پاسخ فرکانسی سیستم نانویی در محدوده ی تراهرتز

پاسخ فرکانسی سیستم نانویی در محدوده ی تراهرتز

اسلاید 1: پاسخ فرکانسی سیستم نانویی در محدوده ی تراهرتز1

اسلاید 2: امواج با طول موج چند تراهرتز نامرئی هستند. این امواج در انتهای طیف مادون قرمز قرار دارد که برای تشخیص مواد منفجره در فرودگاه‌ها و طراحی دارو برای سرطان پوست بسیار مفید هستند. اخیرا، برای اولین بار، محققان آزمایشگاه ملی لورنس در برکلی با همکاری همتایان خود در دانشگاه کالیفرنیا موفق شدند دستگاهی از جنس گرافن بسازند که نسبتا به این امواج بسیار حساس بوده و در برابر آن پاسخ می‌دهند.2

اسلاید 3: در این دستگاه از روبان‌های گرافنی استفاده شده است. با تغییر پهنای این روبان‌ها و تغییر مقدار بار موجود روی آنها می‌توان نوسانات الکترون را تحت کنترل در آورد. نام این نوسانات پلاسمون است که مشابه ایجاد رنگ روی شیشه‌ها است. پلاسمون، به امواج نور مرئی با فرکانس بالا روی نانوساختارهای فلزی سه بعدی اطلاق می‌شود. اندازه و شکل نانوذرات تعیین کننده فرکانس این نوسانات است. از آنجایی که گرافن ماده‌ای دو بعدی است و الکترون‌ها قادرند تنها در دو بعد به حرکت درآیند.3

اسلاید 4: در گرافن دو بعدی، الکترون‌ها جرم اندکی داشته و در برابر میدان الکتریکی بسیار سریع پاسخ می‌دهند. 4

اسلاید 5: فرکانس پلاسمون، نوسانات این الکترون‌ها، به‌سرعت حرکت الکترون‌ها و بازگشت آنها به‌جای اولیه بستگی دارد. زمانی که یک پرتو با فرکانس مشابه مورد استفاده قرار گیرد، برانگیختگی رزونانسی اتفاق افتاده و افزایش قابل ملاحظه‌ای در قدرت نوسانات مشاهده می‌شود. از آنجایی که فرکانس این نوسان توسط پهنای روبان مشخص می‌شود، با تغییر این پهنا می‌توان سیستم را به‌نحوی تنظیم کرد که فرکانس‌های مشخصی را جذب کند5

اسلاید 6: محدوده تراهرتزی:امواج تراهرتز به امواج مغناطیسی رادیویی در محدوده فرکانس 0.1 تا 10 تراهرتز می باشد و انرژی فوتون 0.03_3mm و0.4_40mev می باشد6

اسلاید 7: 7

اسلاید 8: 8

اسلاید 9: امواج تراهرتز شامل پروتون ها که دارای انرژی کمی هستند باعث آسیب های همراه با یونیزاسیون رادیویی مانند امواج x_ray نخواهند شد چرا که برای بافت بیولوژیکی که بدن انسان را شامل میشود مضرنیستند. 9

اسلاید 10: قوانین تکنولوژی تراهرتز: منابع تراهرتز:دست آوردها در توسعه ی منابع تراهرتز:1.عملکرد فرکانس های دستگاه های مایکروویو و دستگاه های میلی متری در رنج تراهرتز2.منابع الکترون های آزاد مانند لیزر های الکترون آزاد و اسیلاتورهای امواج برگشتی (BWO)3.روش های اپتیکی که به عنوان تکنیک اصلی در بسیاری از وسایل تراهرتزی می باشد.4.جدید ترین نوآوری که به عنوان لیزر های کوانتوم آبشاری می باشد.(QCLs)10

اسلاید 11: نمایش تابع فرکانسی:11

اسلاید 12: منابع تراهرتز در دسترس: امیترهای تونلینگ لیزرهای الکترون ازاد اسیلاتورهای موج برگشتی لیزرهای گازی مبدل های اپتیکی پارامتری12

اسلاید 13: معایب منابع تراهرتز در دسترس: بزرگ بودن ان ها پیچیدگی نیازمند توان بزرگ هزینه ی زیاد13

اسلاید 14: وسایل الکترونیکی هادی: Gunn oscillator دیود های شاتکی مالتی پلایر های فرکانسی که توان خروجی را تحت تاثیر قرار می دهند. لیزرهای کوانتوم آبشاری که امیترهای تراهرتزی حالت جامد که در دماهای پایین عمل می کند. 14

اسلاید 15: دیود های گان (transferred electron device) IM PATT (impact avalanche transit time) diodes TUNNETT (tunnel injection transit time)diods این دیود ها منابع فرکانس بالا هستند. فواید این منابع در مقاومت تفاضلی منفی ادر مشخصه ولتاژ جریان است. 15

اسلاید 16: گان دیودها و IMPATT دیود ها با فرکانس 500_400 گیگا هرتز InP Gunn با 412 گیگا هرتز و 455 گیگا هرتز GaAs TUNNETs با 202 گیگا هرتز RTDs based on InGaAs/AlAs با فرکانس 915 گیگا هرتز HEMT) با فرکانس بیشتر از یک تراهرتز HBTs با فرکانس 765 گیگا هرتز در دمای اتاق و با فرکانس 855 گیگا هرتز در دمای 217 درجه سانتی گراد 16

اسلاید 17: در دست اوردهای اخیر : ترانزیستورهای بالستیک از جنس InGaAs-InAlAs با ساختار هیترووInP substrate با فرکانس 1.02 تراهرتز دست اوردهای اخیر در ژاپن ترانزیستور HEMT با فرکانس 2.1 تراهرتز از جنس AlGaN/GaN 17

اسلاید 18: مالتی پلایر از یک دیود واراکتور شاتکی بین ورودی و خروجی برای تطبیق اشکال: توان خروجی از توان ورودی کم تر با استفاده از HEMT از فرکانس 100 گیگا هرتز به 1 تا 3 هرتز میرسد که اتلاف توان را کمتر می کند18

اسلاید 19: منابع الکترون ها ی ازاد: لیزرهای الکترون ازاد تئان بالایی با فرکانس ترا هرتز دارند. گران قیمت فرکانس 0.3 تا 1.3 تراهرتز19

اسلاید 20: Terahertz Technology for Nano Applications, Fig. 3 (a) SEM Image of top view of ballistic deflection transistors. After [2]. (b) Schematics of the GaN/AlGaN plasmonic HEMT20

اسلاید 21: micro-VEDs (mVEDs).”21

اسلاید 22: HPA توان خروجی بالاتر از0 db 2 gain >20 dB at 1.03 THz.22

اسلاید 23: Optical THz Emission Techniquesتکنیک های اپتیکی جذب تراهرتزی0.9–3 THz توسط لیزر دی اکسید کربن23

اسلاید 24: Quantum Cascade Lasers لیزرهای کوانتوم ابشاری:FIR منبع فرکانس رادیویی توسط یک حامل که بین دو سطح که به فوتون هایی که در حال تونل زنی به یکی از انواع حامل ها که در یک چاه دوقلو استاین لیزر با توان 2 میلی وات و در فرکانس 4.4 تراهرتز عمل می کند.24

اسلاید 25: 25

اسلاید 26: 26

اسلاید 27: 27

اسلاید 28: در سیستم های ارتباطاتی توجه قابل ملاحظه ای با فرکانس حامل بالای 100 گیگا هرتز است که باعث به وجود آمدن پهنای باند زیاد جهت انتقال اطلاعات با سرعت داده بالا می باشد.28

اسلاید 29: 29

اسلاید 30: 30

اسلاید 31: انتقال امواج الکترومغناطیس با فرکانس بالای 500 گیگا هرتز توسط دانی لو ووالدمن گزارش شده است.این اندازه گیری ها مراحل مختلفی از رطوبت را با طول 1.7 متر با استفاده از هلیوم مایع همرا با سیلیکون انجام داده 31

اسلاید 32: گپ تراهرتز بر خلاف پتانسیل بالای امواج الکترومغناطیس اگرچه که حداقل ناحیه ی منشور الکترومغناطیس را در چندین دوره در مقایسه با دست آوردهای دستگاه های فوتونیک و الکترونیکی مایکروویو حفظ کرده است.اغلب آن را به عنوان گپ تراهرتز می دانند. 32

اسلاید 33: در طول دو دهه اخیر نتایج .آزمایشگاهی با اسپکتروسکوپ تراهرتزی و تصویربرداری تراهرتزی توسط گریسچوسکی انجام شده که باعث روزنه ای برای وسایل با امواج تراهرتزی شده است. 33

اسلاید 34: 34

اسلاید 35: 35

اسلاید 36: نانو الکترونیک در تکنولوژی تراهرتز: امروزه این شاخه از نانو تکنولوژی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در بیشتر رشته ها که تمام زمینه های علم نانو تکنولوژی را پوشش می دهند مطرح می شود.کنترل این موضوع در ابعاد نانو شامل ابزارهای نانو می شود.دیمانسیون زیر 100nm دیمانسیون در ابعاد نانو است. در واقع هرچقدر ابعاد کوچکتر می شود ، خواص فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی می توانند تغییر کنند36

اسلاید 37: ذرات طلا وابستگی محکمی به ابعاد نانو دارند که بسته به تغییر نسبت اتم های حجیم به سطح اتم ها می باشند.37

اسلاید 38: 38

اسلاید 39: 39

اسلاید 40: تعداد زیادی از این دستگاه های جدید پدیدار شدکه برپایه ی مواد جدید و روش هایی از قبیل FET های نانو تیوب کربنی وترانزیستورهای ساخته شده با گرافین ودیود تونل زنی رزونانسی و FET های جهت دار و دیود های مسطح و FET های نانو وایر بود.این دستگاه ها نه تنها در محدوده ی نانو مقیاس کارمی کنند بلکه می توانند با استفاده از قانون مور شرح داده شوند ولی همچنین دارای پتانسیل بزرگی جهت کار در محدوده تراهرتز با وسایل هستند.40

اسلاید 41: 41

اسلاید 42: ترانزیستورHEMT (ترانزیستوربا موبیلیتی بالای الکترون) به عنوان FET دوپ شده یا HFET به طور معمول در دستگاه های با فرکانس رادیویی شناخته شده اند42

اسلاید 43: نقطه ی اتصال باعث می شود در کانال هیچ نوع پراکندگی اتفاق نیفتد که ترانزیستور با موبیلیتی و بازده بالا باشد.پیوند هیتروجانکشن توسط دو نوع ماده با شبکه ی ثابت تشکیل می شود.موادی که استفاده می شود آلومینیوم گالیم آرسناید و گالیم آرسناید که شبکه های ثابت متفاوتی دارند دارای نقص های کریستالی هستند که عملکرد دستگاه را پایین می آورد.43

اسلاید 44: 44

اسلاید 45: لایه ی بافر بین هیتروجانکشن متامورفیک نامیده می شود45

اسلاید 46: ترانزیستور PHEMT46

اسلاید 47: ترانزیستور NHEMT47

اسلاید 48: 48

اسلاید 49: در حال حاضر بالاترین فرکانس قطع با GaAs pHEMT وGaAs mHEMT با فرکانس 152 گیگاهرتز با طول گیت 100 نانو متر و 660 گیگا هرتز با طول گیت 20 نانو متر است.49

اسلاید 50: RTD یک نانو دستگاه است که از تغییرات فیزیکی در ابعاد نانو بهره می گیرد.اساس ساختمان تشکیل شونده ی از دو مرز غیر نفوذی که توسط چاه کوانتومی غیر نفوذی که به طول 5 نانو متر در بین این مرز ها قرار گرفته است تشکیل شده است.50

اسلاید 51: دیود بریر شاتکی SBD به طور متداول در آشکارسازی امواج الکترومغناطیس تراهرتزی به کار می رود.51

اسلاید 52: نانو انتن های پلاسمونیکنانو آنتنهای پالسمونیکی که در ناحیههای مرئی و مادونقرمز کار میکنند منجر به روشهای جدیدی برای دستکارینور و ساخت وسایل موجبری شدهاند. چنین ساختارهاییروشی جدید را برای به دام انداختن، کنترل و دستکاری نوردر مقیاس نانو ارائه میکنند؛52

اسلاید 53: اینکارازطریق تحریک مجموعهای از الکترونهای نوسانکننده که به پالسمونهای سطحی معروف هستند صورت میگیرد. پالسمونهای سطحی در زمینههای زیادی از جمله طیفسنجی جذب تقویت شدهی سطحی مادون قرمز مورد استفاده قرار گرفتند53

اسلاید 54: تابش الکترومغناطیسیعمود باعث تحریک پالسمونهای سطحی ومدهای تاریکوروشن میشود. فلز آنتنها نقره،طال، مس و آلومینیوم میباشد.54

اسلاید 55: درS=0 nm، فقط مد مرتبهی اول برانگیخته میشود و تنهایک تک رزنانس در طیف عبوری تمام نانوساختارها قابلمشاهده است؛ منشأ اصلی این رزنانس از تحریک مددوقطبی گونهی داخل نوار فلزی عرضی آنتن H-شکل می-باشد. جفتشدگی بین آنتنها هنگامی اتفاق میافتد کهتقارن ساختار شکسته شود )S≠0( و مدهای مرتبهی دومشروع به تحریک کنند. 55

اسلاید 56: جفتشدگی قوی نور فرودی با آنتندوقطبی H-شکل در S≠0 باعث تحریک آنتنهای چهارقطبی شد، که به خودی خود نمیتوانستند با نور فرودیتحریک شوند. عملکرد سیستمها بصورت تحریک مستقیمآنتن دوقطبی توسط میدان نور فرودی خارجی بر سیستم وتحریک غیرمستقیم آنتنهای چهار قطبی از طریق جفت-شدگی متقابل بین دو آنتن در S≠0 میباشد. این اثر مشاهدهشده در نمودارهای عبور به اثر شفافیت القاییالکترومغناطیسی پالسمونیکی معروف است که با شکستنتقارن هندسی سیستم حاصل شد.56

اسلاید 57: به تدریج مد مرتبه ی دوم در سیستم )فرکانس رزونانس دوم( ظاهر میشود. در S=70این اثر به تدریج قویتر شده و در S=190 nm در طیفعبوری سیستم دومین مینیمم بسیار قوی ظاهر شده که باعثایجاد یک پیک عبوری در نمودار ضریب عبور میشود، کهنتیجهای از تداخل ویرانگر در سیستم است. در نمامنانوساختارها با افزایش S یک جابجایی کم مد مرتبه ی دومبه سمت فرکانسهای بالاتر داریم یعنی در سیستم یکblue-shift داریم. افزایش S همچنین یک red-shift) کم در مد مرتبه ی اول خواهد داشت؛57

اسلاید 58: فرکانس رزونانسهمه ی مدها با افزایش ضریب شکست دی الکتریکجداکننده، کاهش پیدا میکند58

اسلاید 59: 59

اسلاید 60: نانو آنتن های پلاسمونیکی پیشنهادیمیتوانند در کاربردهای آشکارسازی مولکولهایی که مدارتعاشی آنها در ناحیه IR است مورد استفاده قرار گیرند. 60

اسلاید 61: مراجع: 1. J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtori, A.L.Hutchinson, A.Y.Cho, Science 264, 553(1994).2. J.Faist, F.Capasso, C.Sirtori, Appl. Phys. Lett. 66, 538 (1995).3. R. F. Kazarinov and R. A. Suris, Fiz. Tekh. Poluprovodn. 5. 797 (1971) [Sov. Phys. Semicond. 5,707 (1971)].4. R. F. Kazarinov and R. A. Suris, Fiz. Tekh. Poluprovodn. 6. 148 (1972) [Sov. Phys. Semicond. 6.120 (1972)].61

اسلاید 62: 5. L. Diehl, D. Bour, S. Corzine, J. Zhu, G. Hofler, M. Loncar, M. Troccoli, and F. Capasso, Appl.Phys. Lett. 88, 201115 (2006).6. Qi Jie Wang, C. Pflug, L. Diehl, F. Capasso, T. Edamura, S.Furuta, M. Yamanishi, and H. Kan,Appl.Phys.Lett. 94, 011103 (2009).7. C. Gmachl, F. Capasso, D.L. Sivco, A.Y. Cho, Rep.Prog.Phys. 64, 1533 (2001).8. F. R. Giorgetta, E. Baumann, and D. Hofstetter, C. Manz, Q. Yang, and K. Kohler, M. Graf,Appl.Phys.Lett. 91, 111115 (2007).9. D.Hofstetter, F. R. Giorgetta, E. Baumann, Q. Yang, C.Manz, and K. Kohler, Appl.Phys.Lett. 93,221106 (2008).10. E. I. Golant, A. B. Pashkovskii, Semiconductors, 34, 327 (2000).62

اسلاید 63: 11. A. B. Pashkovskii, JETP Letters, 82, 210 (2005).12. V. F. Elesin, JETP 94, 794 (2002).13. V. F. Elesin, JETP 100, 116 (2005).14. N.V. Tkach, Yu.A. Seti, Low Temperature Physics, 35, 556 (2009).15. N.V. Tkach, Yu.A. Seti, Phys. Sol. State, 53, 590 (2011).16. E. I. Golant; A. B. Pashkovskii; A. S. Tager, Semiconductors, 28, 436 (1994).63

اسلاید 64: THANKS FOR YOUR ATTENTION64