگی سطحی، کوک‌پذیری پتانسیل شیمیایی و ناهمسانگرد بودن آن در حضور میدان مغناطیسی، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند .در این رساله، خواص عبوری و بازتابی امواج دایروی که به ساختارهای لایه‌ای حاوی گرافن می‌تابند، بررسی شده است .با بررسی طیف تراگسیل و بازتاب از ساختار متشکل از لایه‌های گرافن و دی‌الکتریک، نشان داده شده است که بخاطر خواص ژیروترپیک گرافن در حضور میدان مغناطیسی، گاف باندی در طیف تراگسیل موج دایروی راست‌گرد یا چپ‌گرد مشاهده می‌شود .وجود این گاف باند از متفاوت بودن پاسخ‌دهی گرافن برای امواج دایروی با قطبش‌های متفاوت ناشی می‌شود .از آنجا که اینگونه ساختارها در حضور میدان مغناطیسی ناهمسانگرد می‌باشند، با چرخش میدان الکتریکی و تغییر راستای قطبش میدان الکتریکی، می‌توانند موج با قطبش خطی را به موج با قطبش دایروی تبدیل کنند .علاوه بر آن، وابستگی قطبش موج بازتابی و عبوری به میدان مغناطیسی اعمال شده و پتانسیل شیمیایی گرافن مطالعه شده است .با بررسی اثر تعداد لایه‌های ساختار، می‌توان ساختاری را با تعداد لایه معین ارائه داد که موج بازتابی و عبوری از ساختار به طور دایروی قطبیده باشند .در ادامه، بازتاب و عبور امواج الکترومغناطیسی از سطح یک محیط ناهمسانگرد تک محوری که محور اپتیکی آن در صفحه تابش قرار دارد و زاویه دلخواه با عمود بر فصل مشترک می‌سازد، بررسی شده است .با بدست آوردن رابطه بین زاویه بردار موج و بردار پوئینتینگ موج عبوری، نشان داده شده است که بردار پوئینتینگ و بردار موج در حالت کلی در یکی راستا نمی‌باشد، اگرچه زاویه تابشی وجود دارد که در آن بردار پوئینتینگ و بردار موج در یک جهت می‌باشند .همچنین نشان داده شده است که پدیده‌ی شکست منفی که در آن بردار انتشار موج تابشی در محیط اول و بردار پوئینتینگ در محیط دوم در یک طرف بردار عمود بر فصل مشترک دو محیط قرار دارند، در محیطهای تک محوری منفی اتفاق می‌افتد .یک نوع از مواد تک محوری، فرامواد هذلولوی هستند که از لایه‌های گرافن و دی‌الکتریک ساخته شده‌اند .با بررسی طیف تراگسیل و عبور در این مواد نشان داده شده است که در اینگونه مواد با افزایش زاویه‌ی راستای محور اپتیکی نسبت به عمود بر فصل مشترک دو محیط و پتانسیل شیمیایی گرافن، زاویه بروستر کاهش می‌یابد .علاوه بر آن، انتشار بردار موج و بردار پوئینتینگ در این نوع ساختارها مورد بررسی قرار گرفت، با بررسی سطوح هم‌فرکانس برای موج الکتریکی عرضی و موج مغناطیسی عرضی، نشان داده شد که این ساختارها دارای خواص تک‌گانه پاشندگی برای موج الکتریکی عرضی و خواص سه‌گانه پاشندگی برای موج مغناطیسی عرضی می‌باشند .این نوع پاشندگی با تغییر راستای محور اپتیکی ساختار، پتانسیل شیمیای گرافن و فرکانس موج تابشی قابل تغییر است
Propagation of electromagnetic waves (EM) depend on the optical properties of the interacted material, and the characteristics of the incoming wave. Generally, optical materials are categorized as isotropic and anisotropic materials. Unlike the isotropic media, anisotropic materials have different properties in different directions. Some phenomena in electromagnetism arise from the transversal polarization of the EM waves, in such a way that EM waves with different polarization can experiences different properties. Recently, optical properties of structures containing graphene has attracted attention, because of the unique properties of graphene, including dependence of its permittivity to the surface conductivity, tunability of the surface conductivity by changing the chemical potential, and its anisotropic behavior in the presence of an external magnetic field. In this thesis, the reflection and transmission of circularly polarized (CP) waves, which are incident to the periodic structure comprising of graphene-dielectric layers are investigated. Due to the induced-gyrotropic behavior of the graphene monolayers under an applied external magnetic field, the response of the graphene to the waves with different handedness is different, which leads to the existence of an omni-directional band gap in the transmission spectrum either left or right CP wave. Due to the induced anisotropy in the presence of the external magnetic field, such structure can convert the linearly polarized wave to CP wave in reflected and transmitted waves. Furthermore, the dependence of the ellipticity of the reflected and transmitted waves to the number of the layers, the applied magnetic field, and the chemical potential of the graphene studied. It is shown that using a structure with definite number of the layers, proper magnetic field, and chemical potential, such structure can convert the linearly polarized wave to CP wave for reflected and transmitted waves. In continue, the reflection and refraction of the electromagnetic waves from the planar interface of an anisotropic medium are investigated. The considered anisotropic medium is a uniaxial material whose optical axis lies in the incident plane and makes an arbitrary angle to the normal to the interface. It is shown that, in general the Poynting vector and wave vector are not in the same direction, although there exist an incident angle for which the Poynting vector and wave vector are collinear. Also, it is shown that, the negative refraction which is a phenomena, in which the incident wave vector and the transmitted Poynting vector are in the same side of normal to the interface, can happen for negative uniaxial materials. Asymmetric graphene-based hyperbolic metamaterials composed of alternating stacks of graphene monolayers and dielectric layers are a type of uniaxial material. By studying the reflection and transmission spectrum of hyperbolic metamaterial, the Brewster angle is decreased by tailoring the orientation of the optical axis of the considered structure as well as the chemical potential of the graphene. Furthermore, the propagation of the wave vectors and Poynting vectors are studied in the given structure. By studding the isofrequency surfaces of this structure for transverse electric wave (TE) and transverse magnetic wave (TM), it is shown that the structures have singlet dispersion behavior for the TE wave and triplet dispersion behavior for the TM wave. These types of dispersion can be switched by modifying the orientation of the optical axis, the chemical potential of the graphene, and the frequency of the impinging wave
Electromagnetic Waves Propagation in Anisotropic Graphene-based Materials
کریمی هابیل، مجتبی
Karimi Habil, Mojtaba
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
