کاربرد نانو ذرات پلاسمونیک در ادوات الکترونیکی

کاربرد نانو ذرات پلاسمونیک در ادوات الکترونیکی

اسلاید 1: 1کاربرد نانوذرات پلاسمونیک در ادوات الکترونیکي هادی بشیریاستاد: پرفسور شهرام محمد نژاددانشکده مهندسی برق و الکترونیک دانشگاه علم و صنعت ایرانبهار 1394

اسلاید 2: 2سرفصل مطالبمقدمهانواع پلاسمونعوامل موثر بر پاسخ طیفی نانوذرات پلاسمونیکآشکارسازهای نوری پلاسمونیکسلول های خورشیدی پلاسمونیکلیتوگرافی با ذرات پلاسمونیک

اسلاید 3: 3مقدمه تعريف: پلاسمونيك علمي است كه به مطالعه برهم كنش نور با ساختار هاي فلزي مي پردازد. اين برهم كنش بين نور و فلز باعث ايجاد نوسانات تجمعي الكترون هاي باند ظرفيت فلز مي شود. پلاسمون ها، نوسانات جمعي الكترون هاي لايه رسانايي هستند كه در اثر قرار گرفتن فلز در ميدان خارجي به وجود آمده اند بسامد اين نوسانات منطبق بر بسامد پلاسماي ماده است.

اسلاید 4: 4مقدمهپلاسمون های نانو ذرات طلا نور سبز را منعکس و نور قرمز را عبور می دهند.هنگامیکه نور از بیرون به کاپ برخورد می کند سبز رنگ به نظر میرسد و هنگامیکه نور به درون آن تابیده می شود قرمز به نظر می رسد (روم باستان)استفاده از نانو ذرات طلا به عنوان رنگدانه در شیشه های پنجره (قرن 17 میلادی در نتردام)The Lycurgus CupRose Window

اسلاید 5: 5مقدمهچرا از پلاسمونیک استفاده می کنیم؟طول موج بلند نور ( چند ميكرومتر) مانع از توسعه الكترونيك نوري در مقياس نانو مي شديك راه ممكن براي غلبه بر اين محدوديت تبديل كردن نور به پلاسما بود.پلاسما طول موج بسيار كوتاهتري نسبت به نور دارند و مي تولنند مانند يك سيگنال الكترونيكي منتشر شوند.طول موج الكترون هاي منتشر شده پلاسما در حد چند نانومتر است

اسلاید 6: 6انواع پلاسمونپلاسمونیک به دو جزء تقسیم می شود :پلاسمون های سطحی (Surface Plasmon)پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon)پلاسمون پلاریتون های سطحی (Surface Plasmon Polariton)

اسلاید 7: 7انواع پلاسموناثر پلاسمون های سطحی:پلاسمون های سطحی نوسانات همدوس الکترون های تراز هدایت سطح یک فلز هستند كه با تحريك نور (پرتو الكترومغناطيسي) برسطح مشترك فلز-نيمه هادي ايجاد مي شوند.

اسلاید 8: 8انواع پلاسمونپلاسمون پلاریتون های سطحی :تحریک های الکترومغناطیسی هستند که به الکترون های آزاد جمع شونده و نوسان کننده سطحی در فلزات تزویج می شوند تا بتوانند به طور طولی در سطح تقاطع فلزدی الکتریک انتشار یابند.

اسلاید 9: 9انواع پلاسمون+++---+-+kپلاسمون ها درون ماده با فرکانس p نوسان می کنند که توسط چگالی وجرم موثر الکترون های آزاد تعیین می شودفرکانس نوسانات پلاسمون های سطحی در نانوذرات توسط رابطه زیر بیان می شود.

اسلاید 10: 10عوامل موثر بر پاسخ طیفی نانوذرات پلاسمونیکاثر محيط پيك رزونانس پلاسمون هاي سطحي با تغيير وي‍ژگي دي الكتريك ماده و شرايطي كه در آن قرار گرفته است از جمله زيرلايه ، حلال و ماده جاذب نور تغيير مي كند. شيفت طول موج نانوذره كروي نقره در محيط هوا (a) به محيط روغني با ثابت دي الكتريك 1.44 (b)

اسلاید 11: 11عوامل موثر بر پاسخ طیفی نانوذرات پلاسمونیکاستفاده از غشاي نانويي براي كنترل طول موج رزونانس در يك طيف وسيع

اسلاید 12: 12عوامل موثر بر پاسخ طیفی نانوذرات پلاسمونیکاثر تركيب نانوذره، اندازه و شكل نانو ذره بر شكل طيف نوري و به ويژه طول موج رزونانس λmax

اسلاید 13: 13كاربردهاي نانوذرات پلاسمونيكوي‍ژگي هاي شاخص نانو ذرات موجب مي شود كه كاربرد گسترده اي در:ميكرو الكترونيكسنسورهاي شيمياييليزرهاي نقاط كوانتوميلیتوگرافیسلول هاي خورشيديآشكارسازهاي نوري و...

اسلاید 14: 14آشكار سازهاي نوري پلاسمونيكبا قرار دادن یک لایه نیمه هادی جاذب نور در حد نانو، بین دو الکترود با فاصله کم، می توان به یک آشکارساز MSM با راندمان بیش از 50% و فرکانس قطع بزرگتر از 300 GHz دست یافت.(2004) این ساختار برای طول موج 800nm طراحی شده است.نوسانات SPP بین توری براگ (صفحات متناوب در راستای انتشار موج) فلزی بالایی و پایینی ساختار که برای این نوسانات به صورت آیینه عمل می کند، به دام افتاده و باعث می شوند تا بیشترین انرژی در نزدیکی روزنه ها متمرکز شود.

اسلاید 15: 15آشكار سازهاي نوري پلاسمونيكدر سال 2010، یک ساختار آشکارساز MSM باتوری براگ فلزی پیشنهاد داده شد .تشعشعات SPP بوجود آمده در مرز نیمه های و فلز توری براگ شده، باعث می شود تا ضریب جذب نسبت به MSM هایی با روزنه زیر طول موج و بدون توری براگ فلزی، 16 برابر بهبود پیدا کند.

اسلاید 16: 16آشكار سازهاي نوري پلاسمونيكبه جای استفاده از ساختار توری براگ دوتایی، از یک ساختار مشابه با شکل زیر استفاده شود که در آن به جای استفاده از لایه توری پراش دوم از نانو ذرات استفاده شده است.تشعشعات پلاسمونیک در این NPها باعث بهبود بیشتر ضریب جذب می شود. (2013)ضریب جذب نسبت به MSMهای معمولی، 28 برابر و نسبت به MSM با نانوتوری پراش فلزی و روزنه زیر طول موج، 3.5 برابر بهبود یافته است

اسلاید 17: 17سلول هاي خورشيدي پلاسمونيكپلاسمون های سطحی در سلول های خورشیدی

اسلاید 18: 18سلول هاي خورشيدي پلاسمونيكاستفاده از نانو ذرات پلاسمونیک در سلول های خورشیدی نازک. در این سلول ها بخش عمده ای (حدود 60%) از نور تابیده شده از سلول خورشیدی عبور می کند.برای به دست آوردن بازدهی بالاتر طیف نوری با طول موج عبوری را با نانوذرات فلزی به درون مدیوم انعکاس داده می شود

اسلاید 19: 19سلول هاي خورشيدي پلاسمونيكاستفاده از نانو ذرات پلاسمونیک در سلول های خورشیدی نازک سیلسیومدر این ساختار نور را هم از جلو هم از پشت سلول می توان تاباندضخامت لایه تله نور 750-1200 نانومتر است

اسلاید 20: 20سلول هاي خورشيدي پلاسمونيكنتایج اندازه گیری افزایش راندمان با استفاده با استفاده از نانو ذرات در ساختار های مختلفبازدهی کوانتومی تا 5 در صد افزایش48 درصد افزایش جریان اتصال کوتاه13 درصد آن به دلیل تله انداختن نور بوده است.35 درصد بخاطر پوشش ضد انعکاس

اسلاید 21: 21سلول های خورشیدی پلاسمونیکStructure of the a-Si solar cell under simulation.استفاده از نانو ذرات آلومینیوم بر روی سیلیکون آمورف با زیرلایه آلومینیوم(2011)

اسلاید 22: 22سلول های خورشیدی پلاسمونیکنرخ جذب فوتون به صورت تابعی از طول موج با نانو ذرات Al, Ag و Au بر روی سلول خورشیدی برای مقایسه ، نرخ جذب فوتون در حالتی که هیچ نانو ذرهای مورد استفاده قرار نگرفته است نیز نشان داده شده است.شار فوتون ها در AM 1.5G نیز ترسیم شده است

اسلاید 23: 23سلول های خورشیدی پلاسمونیکمقایسه نرخ جذب فوتون ها با نانو ذرات Al, Ag و Au بر روی سلول خورشیدی به صورت منفرد با حالتی که به صورت آرایه های متناوب مورد استفاده قرار گرفته اندبرای مقایسه ، نرخ جذب فوتون در حالتی که هیچ نانو ذرهای مورد استفاده قرار نگرفته است نیز نشان داده شده است.شار فوتون ها در AM 1.5G نیز ترسیم شده است

اسلاید 24: 24سلول های خورشیدی پلاسمونیکنمای شماتیک از ساختار سلول خورشیدی آمورف سیلیکون n-i-p با ذرات پلایمونیک در پشت آن (2013)نانوذرات پلاسمونیک بر روی لایه glass/Ag/AZO/Ag چسبانده شده اند

اسلاید 25: 25سلول های خورشیدی پلاسمونیکالف) بازدهی پراکندگی و جذب برای نانوذرات نقره کروی به ازای شعاع های مختلف داده شده استب) بازدهی تشعشع رامان به ازای مقادیر مختلف شعاع نانو ذره و طیف تابشی از 500تا nm 1100

اسلاید 26: 26سلول های خورشیدی پلاسمونیکالف) تصویر SEM از نانو ذرات نقره در دمای 200و 400 درجه سانتی گرادب) انعکاس کلی و Haze در انعکاس برای نانو ذرات نقره در دمای 200و 400 درجه سانتی گرادج) بازدهی کلی و ضریب جذب کلی دمای 200و 400 درجه سانتی گراد

اسلاید 27: 27استفاده از پلاسمونیک در لیتوگرافیپروفایل میدان یک نانو کره پلاسمونیک

اسلاید 28: 28استفاده از پلاسمونیک در لیتوگرافیالف) آرایه ای متناوب از نانوذرات فلزیب) افزایش شدت میدان(نور) بر اثر پدیده پراکندگی رامان به ازای λ=0.6μm ج) افزایش شدت میدان(نور) بر اثر پدیده پراکندگی رامان به ازای λ=1.5μm

اسلاید 29: 29استفاده از پلاسمونیک در لیتوگرافیمیدان شکل گرفته در اطراف نانوذره با طول موج بسیار کوچکتری موجب نرم شدن رزیست می شود.

اسلاید 30: 30استفاده از پلاسمونیک در لیتوگرافیمقایسه تفکیک نگاشت توسط لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی با استفاده از نانو ذرات پلاسمونیکEXPOSEDEVELOPProjection lithographysmallest feature size ~Plasmon printingsmallest feature size ~0.1 

اسلاید 31: 31استفاده از پلاسمونیک در لیتوگرافیرزولوشن نهایی

اسلاید 32: 32جمع بندی مطالب تعریف پلاسمونیک و انواع پلاسمون مورد بررسی قرار گرفت. پاسخ نانو ذرات و چگونگی جابجایی طول موج رزونانس بیان گردید.کاربرد نانو ذرات در ساخت آشکارسازهای نوری بیان شد.کاربرد نانو ذرات پلاسمونیک در ساخت سلول های خورشیدی بیان شد.نحوه استفاده از نانو ذرات پلاسمونیک در نانو لیتوگرافی بیان شد.

اسلاید 33: 33پرسش و پاسخ