عنوان

طراحی و تحلیل آشکارسازهای فوتوترموالکتریک گرافنی در بازه تراهرتز

شماره

پ۲۴۶۱۸

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

طراحی و تحلیل آشکارسازهای فوتوترموالکتریک گرافنی در بازه تراهرتز

نام نخستين پديدآور

لیلی مسعودی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسي برق و کامپيوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۳۹۹

نام خاص و کميت اثر

۱۰۶ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

کارشناسی ارشد

نظم درجات

مهندسی نانوفناوري گرایش نانوالکترونیک

زمان اعطا مدرک

۱۳۹۹/۱۱/۲۸

متن يادداشت

چکیده:پرتوهای تراهرتز در کاربردهای مختلفی ، از امنیت تا پزشکی ، استفاده می شوند. با این حال ، آشکارسازی حساس امواج تراهرتز در دمای اتاق بسیار دشوار است. در سالیان اخیر، گرافن به دلیل ساخت نسبتا آسان، جذب مستقل از طول موج، ضریب جذب بالا و دینامیک بسیار سریع حامل‌های بار به مادهای ایده آل برای آشکارسازها و همچنین سایر ادوات مخابراتی نظیر سوئیچ‌های نوری و فیلترهای فعال و ... بدل شده است. فرآیند مهم یک آشکارساز متکی بر تبدیل سیگنال نوری جذب شده به یک سیگنال الکتریکی است. آزمایشات اخیر تولید جریان نوری در گرافن، یک پاسخ نوری قوی در نزدیکی اتصال های فلز/گرافن را نشان می دهد. اثر فوتوترموالکتریک الکترون داغ در گرافن، یک مکانیزم آشکارسازی امیدوارکننده است؛ حاملهای برانگیخته شده توسط نور به دلیل اندرکنش های الکترون-الکترون قوی به سرعت گرم می شوند، اما انرژی را بسیار آرامتر، به شبکه، از دست می دهند. ظرفیت گرمایی الکترونیکی گرافن های تک لایه بسیار کمتر از مواد بالک است ، در نتیجه تغییر دما برای انرژی جذب شده یکسان ، بزرگتر خواهد بود. گرادیان دمایی الکترون ها موجب نفوذ آن ها ، و عدم تقارن ناشی از اعمال ولتاژ یا فلزات کانتکت نامشابه از طریق اثر ترموالکتریک جریان خالص ایجاد می کند ؛ چرا که هنگام اتصال فلز با گرافن ، اختلاف توابع کار فلز و گرافن موجب تغییر پتانسیل شیمیایی گرافن در محل کانتکت شده و درصورت استفاده از فلزات مختلف پتانسیل شیمیایی محلی نیز متفاوت خواهد بود.در این پایان‌نامه یک آشکارساز گرافنی در بازه تراهرتز با استفاده از اثر فوتوترموالکتریک در یک ساختار ساندویچی متناوب شامل لایه های فلز-دی الکتریک-گرافن به همراه نوارهای فلزی مکمل زیرین در تماس با لایه گرافن طراحی شده است که این نوارهای فلزی (کانتکت ها) در دو طرف کانال گرافن از جنس طلا و کروم قرار گرفتند تا با درنظر گرفتن اثرات اتصال فلز با گرافن ، پتانسیل شیمیایی محلی گرافن و در پی آن ضریب سیبک در دو طرف کانال نامتقارن بوده و طبق اثر سیبک ولتاژ تولیدی درون کانال غیر صفر باشد. جهت انجام شبیه سازی های نوری و بررسی جذب ساختار از روش تفاضل محدود در حوزه زمان (FDTD) و جهت شبیه سازی حرارتی از روش المان محدود (FEM) استفاده شده است. نتایج ارائه شده از شبیه سازی ها نشان دهنده ماکزیمم میزان جذب در حدود 86% از نور ورودی به ازای سطح فرمی0.07 eV در گرافن است. این آشکارساز برای ساختار بیان شده به عرض یک میکرومتر و به ازای تراز فرمی 0.05 eV و 0.07 eV گرافن ، در یک پریود به ترتیب دارای پاسخ دهی 12.77 V/W و 15.67 V/W و میزان توان معادل نویز(NEP) 235.77 و 156.67 در فرکانس رزونانس 7.6 THz و 7.5 THz خواهد بود؛ همانطورکه مشخص است میزان پاسخ دهی با عرض ساختار نسبت عکس دارد و میتوان با متمرکز کردن توان نوری در ناحیه باریک پاسخ دهی را تا چندین برابر افزایش داد. همچنین به دلیل استفاده از اثر فوتوترموالکتریک در این ساختار و عدم نیاز به اعمال ولتاژ بین کانتکت ها ، جریان تاریکی این افزاره کوچک و توان مصرفی نسبت به ادوات به کارگیرنده سایر مکانیزم های آشکارسازی بسیار کوچکتر خواهد بود.

متن يادداشت

Abstract: THz radiation has various applications from security to medical. However, sensitive detection of THz waves at room temperature has complications. In recent years, graphene has become an ideal material for detectors, as well as other telecommunications devices such as optical switches and active filters, due to its relatively easy fabrication, wavelength independent absorption, high absorption coefficient and very fast charge carrier dynamics.A fundamental process of a detector relies on the conversion of an absorbed optical signal into an electrical signal. Recent experiments producing photo-current in graphene have shown a strong optical response near metal / graphene junctions. The photo-thermoelectric effect of hot electrons on graphene is a promising detection mechanism. Light-induced carriers heat up rapidly due to strong electron-electron interactions, but lose energy much more slowly to the lattice. The electronic heat capacity of single-layer graphene is much lower than that of bulk materials, so the temperature change for the same absorbed energy will be larger. The temperature gradient of the electrons causes them to diffuse, and the asymmetry, arising from voltage biasing or using dissimilar contact metals, introduces pure current through the photo-thermoelectric effect; Because when metal is contacted to graphene, the difference between the work functions of metal and graphene changes the chemical potential of graphene at the contacted region, and if different metals are used, the local chemical potential will be different.In this thesis, a graphene detector in the terahertz range is designed employing photothermoelectric effect in a periodic sandwich structure consisting of metal-dielectric-graphene layers with underneath complementary metal strips in contact with the graphene layer. These metal strips (contacts) on both sides of the graphene channel were made of gold and chromium, so considering the effects of metal-graphene junction, the local chemical potential of graphene and consequently the Seebeck coefficient on both sides of the channel is asymmetric, and according to Seebeck effect, the output voltage inside the channel will be non-zero.The finite difference time domain (FDTD) method has been used to perform optical simulations and to study the structure absorption, and the finite element method (FEM) has been used for thermal simulation. The results of the simulations show the maximum absorption about 86% of the incoming light for 0.07 eV Fermi level of graphene. This detector has responsivity of 12.77 V/W and 15.67 V/W, noise equivalent power (NEP) of 235.77 and 156.67 , respectively, in resonance frequency of 7.6 THz and 7.5 THz for the proposed structure with a width of 1 µm for 0.05 eV and 0.07 eV graphene Fermi level. As it is apparent, the responsivity is inversely proportional to the width of the structure and can be increased several times by concentrating the light power in a narrow area. Also, due to the employing of photo-thermoelectric effect in this structure and the lack of need to apply voltage between the contacts, the dark current of this device is low and the power consumption will be much lower than the devices using other detection mechanisms. Also, by providing some suggestions and manners, further improvement of the detection performance is feasible in future devices.

عنوان گونه گون

Design and analysis of THz graphene photo-thermoelectric photodetectors

عنصر شناسه اي

‏مسعودی،

ساير عناصر نام

‏لیلی

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

‏صوفی،

عنصر شناسه اي

‏باغبان،

ساير عناصر نام

‏هادی

ساير عناصر نام

‏حامد

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏ تبریز