عنوان

حالت های سطحی بلورهای فوتونی مغناطواپتیکی در حضور گرافن

Number

پ۲۵۵۹۹

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

حالت های سطحی بلورهای فوتونی مغناطواپتیکی در حضور گرافن

First Statement of Responsibility

زهره اتابکی

Name of Publisher, Distributor, etc.

فیزیک

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۲۰ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

فیزیک ماده چگال

Date of degree

۱۴۰۰/۰۴/۱۶

Text of Note

حالت های سطحی، نوع خاصی از امواج جایگزیده هستند که در سطح مشترک بین محیط های فیزیکی مختلف ظاهر می شوند، که به طور نمایی در دو طرف سطح مشترک میرا می شوند و در سطح مشترک منتشر می شوند. ویژگی های حالت های سطحی توسط خواص نوری مواد سازنده تعیین می شود. پدیده ی ناوارونی زمانی رخ می دهد که امواج سطحی در جهت مثبت و منفی بردار موج انتشار متفاوت باشند، به این امواج حالت های سطحی ناوارون گفته می شود. بلورهای فوتونی ساختارهای متناوبی هستند که انتشار موج الکترومغناطیسی را تحت تاثیر قرار می دهند. زمانی که بلور فوتونی از یک سمت توسط هوا قطع شود، در مرز مشترک بلور و هوا حالت های سطحی تشکیل می شوند. ویژگی های حالت های سطحی تشکیل شده در بلور فوتونی به جنس مواد سازنده ی بلور و ساختار بلور فوتونی بستگی دارد. اگر در بلورهای فوتونی از موادی مانند نیم رساناها که تحت تاثیر میدان مغناطیسی خارجی رفتار مغناطواپتیکی از خود نشان می دهند، استفاده شود، بلورهای فوتونی مغناطواپتیکی تشکیل می شوند که خواص اپتیکی و مغناطواپتیکی منحصر به فردی را از خود نشان می دهد. حالت های سطحی تشکیل شده در بلورهای فوتونی مغناطواپتیکی ویژگی ناوارونی دارند. حضور گرافن به عنوان جدیدترین فیلم نازک رسانا که رسانایی نوری کنترل پذیر دارد در بلورهای فوتونی مغناطواپتیکی نقش ویژه ای در تنظیم حالت های سطحی ناوارون تشکیل شده دارد. در این رساله حالت های سطحی تشکیل شده در فصل مشترک بین یک بلور فوتونی مغناطواپتیکی نیمه بی نهایت و هوا در پیکربندی وُیت مورد بررسی قرار گرفته است. سه ساختار در نظر گرفته شده است، ساختار اول بلور فوتونی مغناطواپتیکی بدون گرافن است. ساختار دوم بلور فوتونی مغناطواپتیکی بر پایه ی گرافن است که در هرسلول واحد یک لایه گرافن قرار دارد. ساختار سوم همانند ساختار دوم بوده با این تفاوت که در هر سلول واحد دو لایه گرافن وجود دارد. خصوصیات حالت های سطحی تشکیل شده در هر سه ساختار به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی تنظیم پذیری حالت های سطحی، یک لایه گرافن به عنوان لایه ی پوششی در مرز مشترک بلور و هوا قرار گرفته و تغییرات ایجاد شده در حالت های سطحی در اثر افزایش انرژی فرمی مورد مطالعه قرار گرفته است. از روش ماتریس انتقال در به دست آوردن معادلات ساختار نواری و حالت های سطحی بهره گرفته شده است. همچنین نقش مهمی که لایه ی سطحی در ویژگی های حالت های سطحی بازی می کند مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده از این تحقیق نشان می دهند که حالت های سطحی بلور فوتونی مغناطواپتیکی در پیکربندی وُیت، دارای ویژگی ناوارونی هستند که با قرار گرفتن لایه ی پوششی گرافن در ساختار و تغییرات انرژی فرمی می توان این ویژگی را به طور موثری کنترل کرد. به علاوه حضور لایه ی پوششی گرافن باعث ظاهر شدن حالت های سطحی جدیدی در گاف ممنوعه ی اول می شود که یک سویه هستند. همچنین افزایش انرژی فرمی باعث افزایش بازه‏ی فرکانسی حالت های سطحی می شود، بنابراین با تغییر انرژی فرمی می توان حالت های سطحی را تنظیم کرد. در دو ساختار بر مبنای گرافن، حضور گرافن داخل بلور تغییراتی در ساختار نواری ایجاد می کند. ساختار نواری مربوط به بلور فوتونی که دارای یک لایه گرافن در هر سلول واحد است، ساختاری نامتقارن است. به علاوه، یک نوار مجاز در یک سمت از گاف اول ایجاد می شود. در مورد بلور فوتونی با دو لایه گرافن در هر سلول واحد، ساختار نواری تصویر یافته‏ی متقارن حاصل می شود که نوار مجازی در گاف اول این ساختار در هر دو جهت مثبت و منفی بردار موج انتشار ظاهر می شود. از این رو، می توان با تغییر انرژی فرمی مربوط به گرافن داخل بلور، ساختار نواری تصویر یافته و گاف های نواری را تنظیم کرد

Text of Note

Surface states are special types of localized waves that appear at the interface between different physical environments, which decay exponentially on either side of the interface and propagate at the interface. The properties of surface states are determined by the optical properties of the constituent materials. Nonreciprocity phenomenon occurs when surface waves are different in the positive and negative directions of the propagation wave vector, these waves are named nonreciprocal surface states. Photonic crystals are periodic structures affecting the propagation of an electromagnetic wave. When the photonic crystal is truncated by air from one side, surface states are formed at the interface between the crystal and the air. The properties of surface states formed in a photonic crystal, depend on the constituent materials and the structure of the photonic crystal. If materials like semiconductors that exhibit magneto-optic behavior under the influence of an external magnetic field are utilized in photonic crystals, magneto-optic photonic crystals are formed that exhibit unique optical and magneto-optical properties. The surface states formed in magneto-optic photonic crystals have nonreciprocal properties. The presence of graphene as the newest conductive thin film with controllable optical conductivity in magneto-optic photonic crystals plays a special role in tuning nonreciprocal surface states. In this thesis, the surface states formed at the interface between the semi-infinite magneto-optical photonic crystal and the air in the Voigt configuration are investigated. Three structures are considered, the first of which is a magneto-optical photonic crystal without graphene. The second structure is a graphene-based magneto-optical photonic crystal with a single layer of graphene per cell. The third structure is the same as the second structure, except that there are two layers of graphene in each unit cell. The properties of the surface states formed in all three structures are fully investigated. To investigate the tunability of surface states, a single layer of graphene is placed as a cap layer at the interface of the photonic crystal and the air, and the changes made in surface states due to the increase of the Fermi energy are studied. The transfer matrix method was used to obtain the equations of the band structure and surface states. The important role that the surface layer plays in the properties of surface states has also been investigated. The results of this study indicate that the surface states of the magneto-optical photonic crystal in the Voigt configuration have nonreciprocity properties that can be effectively controlled by placing a monolayer graphene as a cap layer in the structure and by changing Fermi energy. Furthermore, the presence of a graphene cap layer causes new surface states to appear in the first forbidden gap, which are unidirectional. moreover, the increase of the Fermi energy increases the frequency range of surface states, therefore, by changing Fermi energy, surface states can be tuned. In two graphene-based structures, the presence of graphene inside the crystal changes the band structure. The band structure of the photonic crystal that has one layer of graphene per unit cell is an asymmetric structure. In addition, an allowed band is created on one side of the first gap. In the case of the photonic crystal with two layers of graphene in each unit cell, a symmetrical projected band structure is obtained, with an allowed band appeared in the first gap of this structure in both positive and negative directions of the propagation wave vector. Hence, the projected band structure and the band gaps can be tuned by changing the Fermi energy of the graphene inside the crystal.

Variant Title

Surface states of magneto-optical photonic crystals in the presence of graphene

Entry Element

‏اتابکی،‏

Part of Name Other than Entry Element

‏زهره

Relator Code

تهيه کننده

Entry Element

‏سلطانی والا،

Entry Element

‏رضائی،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏علی

Part of Name Other than Entry Element

‏بهروز

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏ تبریز