نانو قطعات الکترونیکی و نوری

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 5, 2013

• #1

کاربردهای فناوری نانو » نانو قطعات الکترونیکی و نوری
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------



1- ترانزیستور های حالت جامد اثر کوانتومی
2- ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه مواد نیمه هادی آلی
3- علم پلاسمونیک
4- آشنایی با آشکارسازهای نوری فلز-نیمه­ هادی-فلز پلاسمونیک

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #2

ترانزیستور های حالت جامد اثر کوانتومی

ترانزیستور های حالت جامد اثر کوانتومی

در این مقاله به بررسی ترانزیستورهای در مقیاس نانو برای استفاده در کامپیوتر های با مدار مجتمع الکترونیکی بسیار فشرده می پردازیم. به منظور کوچک سازی بیشتر اجزای مدار به مقیاس نانو، شاید حتی مقیاس مولکولی، محققان چندین جایگزین برای ترانزیستور در مدار فوق فشرده، پیشنهاد داده اند. این وسایل الکترونیک نانومقیاس شبیه ترانزیستورهای حال حاضر، هم به عنوان سوئیچ و هم به عنوان تقویت کننده عمل می کنند. اما، بر خلاف ترانزیستورهای اثر میدانی امروزی، که بر اساس حرکت توده الکترون در ماده حجیم عمل می کند، وسیله جدید، از پدیده های مکانیک کوانتومی سود می برد که در مقیاس نانو اتفاق می افتد. در این مقاله ابتدا ترانزیستورهای معمول مورد بررسی قرار می گیرد و محدودیت های آن و مشکلات کوچکترسازی آنها مطرح می شود و برای حل این مشکل ترانزیستورهای حالت جامد که از اثرات کوانتومی در مقیاس نانو بهره می گیرند، پیشنهاد می شود و از این میان، نمونه ترانزیستور تونل زنی رزونانسی بحث خواهد شد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #3

1- مقدمه
در 50 سال اخیر، کامپیوترهای الکترونیکی، خیلی قدرتمندتر از گذشته شده و ترانزیستورها به تدریج کوچکتر گردیده اند. به هر حال، کاهش در اندازه ترانزیستورهای اثر میدانی حال حاضر، در زمانی نه چندان دور به علت اثرات مکانیک کوانتومی و محدودیت تکنیک های ساخت، غیر ممکن خواهد بود. بسیاری از محققان که در زمینه پروژه های الکترونیک نسل بعدی کار می کنند، تاکید دارند که در سال های آینده همین که تولید انبوه ترانزیستور از اندازه فعلی شان تا زیر 100 نانومتر کاهش می یابد، ساخت وسیله مشکل و گران می شود. به علاوه، دیگر نمی توانند به صورت مدار مجتمع فوق فشرده، به خوبی عمل کنند. برای غلبه بر این مشکل، اساسا دو کلاس اصلی از سوییچ های نانوالکترونیک مطرح هستند که به عنوان تقویت کننده نیز به کار می روند.
• وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
• وسایل الکترونیک مولکولی
وسایل در هر دو کلاس از اثرات کوانتومی متفاوت در مقیاس نانو بهره می برند.
ساخت وسیله نانوالکترونیک اثر کوانتومی در حالت جامد، رهیافتی است که توسط بیشتر گروه های تحقیقاتی، در پیش گرفته شده است. این روش، وسیله جدید را بر اساس مواد نیمه رسانایی که سابقا استفاده می شده است را با ساختار جدید، پیشنهاد می کند. الکترونیک مولکولی رهیافت نوینی دیگری است که هم اساس کار و هم مواد مورد استفاده را تغییر می دهد. محرک چنین رویکردی این است که ساختار مولکول خود در مقیاس نانومتر است. در اینجا ابتدا ساختار ترانزیستور امروزی را تشریح و محدودیت های کوچک سازی بیشتر آن را بررسی می کنیم و سپس از رویکرد وسایل اثر کوانتومی حالت جامد، به نوع تونل زنی رزونانسی آن، می پردازیم.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #4

2-ساختار و عملکرد MOSFET
از زمانی که شاتکی در سال 1954، ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز((Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect transistor (MOSFET) را ارائه داد، متدوال ترین ترانزیستورهای مدارهای دیجیتال میکروالکترونیک بوده اند. مدار طراحی شده MOSFET توان اندکی را مصرف می کند و ساخت آن از نظر اقتصادی با صرفه است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ترانزیستور اثر میدانی، 3 خروجی دارد که چشمه، درین(Drain)، و گیت(Gate) نامیده می شوند. اگر چه طراحی جدیدی(وسیله تونل زنی رزونانسی) که در اینجا برای وسیله سوئیچ کننده الکترونیکی نانومقیاس بحث می شود اصول عملکردی متفاوتی نسبت به MOSFET دارد، دارای مشترکات ضروری چشمه، درین، و معمولا گیت با نقش مفهومی مشابه MOSFET می باشند. کانالی که در آن جریان از چشمه به درین انتقال پیدا می کند به طور چشمگیری تغییر می کند تا گذار به سمت نانو الکترونیک ممکن شود. بنابراین، برای معرفی اجزای وسیله و مقایسه با تکنولوژی نانو مقیاس، به صورت خلاصه عملکرد MOSFET را توضیح می دهیم.
نام ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز از مواد تشکیل دهنده آن نشئت می گیرد. MOSFETها بر اساس زیر لایه های کریستالی از نیمه رسانای سیلیکونی آلاییده شده به مواد دیگر، ساخته می شوند. از آنجاییکه سیلیکون خالص، نیمه رسانای بسیار ضعیفی است، بنابراین ناخالصی هایی مانند برون و آرسنیک، به سیلیکون اضافه می شود که بارهای مثبت و منفی آزاد بیشتر ایجاد می کند. سیلیکون آلاییده شده به صورت منفی (آلاییده نوع N)، شامل الکترون های آزادی هستند که قادرند که در طی نیمه رسانای حجیم حرکت کنند. آلایش مثبت (آلاییده نوع P) سیلیکون، شامل حفره هایی(جای خالی الکترون) است که به عنوان بار مثبت عمل می کند که آزادانه حرکت می کند.
الکترود فلزی که به عنوان گیتِ MOSFET استفاده می شود با واسطه¬ی سد اکسیدی عایق، از نیمه¬رسانای پایین خود جدا می¬شود. میدان الکتریکی مرتبط با الکترود گیت، شار جریان از چشمه به درین را کنترل می¬کند و به این دلیل است که وسیله اثر میدانی نامیده می شود. وقتی ولتاژ اعمالی روی گیت پایین است، نیمه رسانای بین چشمه و درین مقدار کمی جریان را عبور می دهد. این در شکل b1 نشان داده شده است. اما ، همانطور که در قسمت c1 نشان داده شده، افزایش این ولتاژ الکترون ها را در ناحیه زیر گیت جمع می کند و کانال باز شده اجازه می دهد مجموعه ای از الکترون ها از چشمه به سمت درین شارش یابد، که باعث افزایش چشمگیر جریان می شود.
تغییر کوچک ولتاژ گیت، تغییر زیادی را در رسانش ایجاد می کند و این تغییر چشمگیر در رسانش، MOSFET را یک وسیله دو وضعیتی می کند. از این روMOSFET را می توان به عنوان تقویت کننده نیز استفاده کرد، که در آن حالت می تواند جریان را در یک مدار تقویت کند. وسایل نانوالکترونیک برای استفاده برای کامپیوتر نیز باید دارای دو نقش یعنی دو وضعیتی بودن(سویچینگ) و تقویت کننده باشد.
در گذشته، متداول ترین راه برای ساخت مدار کوچکتر الکترونیکی، کوچک کردن تمام ابعاد اجزای مدار با فاکتور ثابت بوده است که فرآیند تغییر اندازه(Scaling) نام دارد.تغییر اندازه به صورت نرخ نمایی پیش می رود، که از زمان اختراع مدار مجتمع توسط کیبلی در سال 1958 این افزایش در تعداد ترانزیستورها روی تراشه، هر 18 ماه دو برابر شده است. به هر حال، همین که MOSFET به اندازه 100 نانو متر و کمتر می رسد، صرفه اقتصادی تغییر اندازه مدار فشرده، رو به کاهش می رود.

​

​

شکل 1-ساختار و عملکرد MOSFET
​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #5

3-مشکلات در کوچکترسازی بیشترFET
امروزه ترانزیستور های منفرد با طول گیت 40 نانومتر با سیلیکون ساخته شده است. ترانزیستور های با طول گیت کمتر از 25 نانومتر نیز با گالیم آرسناید ساخته شده است. در شبکه فشرده چنین ترانزیستورهایی، جریان انتقالی به ترانزیستور به دلیل نازکترشدن سیم رابط، کاهش می یابد این یکی از موانع موجود در مقابل کوچک سازی است که به ساختار ترانزیستور مربوط نمی شود.
تعدادی از موانعی که تغییر اندازه FET(Field Effect Transistor) با آن مواجه است در پایین آمده است:

• بدلیل اینکه ولتاژ بایاس بر روی فاصله کمی اعمال می شود میدان قوی است و جریان آنی الکترون اتفاق می افتد که می تواند موجب شکست بهمنی(افزایش یکباره جریانی که عبور آن در توان نیمه رسانا نیست و در پی آن سوختن وسیله را به همراه دارد) شود. این مساله باعث بوجود آمدن مشکل جدی، در تبدیل نیمه رسانای حجیم به وسیله نانوالکترونیک می شود.
• ترانزیستور تا حدی می تواند گرما را تحمل کند و گرمای زیاد موجب نقص عملکرد آن می شود. برای وسیله نانو مقیاس این موضوع جدی تر است.
• نایکنواختی نیمه رسانای آلاییده شده در مقیاس کوچک. این مشکل با آلاییده نکردن نیمه رسانا و یا استفاده از اتم های آلاییده در آرایه بسیار مرتب قابل حل است. استفاده از نانوالکترونیک مولکولی راه حل دیگر است.
• افت حجمی ناحیه تهی. وسایل نانو مقیاس به قدری نازک می شوند که وقتی وسیله خاموش است نمی توان از تونل زنی کنترل نشده الکترون ها از چشمه به درین، جلوگیری کرد.
• افت حجمی و ناهمواری لایه اکسیدی نازک زیر گیتی که عامل جلوگیری نشت الکترون از گیت به درین است، باعث تونل زنی کنترل نشده می شود.

4-وسایل نانوالکترونیک اثر کوانتومی حالت جامد
تعدادی جایگزین برای ترانزیستورهای نیمه رسانای حالت حجیم حفظ عملکرد آنها در مقیاس نانو پیشنهاد شده است که از اثرات کوانتومی بهره می گیرند و بر مشکلات بالا فائق می آید. ساختار ضروری که تمام این وسایل از آن بهره می برند، جزیره ( ناحیه محصور شده بین عایق برای جلوگیری از اثر تونل زنی در ترانزیستور) کوچکی متشکل از نیمه رسانا و یا فلز است که محدود شده اند. این جزیره در وسیله نانوالکترونیک نقشی را شبیه به آنچه کانال جریان در FET بازی می کند، دارد و با ساختن چاه پتانسیل در کانال زیر گیت، عبور جریان از چشمه به درین را امکان پذیر می کند. میزان محدودیت الکترون در جزیره، نوع وسیله نانوالکترونیک حالت جامد را با طبقه بندی زیر معین می کند:

• نقاط کوانتومی: الکترون ها در جزیره، دارای صفر درجه آزادی هستند.
• وسیله تونل زنی رزونانس: الکترون در جزیره، دارای یک یا دو درجه آزادی هستند.
• ترانزیستورهای تک الکترونی: الکترون ها دارای 3 درجه آزادی هستند.
ترکیب، شکل، و اندازه جزیره، انواع مختلفی از وسیله نانو الکترونیک را می دهد. در بحث های بعدی به بررسی وسیله نوع دوم یعنی تونل زنی رزونانس می پردازیم.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #6

5-جزایر، چاه پتانسیل، و اثر کوانتومی
کمترین اندازه جزیره در وسیله نانو الکترونیک از 5 تا 100 نانومتر است. جزیره می تواند شامل ناحیه کوچک و یا لایه متفاوت از مواد اطرافش باشد. اغلب، جزیره در بین دیواره ایی از مواد دیگر مثلا اکسید عایق قرار می گیرد. در بیشتر موارد، جزیره با سد انرژی پتانسیل، که از حرکت الکترون ها به داخل و خارج ناحیه جزیره ممانعت می کند، محدود شده است. این مطلب در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل2 - ساختار و موقعیت جزیره نسبت به چشمه و درین

دو اثر ضروری مکانیک کوانتومی با محدودشدن الکترون در جزیره نانومقیاس بین سد انرژی پتانسیل بروز می کند. اولا، مکانیک کوانتومی انرژی هر الکترون را به تراز معینی از انرژی محدود می کند. هرچه فاصله بین سدها کوچکر باشد (جزیره ها کوچک باشند)، فضای بیشتری برای تراز انرژی برای الکترون های داخل چاه پتانسیل در داخل سد وجود دارد. در شکل 2،є Δ برای نشان دادن فاصله بین دو تراز انرژی در چنین چاه پتانسیلی است.
ثانیا، چون سد پتانسیل به اندازه کافی نازک است(تقریبا 5 تا 10 نانومتر و یا کمتر، بر اساس ارتفاع سد)، تراز انرژی اشغال شده الکترون ها که پایین تر از ارتفاع سد است احتمال محدودی برای تونل زنی از میان سد برای آمدن و خارج شدن به جزیره را ایجاد می کند. برای الکترون با انرژی مفروض برای تونل زنی از میان سد، باید یک حالت خالی با انرژی یکسانی در طرف دیگر سد وجود داشته باشد.
این دو اثر، کوانتیزه شدن انرژی و تونل زنی، به شدت جریان الکترونی از میان وسایل نانوالکترونیک را تحت تاثیر قرار می دهند. وقتی که ولتاژ بایاس بر جزیره اعمال می شود، الکترون های سیار را در باند رسانش ناحیه چشمه، ایجاد می کند که تلاش می کنند از میان چاه پتانسیل در ناحیه جزیره عبور کنند و به ناحیه با پتانسیل کمتر در ناحیه درین برسند. تنها راه برای الکترون ها برای عبور از میان وسیله، تونل زدن به خارج و یا به درون جزیره از طریق سد های پتانسیلی که جزیره را تعریف و آن را از چشمه و درین جدا می سازند، می باشد. اما تونل¬زنی و جریان بار به درین وقتی اتفاق می افتد که تراز انرژی غیراشغالی در چاه وجود داشته باشد که با یکی از ترازهای انرژی اشغال شده در باند چشمه ( مجموعه ترازهای تقریبا پیوسته)، جفت شود.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، باند انرژی مشابهی، الکترون های رسانش درین را نیز در بر می-گیرد، و معمولا حالت های کوانتومی تک الکترونی اشغال نشده زیادی در انرژی های بالای این باند در دسترس است. بنابراین وقتی که یک الکترون قادر است از چشمه به جزیره تحت ولتاژ (بایاس) تونل بزند، معمولا آزاد است که مسیر خود را یک بار دیگر از طریق تونل زنی از چاه به درین کامل کند.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #7

6-ترانزیستور تونلی رزونانس(RTT)

برای عملکرد وسیله تونل زنی رزونانس مهم است که انرژی حالت های کوانتومی در چاه پتانسیل در جزیره با انرژی باندهای چشمه و درین به صورت نسبی منطبق باشد. مثال این نوع در شکل 3 نشان داده شده است. در شکل3a، وسیله با دو خروجی نشان داده شده است. افزایش ولتاژ اعمالی به صورت فزاینده ایی انرژی تمام حالت ها را در چاه نسبت به انرژی الکترون در چشمه، پایین می آورد. این در شکل3bو3cنشان داده شده است.

شکل 3-ساختار و عملکرد RTD

وقتی که پتانسیل به قدری است که انرژی حالت کوانتومی اشغال نشده تک الکترونی در داخل چاه را به قدری پایین بیاورد که در حد انرژی تراز رسانش چشمه قرار گیرد، گفته می شود که چاه کوانتومی در حالت رزونانس و یا روشن قرار دارد، و جریان می تواند به داخل جزیره شارش یابد و بعد از آن به سمت درین خارج شود. این در شکل 3b نشان داده شده است. از طرف دیگر وقتی که وسیله در حالت غیر رزونانسی است، جریان مسدود می شود و وسیله در حالت خاموش قرار می گیرد(شکل 3b). این استفاده از بایاس اعمال شده برای سوئیچ جریان تونلی روشن و خاموش، عملکرد وسیله تونل زنی رزونانس را نشان می دهد که دیود تونل زنی رزونانسresonant tunneling Diode (RTD) نامیده می شود.
به جای اعمال ولتاژ بر روی چشمه می توان با تغییر ولتاژ روی خروجی سوم(گیت)، حالت رزونانسی و غیر رزونانسی را ایجاد کرد. این در شکل 4 نشان داده شده است. در این پیکربندی، 3 خروجی در شکل 4a نشان داده شده است. در ترانزیستور تونلی رزونانسresonant tunneling transistor (RTT) ، یک ولتاژ گیت کوچک، می تواند جریان زیادی را از وسیله عبور دهد(شکل 4b,4c). بنابراین، یک RTTمی تواند به عنوان سوئیچ و تقویت کننده به کار رود، درست مانند MOSFET مرسوم که در بالا توصیف شد.

​

​

شکل4-ساختار و عملکرد RTT

RTDها وRTTها می توانند بر اساس ترازهای انرژی گسسته در داخل چاه پتانسیل دارای روشن و خاموش چند گانه باشند(چندین حالت رزونانس). اگر این ترازها در فاصله به اندازه کافی نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند( به این که معنیє Δبزرگتر از اختلاف انرژی بین لبه باند و تراز فرمی چشمه باشد) همین که ولتاژ بایاس( یا ولتاژ گیت) افزایش یابد هر کدام از ترازهای متفاوت در چاه را می توان به صورت متوالی در حالت رزونانس و خارج رزونانس نسبت به باند رسانش چشمه قرار داد.
این حالت چند گانه برای یک RTD در شکل 5 نشان داده شده است. قله موجود در تصویر متناسب است با جهت گیری تراز انرژی در چاه با قسمت اشغال شده از باند رسانش چشمه. همین که ولتاژ بین قله ها در منحنی تغییر می کند جریان به سمت قطع شدن، می رود و انرژی تراز کوانتومی در چاه، پایین تر از لبه باند رسانش چشمه قرار می گیرد.

شکل 5- نمای RRT با دو وضعیت رزونانسی

دو قله جریان در شکل 5b متناسب با رزونانس حالت های انرژی در چاه پتانسیل نشان داده شده در قسمت 5a است. رفتار چند حالته ترانزیستوری را می توان با تغییر ولتاژ گیت در RTT بدست آورد. وقتی از چنین وسیله چند حالته نسبت به MOSFET های دوحالته استفاده می شود، مداری با فشردگی بالاتر در عملکرد منطقی به ازای هر وسیله سویچ کننده، خواهیم داشت.( گرمای کمتری به ازای عملکرد ایجاد می شود، که یکی از مشکلات کوچک سازی برشمرده شده ترانزیستور را حل می کند).

7-نتیجه گیری
با وجود پیشرفت های اخیر در ساخت وسایل نانوالکترونیکMOSFET، چالش هایی نیز باقی مانده است. برای نانوالکترونیک حالت جامد، یکی از مهمترین چالش ها یکنواختی سطح و خصوصیات وسیله در مقیاس نانو می باشدکه در نانوالکترونیک نیاز است، جزایر نانومقیاس، سدها، اتصال بین سد و جزیره از آن جمله-اند.RTDوRTT تنها نمونه هایی از این وسایل هستند که می توانند خصوصیات مورد نیاز را برآورده کنند. اما با این وجود به نظر می رسد که نانوالکترونیک سیلیکونی، راه طولانی را در پیش دارد و باید در آن محدودیت-های ترمودینامیک و مکانیک کوانتومی، رفع شود و همچنین موانعی چون قیمت بالای محصول تمام شده نیز دارای اهمیت است. در این صورت است که انقلاب بزرگ از میکروالکترونیک به نانوالکترونیک می تواند رخ دهد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #8

ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه مواد نیمه هادی آلی

ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه مواد نیمه هادی آلی

در این مقاله ساختار و ویژگیهای ترانزیستورهای لایه نازک آلی مورد بررسی قرار می گیرد. ساختار ترانزیستوری مورد نظر بر روی یک زیر لایه که می تواند از مواد مختلف عایق مانند مواد انعطاف پذیر پلاستیکی یا لامهای شیشه ای باشد قابل ساخت می باشد. به صورت مشخص در این مقاله به ساختاری که با استفاده از روش لایه نشانی تبخیر گرمایی در خلاء قابل ایجاد است، پرداخته می شود. اتصالات فلزی به کار رفته در ساختار ترانزیستوری مورد نظر که از نوع ترانزیستورهای اثرمیدانی می باشد، شامل اتصالات گیت، درین (drain) وسورس (source) با استفاده از لایه نشانی فلزاتی مانند آلومینیوم، طلا و یا نقره ایجاد می گردند. ضخامت این لایه ها به صورت متوسط حدود nm30 است. لایه عایق گیت از لایه نشانی پلیمرهای عایق مانند PVA و PS به ترتیب با ضخامتهای تقریبی nm 200 و nm 30 ایجاد می گردد که معمولاً با استفاده از روش لایه نشانی گردشی(spin coating) ایجاد می شوند. لایه فعال ترانزیستوری که فرآیند تشکیل کانال هدایت وانتقال بار در آن انجام می شود، از یک ماده نیمه هادی آلی و با روشهای مختلف با ضخامت بین nm 20 تا nm 40 رشد داده می شود. لایه های بافر تزریق بار با ضخامتهای کمتر از nm 10 و لایه های نهایی رشد داده شده،الکترودهای فلزی درین و سورس می باشند.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #9

1-مقدمه
ساخته شدن ترانزیستورها در نیمه قرن بیستم تحول شگرفی در تکنولوژی ساخت دستگاهها و ادوات الکترونیکی ایجاد کرد. ترانزیستورهایی که امروزه در ساخت مدارات الکترونیکی مجتمع و غیرمجتمع به وفور مورد استفاده هستند، برپایه اصول ترانزیستورهای اولیه کار می کنند. با این تفاوت که به واسطه پیشرفتهای علم مواد و تکنولوژی ساخت، ترانزیستورهای کنونی با ابعاد بسیار کوچکتر، با کیفیت و ماندگاری بسیار بالاتری ساخته می شوند. به عنوان مثال در یک پردازنده کامپیوتری میلیون ها ترانزیستور سیلیکونی در کنار هم و بر روی یک تراشه مجتمع بدون کوچکترین نقصی ساخته شده و پردازش اطلاعات را انجام می دهند.

در اوایل دهه هشتاد (1980) برای اولین بار استفاده از مواد مواد نیمه هادی آلی که در ساختار آنها زنجیره های کربنی و هیدروژنی وجود دارد، در ایجاد ادوات الکترونیکی مورد توجه قرار گرفتند. در این زمان اولین OLEDها یا همان دیودهای نورده با استفاده از این مواد ساخته شدند. نکته قابل توجه این است که استفاده از این مواد وآماده سازی آنها خلاف نمونه های معدنی، نیازی به تکنولوژی های بسیار پیشرفته و آزمایشگاه های گران قیمت ندارد. علاوه بر این، ادوات مبتنی بر مواد آلی به دلیل پیوندهای سست بین ملکولی در لایه های ایجاد شده از آنها، تا حد زیادی به لحاظ مکانیکی،می توانند انعطاف پذیر باشند. برخلاف این مواد آلی، مواد معدنی مانند سیلیکن، ژرمانیوم و گالیوم آرسناید تنها در حالت کریستالی قابلیت استفاده در ساختار ادوات الکترونیکی را دارند که در این حالت نیز پیوندهای کوالانسی،انعطاف پذیری را در آنها غیر ممکن می سازد.

2-هدایت بار در مواد نیمه هادی آلی
اساساً خواص مواد نیمه هادی آلی ناشی از ویژگی های خاص اتم کربن است. خواص مهم اتم کربن عبارتند از: 1-اتم کربن در گروه چهارم با عدد اتمی پایین، اتم نسبتا کوچکی محسوب می گردد. این ویژگی اتم کربنازدحام فضایی در ملکول هایی که شامل اتم کربن هستند را کاهش می دهد و شکل-گیری ترکیبات مختلفی از مواد کربنی را ممکن می سازد.2 کربن دارای الکترونگاتیویتی متوسطی است و امکان برقراری پیوندهای کوالانسی با مواد کربنی و غیره را دارد.3-با توجه به محل اتم کربن در جدول، این اتم می تواند چهار پیوند داشته باشد که این ویژگی واکنش پذیری بالای اتم کربن را نشان می دهد که موجب تنوع ترکیبات کربنی می شود.4-مهمترین ویژگی اتم کربن، قابلیت تشکیل آرایش-های متفاوت اربیتال ترکیبی S و P است. اتم کربن می تواند اربیتال ترکیبیSPوSP[SUP]2[/SUP]وSP[SUP]3[/SUP] را در پیوندهای خود داشته باشد که در شکل 1، نشان داده شده است.

شکل1- اربیتالهای ترکیبی که اتم کربن در ترکیبات مختلف می تواندداشته باشد SP وSP[SUP]2[/SUP] وSP[SUP]3[/SUP] می باشدکه به ترتیب از چپ به راست نشان داده شده است. این اربیتالها از ترکیب اربیتالهای S و P بوجود می آید.

در مواد نیمه هادی آلی، اتمهای کربن دارای هیبرید نوع SP[SUP]2[/SUP] هستند کهمنجر به همپوشانی اربیتالهای Pz عمود بر صفحه پیوندهای سیگما (σ) می شود. این وضعیت در شکل 2، نشان داده شده است.

شکل2- اربیتال هیبریدی Sp[SUP]2[/SUP] در ترکیبات تزویج شده که در مواد نیمه هادی آلی شناخته می شوند.​

​

​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #10

در اثر این همپوشانی یک ابر الکترونی پیوسته شکل می گیرد و وجود بارهای آزاد رادر اربیتال پیوسته ملکولی امکان پذیر می سازد. در مواد نیمه هادی آلی،که پیوستگی اربیتال های آنها، محدود به ملکول ها می باشد، سطوح انرژیHOMO وLUMOمعادل با ترازهای انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در مواد نیمه-هادی کریستالی، شکل می گیرد. پیوستگی ابر الکترونی در یک ملکول در شکل3، نشان داده شده است. به این دسته از مواد آلی، مواد آلی مزدوج نیز گفته می شود.

شکل3- همپوشانی اربیتالهای PZ در ملکولهای آلی مزدوج تشکیل یک ابر الکترونی پیوسته را می دهد که الکترونها آزادانه در آن حرکت می کنند.
​

از آنجا که پیوستگی اربیتالها در لایه های نیمه هادی آلی که عموماً غیرکریستالی هستند محدود به ملکول ها است، قابلیت حرکت حاملها، در این مواد به مراتب پایین تر از مواد نیمه هادی رایج است. دلیل این ویژگی پیوندهای بسیار سست واندروالسی بین ملکول های آلی است. مکانیزم حرکت بار نیز در این مواد به خاطر این ویژگی، متفاوت از مواد غیر آلی است. مطابق شکل 4، پرش بار از یک تراز مجاز انرژی در یک اربیتال ملکولی پیوسته، به ترازی در اربیتال ملکولی مجاور باعث انتقال بار در این مواد می گردد. این مکانیزم پرش بار(charge hopping) نامیده می شود.

​

​

شکل4- مکانیزم پرش بار در مواد نیمه هادی آلی که باعث انتقال بار از یک اربیتال ملکولی به اربیتال ملکولی دیگر می شود.

-ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی

ساختار ترانزیستور آلی مورد نظر، یک ترانزیستور اثر میدانی آلی می باشد. در این ترانزیستورها میدان الکتریکی ناشی از بایاس (ولتاژ اعمال شده) گیت ترانزیستور،موجب تشکیل کانال هدایت جریان بین اتصالات درین (drain) و سورس (source) می گردد. در واقع این کانال از تجمع حاملهای بار تزریق شده از الکترودهای درین و سورس در مرز عایق گیت با لایه نیمه هادی ایجاد می گردد و میزان بایاس گیت میزان هدایت کانال را تعیین می کند. در حالتی که گیت، بایاس مناسبی ندارد کانال هدایت نیز بسیار ضعیف بوده و جریان درین ناچیز است. قسمت های اساسی یک ساختار OFETبه ترتیب عبارتند از: 1- اتصال الکتریکی گیت که در زیر کل ساختار قرار دارد. 2- لایه عایق گیت که نقش جداسازی الکتریکی گیت را نسبت به لایه فعال دارد. 3- لایه نیمه هادی که در واقع ناحیه فعال ترانزیستوری است و از لایه نشانی ملکولهای آلی با استفاده از روش تبخیر گرمایی و یاروشهای دیگر ایجاد می شود. 4- اتصالات الکتریکی هادی که مربوط به درین و سورس ترانزیستور است که در واقع جریان ترانزیستور بین این دو اتصال برقرار می شود (شکل 5).


​

شکل 5- ساختار یک OFET و چگونگی اعمال بایاس به ساختار. با اعمال بایاس به ساختار با توجه به خاصیت خازنی گیت بارهای وارد شده از الکترودهای درین و سورس در مجاورت عایق گیت تشکیل یک کانال هدایت کنترل پذیر با ولتاژ گیت را می دهند.


این ساختار در واقع مشابه یک ساختار خازن صفحه ای می باشدکه یکی از صفحات آن اتصال فلزی گیت و صفحه دیگر آن لایه نیمه هادی آلی می باشد و اتصالات فلزی درین و سورس در تماس مستقیم به این لایه نیمه هادی هستند. لایه تشکیل شده از مواد نیمه هادی آلی بدون اعمال بایاس گیت به صورت یک لایه عایق بدون بار رفتار می کند. لذا در شبیه سازی این ادوات، تراز فرمی در مرکز شکاف انرژی بین ترازهای مجاز HOMO و LUMO در نظر گرفته می شود. با اعمال بایاس گیت مناسب و تشکیل لایه ای از بارهای مثبت جمع شده که این بارها از الکترودهای درین وسورس به لایه آلی وارد شده اند، مسیر هدایت جریان بین الکترودهای درین و سورس شکل می گیرد. بسته به ولتاژ گیت اعمال شده و چگالی بار جمع شده در کانال هدایت، دامنه جریان ترانزیستور کنترل می شود. نواحی کاری این ترانزیستورها، مشابه نمونه های سیلیکونی به سه ناحیه قطع، خطی و اشباع تقسیم می شود که شرایط بایاس قرار گرفتن در هر کدام از این نواحی نیز مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی سیلیکونی است. بسته به شکل، کانال ایجاد شده ناشی از تجمع بارها در مرز عایقِ گیتِ ترازیستور در یکی از این نواحی کار قرار می گیرد. در ناحیه قطع کانالی وجود ندارد و جرین صفر است، در ناحیه خطی کانال در کل فاصله بین درین و سورس پیوسته بوده و جریان درین با ولتاژ بین درین وسورس رابطه خطی دارد و در ناحیه اشباع کانال هدایت در نواحی نزدیک به درین قطع شده و بارها از طریق میدان انتهای کانال به درین می رسند.​

​

​

​

​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #11

3-پارامترهای و مشخصه های الکتریکی OFET

همان گونه که در بالا اشاره گردیده است مواد نیمه هادی آلی به دلیل ناپیوستگی ابر الکترونی و گسسته بودن اربیتالهای ملکولی در محل پیوندهای ملکولی، از لحاظ قابلیت حرکت و انتقال بار دارای ضعف هستند. در این ترانزیستورها با توجه به منحنی های مشخصه خروجی و منحنی مشخصه انتقالی پارامترهایی مانند ولتاژ آستانه روشن شدن و مقدار قابلیت حرکت محاسبه می شوند. در شکل 6، یک نمونه از این منحنی ها آورده شده است.


​

​

شکل6- منحنی مشخصه انتقالی (چپ) و منحنی مشخصه خروجی یک نمونه OFET ساخته شده که با توجه به این منحنی ها مقادیر پارامترهای قابلیت حرکت و ولتاژ آستانه بدست می آید.

به صورت ساده شده قابلیت حرکت حامل بار در لایه نیمه هادی برابر با ضرب دامنه میدان الکتریکی و سرعت حامل بار در اثر این میدان است و به دلیل اینکه در OFETها این پارامتر وابسته به ولتاژ گیت است به آنقابلیت حرکت تحت تأثیر میدان گفته می شود. پارامتر ولتاژ آستانه، عبارت است از حداقل ولتاژ بایاس گیت که به ازاء آن کانال هدایت تشکیل شده امکان برقراری جریان درین را فراهم می کند. با توجه به رابطه جریان درین در ناحیه عملکرد اشباع ترانزیستور که در زیر داده شده است پارامترهای بالا از منحنی های داده شده قابل محاسبه هستند

در این رابطه µeff مقدار قابلیت حرکت گفته شده در بالا تحت تأثیر میدان ناشی از بایاس گیت، W و L به ترتیب طول فاصله بین اتصالات درین و سورس و عرض آنها است که در واقع طول و عرض کانال هدایت تشکیل شده هستند.coxمقدار خازن عایق گیت است که با توجه به ضخامت و جنس عایق گیت تعیین می شود. با توجه به دامنه جریان در ناحیه اشباع و شیب منحنی مشخصه انتقالی، مقدار قابلیت حرکت بدست می آید. حداکثر مقدار قابلیت حرکت گزارش شده در این نوع از ترانزیستورها تاکنون برابر با40cm[SUP]2[/SUP]V[SUP]-1[/SUP]S[SUP]-1[/SUP] بوده است. نکته قابل توجهی که این ادوات، هم اکنون نیز با توجه به معایبشان در کانون توجه محققان قرار گرفته، آن است که در بسیاری از کاربردهای رایج مدارات الکترونیکی مانند صفحات نمایش، کارتهای شناسایی هوشمند و بسیاری از کاربردهای دیگر، استفاده از ترانزیستورهای سریع مورد نیاز نمی باشد. در نمودار 7، محدودیت ساخت تجهیزات مختلف برپایه میزان قابلیت حرکت ترانزیستورها نشان داده شده است.

شکل7- نمودار محدودیت استفاده از ترانزیستورهای مختلف بر حسب قابلیت حرکت آنها و روند تغییر قابلیت حرکت در مواد نیمه هادی آلی

با توجه به این نمودار، مقدار قابلیت حرکت با مشخص شدن ابعاد مختلف تئوری و تکنولوژی ساخت مواد نیمه هادی آلی و همچنین با سنتز شدن ملکول های پیشرفته تر به سرعت در حال بهبود است. هم اکنون،مقدار این پارامتر کاملا از مقدار آن در ترانزیستورهای لایه نازک آلی بیشتر شده و جایگزین مناسبی برای آنها می باشد. بیشترین مقدار قابلیت حرکت اندازه گیری شده در این مواد مربوط به ملکول آلی روبرن(Rubren) است که برابر با 40cm[SUP]2[/SUP]V[SUP]-1[/SUP]S[SUP]-1[/SUP] می باشد. این مقدار تقریبا 40 برابر از مقدار قابلیت حرکت در ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه سیلیکن غیرکریستالی بیشتر است.از دیگر پارامترهای مهم در این دسته از ترانزیستورها، رفتارهای گذرای آنها مانند ماندگاری ترانزیستورها در معرض هوا و پاسخ فرکانسی آنها است. ماندگاری به عواملی مانند میزان واکنش پذیری ماده آلی استفاده شده، بستگی دارد.

4- نتیجه گیری
امروزه ساخت ادوات الکترونیکی بر پایه مواد آلی و به عنوان جایگزینی در بسیاری از کاربردها به دلیل پروسه های ساخت ارزان قیمت و همچنین قابلتهای خاصشان، مورد توجه قرار گرفتهاست.از جمله معایب این ادوات سرعت عملکرد پایین تر آنها است که با پیشرفتهای حاصل شده در زمینه ساختارهای ترانزیستوری و سنتز مواد آلی، این پارامتر در حال افزایش است. استفاده از این ادوات امکان ساخت مدارهای الکترونیکی شفاف و انعطاف پذیر را فراهم می کند. از دیگر کاربردهای آنها ساخت مدارات مجتمع در سطوح بسیار وسیع در کاربردهایی مانند ساخت سنسورها، پوستهای مصنوعی و صفحات نمایش گسترده است. این قابلیت با توجه به اینکه ساخت OLEDها و یا OFETها بر روی زیر لایه های ارزان قیمت امکانپذیر است، قابل انجام می باشد. در حال حاضر صفحات نمایش OLEDهای ساخته شده با استفاده از این مواد نیمه هادی در حال ورود به بازار تجاری محصولات الکترونیکی هستند. در این میان ترانزیستورهای آلی و سلولهای خورشیدی هنوز در مرحله تحقیقاتی هستند و در آینده نزدیک در قالب محصولات مختلف وارد بازار تجاری محصولات الکترونیکی خواهند شد.
​

​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #12

علم پلاسمونیک

علم پلاسمونیک

در این مقاله به بررسی مفاهیم علم پلاسمونیک پرداخته شده است. با جداسازی حوزه های این علم نوپا به دو حوزه پلاسمون های سطحی موضعی و پلاسمون پلاریتون های سطحی هر یک به طور اجمالی معرفی می شود. در پلاسمون های سطحی موضعی اساس برهم کنش ها نانو ذرات می باشد که به بررسی خواص آنها در تحریک این مد از امواج پلاسمونیک پرداخته شده است. در پلاسمون پلاریتون های سطحی با معرفی بنیاد کاری آنها فرمول بندی میدانی آن و چگونگی گذشتن از حد پراش توسط این ساختار ها بیان شده است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #13

1- مقدمه
با رویکرد تکنولوژی به سمت تجمع مدارات الکترونیک نوری، مشکلات ساخت و پدیده هایی که به جلوگیری از فشرده سازی بیشتر ساختار کمک می کرد، باعث شد تا استفاده از ساختارهای پلاسمونیک و امواج پلاسمونیک مورد بررسی و استفاده قرار بگیرد. این نانو ساختار ها متشکل از فلز و دی الکتریک می باشد که ابعاد آنها زیر طول موج تحریکی ( طول موج پرتویی که باعث تحریک امواج پلاسمونیک می شود) قرار دارد.
پلاسمونیک بر اساس فرآیند برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و الکترون های رسانش در فلزات با ابعاد نانو بیان شده است.

سال ها قبل از میلاد از ویژگی های پلاسمونیک و نانو ذرات برای ایجاد رنگ های چشم نواز در شیشه ها استفاده می شد که نمونه ای از آن جامی است که در یکی از موزه های شهر لندن نگهداری می شود. نخستین تحقیقات بر روی پلاسمونیک به ابتدای قرن بیستم برمی گردد. ابتدا وود (R. Wood)، خواص عجیبی از اندازه گیری بازتاب نوری از شبکه های فلزی مشاهده کرد. حدود سال 1904، گرنت (M. Grant) رنگ های موجود در شیشه های رنگی را با استفاده از نظریه جدید درود (که خواص انتقال الکترون ها در مواد و مخصوصا در فلزات را بیان می کند) برای فلزات توضیح داد. 4 سال بعد مای (G. Mie)، نظریه خود را در مورد پراکندگی الکترومغناطیسی ذرات کروی ارائه داد. در حدود سال 1956، پینس (D. Pines) به صورت تحلیلی دلیل افت سریع انرژی الکترون ها در عبور از فلزات را بیان کرد و نتیجه گرفت این انرژی صرف حرکت تجمعی و نوسان گونه الکترون های آزاد فلز می شود و آن را پلاسمون نامید. دلیل این نام گذاری شباهت این نوسانات الکترون ها با نوسان های ذرات محیط پلاسما بود. در همان سال فانو (R. Fano)، عبارت پلاریتون را برای نوسان الکترون های مقید فلز در حالت جفت شدگی با فونون های پرتو فرودی به کار برد. نام پلاریتون برای شبه ذراتی که نیم ماده و نیم فوتون بودند، بکار گرفته شد که حالت تزویج شده بین یک فوتون پرتو تحریک کننده ابتدایی و الکترون های رسانش فلز است و اصطلاح پلاسمون پلاریتون (Plasmon Polariton) برای بیان علت تزویج شده بین یک فوتون و یک پلاسمون است.

2-علم پلاسمونیک
پلاسمونیک به دو جز تقسیم می شود که هرکدام از آنها کاربردی از فلزات و امواج الکترومغناطیسی در مشخصات نانومتری در ساختار های دو بعدی ، تک بعدی و حتی صفر بعدی است. این دو حوزه عبارتند از:

1. پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon)
2. پلاسمون پلاریتون های سطحی(Surface Plasmon Polariton)
   

1-2-پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon)
تشدید پلاسمون های سطحی، نوسان های هماهنگ و تجمعی الکترون های فلزی است که توسط پرتو تابشی تحریک شده است.
شرط نوسان به این صورت است که فرکانس فوتون های پرتو تابش شده با فرکانس طبیعی الکترون های سطحی (که برای غلبه بر نیروی هسته مرکزی است) یکسان شود. تشدید پلاسمون های سطحی در ساختار های با ابعاد نانومتری، تشدید پلاسمون های سطحی موضعی ( Localized Surface Plasmon Resonance ) نامیده می شود.
پلاسمون های سطحی موضعی، تحریک غیر انتشاری الکترون های باند هدایت نانو ساختار های فلزی است که میدان الکترومغناطیسی به آنها تزویج شده است. امواج پلاسمونیک با استفاده از مسئله پراکندگی از یک نانو ذره هادی که ابعاد آن زیرِ طول موج میدانِ الکترومغناطیسی پرتوتحریکی است، پدید می آید.
برهم کنش یک ذره با اندازه d با امواج الکترومغناطیسی با طول موج λ تحریکی، می تواند به روش های مختلف تحلیلی ، نیمه تحلیلی و عددی بررسی شود. البته در این تحلیل ها این فرض همواره در نظر گرفته می شود که d≪λ، یعنی ابعاد ذره خیلی کوچکتر از طول موج باشد. فاز نوسان هماهنگ میدان الکترومغناطیسی در حجم ذره ثابت فرض می شود.
در تحریک پلاسمون های سطحی موضعی و مشخصات آنها شرایط زیر اثرگذار است:

1. خواص الکترونیکی نانو ذره
2. ابعاد و شکل نانو ذره
3. خواص دمایی نانو ذره
4. دی الکتریک احاطه کننده نانو ذره
   

البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که با دور شدن از سطح نانوذره فلزی شدت میدان الکترومغناطیسی ( به طور مشخص شدت میدان الکتریکی ) به صورت نمایی کاهش می یابد.
در این نانو حجم ایجاد شده میدان الکترومغناطیسی به صورت موضعی ، فشرده و بهبود یافته است. تغیرات اندک در دی الکتریکِ اطراف نانو حجم، بر روی تشدید پلاسمون های سطحی اثر می گذارد، به طوری که این تغییرات خود را در میزان پرتو پراکنده شده ، پرتو جذب شده و یا تغییر طول موج آن نشان می دهد. با استفاده از مشخصه های اپتیکی می توان این تغییرات را اندازه گیری کرد. شکل (1) نوسان الکترون های سطحی و میدان الکتریکی اطراف آنها را در تشدید پلاسمون های سطحی موضعی نشان می دهد.

شکل1- نوسان الکترون های سطحی و الگوی میدان الکتریکی اطراف آنها
​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #14

1-1-2- بررسی نانو ذره ها
نانو ذره ها مابین اتم ها و حالت توده ای جامد قرار می گیرد و خواص بسیار متفاوتی نسبت به حالت توده ای دارد. خواص نانو ذره ها با تغییر اندازه و شکل آنها تغییر می کند. دو نوع متفاوت از این اثر های مربوط به اندازه نانو ذرات می تواند وجود داشته باشد. اثرات ذاتی که مربوط به تغییرات نسبت حجم به سطح ماده است و اثرات غیرذاتی که نانو ذره در پاسخ به میدان ها و نیروهای خارجی از خود نشان می دهد. در واقع، اثرات غیر ذاتی وابسته به اندازه ذره هستند ولی مستقل از اثرات ذاتی (مستقل از تغییرات نسبت حجم به سطح ماده) می باشند. نانوذره ها دارای تعداد زیادی اتم های سطحی در مقایسه با اتم هایی که درون حجم آنها قرار دارند می باشد. این خود باعث افزایش اهمیت اثرات سطحی در مقایسه با اثرات حجمی است.
معمولا نانو ذره های با قطر بزرگتر از 10 نانومتر، دارای ثابت دی الکتریک برابر با مقدار حالت توده ای ماده می-باشد و وابسته به اندازه نیست. پس مشاهده می شود که وابستگی طیف نوری نانوذره های بزرگ به اندازه آنها، یک اثر خارجی است که تنها به وسیله ابعاد ذره نسبت به پرتو الکترومغناطیسی کنترل می شود.
برای نانو ذره های کوچک اثرات ذاتی اندازه نیز نقش پیدا می کند. یعنی تابع ثابت دی الکتریک آن (

) علاوه بر طول موج، تابعی از اندازه ذره خواهد بود.
ایجاد این نانو ذره ها با ابعاد مختلف و اشکال مختلف روش های مبتکرانه آزمایشگاهی نیز دارد که خود بحث جدا گانه ای را می طلبد.

2-2- پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton )
پلاریتون پلاسمون های سطحی یا SPP 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 فلز دی الکتریک انتشار یابند (شکل(2)). البته پرتو الکترومغناطیسی تابیده شده باید دارای شرایطی باشد: از جمله طوری تابانده شود که بازتاب داخلی کامل ایجاد شود و دارای قطبش طولی (P-Polarized) باشد.

شکل2- نمایی از ایجاد اجزای میدان الکترومغناطیسی پلاسمون های سطحی در سطح تماس فلز-دی الکتریک

علت حائز اهمیت بودن پلاسمون پلاریتون های سطحی توانایی آن ها در تمرکز دادن میدان الکترومغناطیسی است که حد پراکندگی آنها در موج های اپتیکی نانومتری کاهش می دهد و گسترش میدان های موضعی را تا چندین مرتبه بزرگی بهبود می دهد. و باعث می شود مد های انتشاری پلاسمون پلاریتون های سطحی (میدان الکتریکی عرضی (TE) و یا میدان مغناطیسی عرضی (TM) ) در صفحات عمود بر جهت انتشار محصور شوند.
با فرض اینکه محیطی که امواج الکترومغناطیسی در آن منتشر می شوند از نوع غیر مغناطیسی (1=μ ) و ایزوتروپیک و همگن باشد و با ثابت دی الکتریک (ϵ(ω بیان شود، معادله موج میدان الکتریکی خواهد بود

(1)

حل آن چنین می شود:


​

(2)

​

​

با توجه به تعریف بردار موج رابطه پخش ( Dispersion Relation) خواهد بود:

​

(3)

​

​

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #15

در ادامه فرض می شود در نمای سه بعدی، بردار موج در جهت y بدون تغییر باشد و جهت انتشار در صفحه x-z محصور شده باشد. با توجه به روابط برای محیط دی الکتریک بدون اتلاف ε=εd>0 و با توجه به اینکه جهت انتشار را در جهت z گرفته شده است، از رابطه 4


(4)

شکل 3- تشکیل امواج ناپایدار (a). سطح تماس هوا دی الکتریک تابانده شدن پرتو از دی الکتریک (b). سطح تماس هوا-فلز تابانده شدن پرتو از هوا به سطح تماس

برای بررسی انتشار این امواج از دو ساختار فلز دی الکتریک-فلز و دی الکتریک-فلز دی الکتریک استفاده می-شود. در این دو نوع ساختار لایه میانی بسته به طول موج پرتو تحریک کننده پلاسمون ها، چند ده نانومتر ضخامت دارد.

1-2-2- بررسی حد پراش ( Diffraction limit)
زمانی که یک پرتو نوری می تواند از جمع آثار امواج صفحه ای ایجاد شود با در نظر گرفتن یک موج صفحه ای با فرکانس زاویه ای ω و در محیط یکنواخت دی الکتریک با ضریب شکست n=√εμ می توان رابطه پخش را با فرض اینکه μ=1 به صورت زیر نوشت:
​

​

​

​

(5)

​

​

​

​

این معادله در تشابه با سطح فرمی (سطح فرمی سطح فرضی انرژی پتانسیل یک الکترون در داخل یک جامد بلورین است)، سطح عدد موج (Surface Wave Number )نامیده می شود که یک کره سه بعدی در فضای K را تبیین می کند. زمانی که kj حقیقی باشد مقادیر بین k≤kj≤k را می پذیرد. این یعنی محدوده فرکانس k∆ ، برابر 2k است (k=2nk0∆ ). بر اساس رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ تبدیل فوریه k∆ و r∆ داریم:

(6)

این رابطه کمترین مقدار اندازه شعاعی پرتویی که از جمع آثار امواج اپتیکی سه بعدی ایجاد می شود را بیان می کند که از مرتبه λ0است

(7)

که این همان رابطه حد پراش است.
در کریستال ها فوتونی یا موجبر های با ضریب شکست بالا، امواج نوری سه بعدی است در نتیجه عرض پرتو اپتیکی در این ساختار ها با مرتبهλ0 محدود می شود.
برای پایین آوردن حد پراش به سراغ امواج نوری با دیمانسیون پایین (مثل امواج دو بعدی تک بعدی یا صفر بعدی) می رویم. نمونه ای از این امواج میدانی ناپایدار ایجاد شده در سطح دی الکتریک با بازتاب داخلی کامل است یا امواج سطحی انتشار یافته در امتداد سطح مشترک دی الکتریک و فلز است که به همان پلاسمون های سطحی که بیان شد، تعبیر می شوند.

3- نتیجه گیری و آینده علم پلاسمونیک
در سال های اخیر کاربرد های بسیار متنوعی برای پلاسمون های سطحی بکار رفت که البته پیشرفت این علم به تکنیک هایی چون لیتوگرافی های نوری و ذخیره اپتیکی داده ها وابسته است. میل روز افزون به این شاخه از علم را می توان بیشتر به شکستن و پایین آوردن حد پراش نور و کوچکتر کردن آن از مرتبه طول موج نسبت داد.
کاربرد امواج پلاسمون پلاریتون سطحی و پلاسمون سطحی موضعی و روند استفاده از آنها روز به روز شتاب بیشتری می گیرد. در زمینه ساخت نیز ساخت ادواتی غیر فعال (passive) (یعنی ادواتی که در آنها توانی تولید نمی شود) مانند موجبر، کوپلر، فیلتر و ... و ادوات فعال (active) (یعنی ادواتی که در آنها توان تولید می شود) مانند تقویت کننده، تشدید کننده، سوئیچ، مدولاتور و ... در حال انجام و حتی بهینه سازی است.

از این علم می توان در مدار های الکترونیکی و اپتیکی به طور جداگانه استفاده کرد به نحوی که با انتشار هم زمان امواج در هر یک از این زمینه ها و انتشار امواج پلاسمونیکی، اختلالی در انتقال داده هریک از امواج وارد نشود. این خود باعث می شود که ظرفیت ارسال اطلاعات در مدارات مجتمع بالا رود. از طرفی با پایین آوردن حد پراش، مدارهای مجتمع ساخته شده در حوزه پلاسمونیک خیلی فشرده تر از مدار های مجتمع نوری خواهد بود و سرعت انتقال و سوئیچ در این مدارات افزایش می یابد.

از سوی دیگر با توجه به اثر گذار بودن تغییرات اندک ثابت دی الکتریک اطراف نانو ذره یا سطح فلزی در ساختار های پلاسمونیکی، از این قابلیت می توان برای ساخت حسگرهای زیستی در تشخیص توده های سرطانی در بافت های معیوب و تغییرات در محیط¬های حامل باکتری استفاده کرد. با استفاده از لایه های دی الکتریک قابل کشت باکتری ها یا بافت های زنده می توان فعالیت آنها را بررسی کرد. تحقیقات حسگرهای زیستی مربوط به نانوذرات و پلاسمونیک، روش هایی را برای تحلیل زیستی ( Bio Analytical) معرفی می کند که بر پایه مفاهیم پلاسمونیک در لایه های نازک فلزی و نانوتکنولوزی مولکولی استوار است که البته به عنوان یک تحقیقات بین رشته ای ( مهندسی- فیزیک پزشکی) در محافل علمی مطرح می شود. با توجه به پایه های کلی بحث پلاسمونیک چنین بر می آید که به دلیل وجود مفاهیمی از فیزیک اپتیک و میدان و امواج در غالب این رشته ها و گرایش های مربوطه به عنوان بحث داغ آنها شناخته می شود.

البته در تحقیقات اخیر(2012-2010) پلاسمونیک، نانو ذرات را به سمت ذرات دو جنسی پیش برده اند که شامل هسته ای از یک فلز و غشای اطراف آن از جنس فلز دیگر می باشد.
​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #16

آشنایی با آشکارسازهای نوری فلز-نیمه­ هادی-فلز پلاسمونیک

آشنایی با آشکارسازهای نوری فلز-نیمه­ هادی-فلز پلاسمونیک

آشکارسازهای نوری بخش مهمی از مدارات مجتمع نوری هستند.آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز یک دسته از آشکارسازهای نوری می باشد. مشخصات این آشکارسازها با پیشرفت علم پلاسمونیک بهبود یافت. از جمله این مشخصات می توان به حساسیت بالاتر، راندمان بیشتر و بهبود ضریب جذب نوری بالاتر اشاره کرد.در این ساختارها با استفاده از توری های پراش فلزی و نانوذرات سعی شده است تا پارامترهای آشکارساز بهینه گردد.علم پلاسمونیک بستر مناسبی را برای ساخت آشکارسازهایی با ابعاد بسیار کوچک فراهم کرد، این موضوع روند حرکت به سمت مدارات مجتمع نوری را سرعت بخشیده است.در این مقاله به معرفی آشکارسازهای نوری در کاربردهای نوری پرداخته می شود. همچنین، روند تکاملی آشکارسازهای فلز-نیمه هادی-فلز پلاسمونیک مورد بررسی قرار گرفته است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #17

امروزه کاربردهای شبکه های انتقال داده مانند اینترنت و ارتباطات تلفنی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. به طور سنتی، لینک ارتباطی در اینگونه شبکه ها سیم مسی است و الکترون های آزاد آن، حامل های پیام می باشند.به علت محدودیت پهنای باند برای حجم داده های بیشتر و همچنین تلفات زیاد سیم های مسی، توجه مهندسان مخابرات به استفاده از فیبرهای نوری به عنوان لینک ارتباطی و فوتون های نور به عنوان حامل پیام، جلب شد.فوتون ها کوچکترین بسته های انرژی تشکیل دهنده ماهیت ذره ای نور هستند و مطابق شکل1، فیبر نوری از یک استوانه شیشه ای با قطربسیار کوچک (در حد چند تا چند ده میکرون) تشکیل شده است. نور ورودی با زاویه ای به درون آن تابانده می شود به طوری که بازتاب کلی رخ داده و نور درون آن محبوس بماند.

شکل 1- بازتاب کلی در فیبر نوری باعث می شود تا نور در حین انتشار در فیبر از آن خارج نشود.

شکل 2، لینک تلفنی معمولی با کابل مسی و همتای آن با فیبر نوری را نشان می دهد. همانطور که در شکل دیده می شود، برای یک لینک نوری ساده، علاوه بر فیبر نوری به یک مولد نور (لیزر) برای تبدیل سیگنال الکتریکی به نوری، و یک آشکارساز نوری برای تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی نیاز است.

شکل 2- الف) لینک ساده معمولی، ب) لینک نوری.

یک آشکارساز نوری به طور ساده از پیوند دو نیمه هادی با آلایش نوع( P(Positive(دارای حفره¬های اضافی با بار مثبت) و نوع( N (Negative (دارای الکترون های اضافی با بار منفی)،تشکیل شده است (یک دیود) که به طور معکوس بایاس شده است.در این صورت در محل پیوند دو نیمه هادی یک سد پتانسیل ایجاد شده که مانع از عبور الکترون و جاری شدن جریان الکتریکی در مدار می گردد؛ شکل (3). حال اگر نور به محل پیوند P-Nبرخورد کند بعضی از پیوندها را شکسته و تولید زوج الکترون حفره می کند که به ترتیب جذب قطب مثبت و منفی منبع تغذیه می شوند.در نتیجه در مدار متناسب با نور برخوردی جریان الکتریکی تولید می شود و تبدیل نور به سیگنال الکتریکی (آشکارسازی نوری) انجام می گیرد.

شکل 3- الف) یک دیود P-N بایاس شده به طور معکوس، ب) سد پتانسیل ایجاد شده مانع از حرکت بارها می شود.

یک دیود را می توان به جای استفاده از دو نیمه هادی نوع N و P، از اتصال یک نیمه هادی خالص (ذاتی)بدون آلایش (دارای الکترون و حفره اضافی برابر و خنثی) و یک فلز ساخت که به آن دیود شاتکی گویند. در یک دیود شاتکی، اختلاف توابع کار فلز با نیمه هادی، باعث ایجاد یک سد پتانسیل می شود (تابع کار عبارتست از مقدار انرژی مورد نیاز برای آزاد کردن یک الکترون از سطح ماده).

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #18

2-آشکارساز نوری
آشکارساز نوریِ فلز نیمه هادی-فلز، Metal-Semiconductor-Metal PhotoDetector (MSM-PD)، دارای دو اتصال شاتکی پشت به پشت است. این آشکارساز مطابق شکل 4، از یک زیرلایه (نیمه هادی) خالص به عنوان لایه فعال و دو اتصال فلزی رونشانی شده بر روی آن تشکیل می شود که هر اتصال فلزی بازیرلایه تشکیل یک اتصال شاتکی را می دهد.این اتصالات به یک اختلاف پتانسیل متصل می-شوند تا حامل های ایجاد شده بر اثر برخورد نور به زیرلایه را جمع آوری کنند.

شکل 4- شمای ساده از یک MSM-PD متشکل از دو اتصال فلزی که با زیرلایه تشکیل دو پیوند شاتکی پشت به پشت می دهند.

مطالعه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز (MSM-PD)، از اوایل دهه ی 1970 آغازشد[1]. طی دهه¬های گذشته، طراحی و ساخت آشکارسازهای MSMبه دلیل سرعت بالا، در سیستم های الکترونیکی-نوری مجتمع (مداراتی که به صورت یکجا در درون یک تراشه جای داده می شوند و در آنها از الکترون فوتون به عنوان حامل اطلاعات استفاده می شود)، مخابرات فیبر نوری، اتصالات بین تراشه ای و نمونه برداری با نرخ بالا (تبدیل سیگنال های پیوسته به سیگنال های گسسته) مورد توجه بوده است [2 و3] به دلیل خازن داخلی با ظرفیت بسیار پایین MSM-PD ها، سرعت پاسخ آنها معمولاً در حد چند ده پیکوثانیه است[3]. سرعت پاسخ، زمان از لحظه برخورد نور به آشکارساز تا ایجاد سیگنال الکتریکی توسط آشکارساز می باشد. با توجه به ماده نیمه هادی به کار رفته در زیرلایه، طول موج کاریِMSM-PD تغییر می کند.به عنوان مثال برای طول موج مخابرات نوری (1.3µm و 1.55µm) می توان از InGaAs-InP استفاده کرد[2].

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، شانه ای کردن الکترودهای MSM، باعث افزایش پهنای باند نسبت به آشکارسازهای PINاستاندارد (دیودی که در آن مابین دو لایه نیمه هادی N وP یک لایه نیمه-هادی خالص قرار داده می شود) می شود[2 و3].یکی از محدودیت های افزایش سرعت MSM ها، زمان لازم برای حرکت بارهای بوجود آمده دراثر برخورد نور با لایه فعال، تا رسیدن به الکترودها می باشد. برای غلبه بر محدودیت ذاتی زمان پاسخ، می-توان فاصله بین الکترودهای شانه ای را کاهش داد. همچنین با کاهش پهنای الکترودها، خازن بر واحد پهنای الکترودها کم شده و در نتیجه زمان پاسخ بهبود می یابد[4]. برای استفاده از MSM-PD ها در مدارات مجتمع نوری نیز لازم است تا ابعاد آنها بسیار کوچک باشند. اما از طرفی کاهش فاصله بین الکترودها و ابعاد آشکارساز، باعث کاهش ناحیه موثر فعال جذب نور (قسمتی از زیرلایه که در معرض برخورد مستقیم نور ورودی است) می شود و در نتیجه حساسیت آشکارساز را بدتر می کند[5].بنابراین روند افزایش سرعت پاسخو کوچک سازی MSM-PD ها با یک بهینه سازی بین این پارامترها و حساسیت مواجه می شود.یک راهکار مناسب ، استفاده از ساختارهای MSM-PD های پلاسمونیک است.در MSM-PD هایی با اتصالات فلزی در حد نانو، برخورد نور با فلز باعث تحریک پلاسمون های سطحی، Surface Plasmon (SP)، در فلز می شود. این پلاسمون ها باعث می شوند حتی با وجود فاصله بسیار کم بین الکترودها (در حد چند ده تا چند صد نانومتر) جذب نور و در نتیجه حساسیت بالا رود.

​

​

​

​

​

شکل 5- شمای ساده یک MSM-PD با الکترودهای فلزی شانه ای

پلاسمون های سطحی (SP)، امواج الکترومغناطیسی هستند که در طول مرز یک هادی منتشر می شوند. خواص بر هم کنش SPها با نور، باعث ایجاد امواج پلاسمون پلاریتون های سطحی، Sufrace Plasmon-Polariton (SPP)می شود. SPP ها ویژگی هایی را ایجاد می کنند که بوسیله آن می توان قطعات فوتونیکی با ابعاد بسیار کوچک تر از آنچه که تاکنون به دست آمده است، ساخت[.6]SP ها در اپتیک زیر طول موج، ذخیره¬سازی داده، تولید نور، میکروسکوپ ها و ادوات فوتونیکی زیستی کاربرد دارند. وجود تکنولوژی ساخت و مشخصه سازی فلزهایی با ساختار نانو، باعث افزایش علاقه به SPها شد [7] مطالعه و شناخت در مورد SPها، به طور گسترده ای در دهه ی 1950 بعد از مقاله ریچه(Ritchie) شروع شد. همچنین مطالعاتی در مورد تشدیدهای پلاسمون سطحی در فیلم های فلزی نازک و پراش نوری از ذرات فلزی نانو در اوایل دهه ی 1970 انجام شد. مشاهده انتقال بهبود یافته نور از میان آرایه ای متناوب از حفره هایی با ابعاد کمتر از طول موج در فیلم های فلزی توجه زیادی را به SP ها جلب کرد[8]. امروزه تحقیقات در زمینه پلاسمونیک، بر روی مجتمع سازی قطعات پلاسمونیک برای کاربردهای مخابرات نوری و تبادل داده متمرکز شده است[9]. ایجاد چنین زمینه ای، حاصل بررسی قطعات پلاسمونیک جدیدی است که در طی سال های اخیر توسعه داده شده اند. بنابراین، موجبرها، تزویح کننده¬ها (coupler)، و مدولاتورهای نوری (Optical Modulator)، به همراه منابع نوری و آشکارسازهای نوری، موضوع اصلی زمینه پلاسمونیک امروزی را تشکیل می دهند.
​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #19

3-کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
امروزه، پلاسمونیک در زمینه های مختلفِ ادوات نوری و الکترونیکی کاربردهای گسترده ای دارد. به عنوان مثال می توان از کاربرد پلاسمونیک در سلول های خورشیدی، موجبرها، ادوات ذخیره سازی اطلاعات، تولید نور (لیزرها و LEDها) و همچنین در کاربردهای پزشکینام برد. یکی از زمینه های کاربرد پلاسمونیک، ساخت آشکارسازهای نوری با راندمان و سرعت بالا است. در این قسمت به بررسی چند نمونه از کارهای انجام شده در زمینه کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری پرداخته می شود.
در سال 2004 نشان داده شد که با 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. ساختار استفاده شده مانند شکل6، است. در این ساختار، از رشته های نیمه هادی در حد نانو بین رشته های فلزی با سطح مقطع کوچکتر از λ/8 استفاده شده است. طول متوسط حرکت آزاد بارها 50nm است و همچنین سطح مقطع رشته ها 40×100nm می باشد. نوسانات SPP بین توری پراش (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. نتایج به دست آمده نشان داد که با ساختار شکل 6، می توان به صورت تئوری، به راندمان 75% و فرکانس قطع 500 GHz دست یافت. این ساختار برای طول موج 800nm طراحی شده است[10].

​

شکل 6- ساختار استفاده شد توسط کالین (Collin).

در سال 2006، از خاصیت پلاسمون های سطحی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز نوری در فرکانس های مادون قرمز میانی، از طریق بهبود جذب، استفاده شد. شکل(7) ساختار استفاده شده را نشان می دهد. این آشکارساز شامل یک روزنه، در یک ورقه فلزی است که با ماده نیمه هادی جذب کننده نور پر شده است. جذب نور در روزنه، بوسیله تشدیدهای Fabry-Perot بهبود داده می شود و بهبود بیشتر، بوسیله ایجاد شیارهای پریودیک اطراف روزنه انجام می گیرد که با تحریک SPها، انرژی الکترومغناطیسی به سمت روزنه منتقل می شود

​

​

​

​

​

​

شکل 7- ساختار آشکارساز نوری برای فرکانس های مادون قرمز میانی. این ساختار از یک روزنه در ورقه فلزی تشکیل شده است، که این ورقه فلزی حاوی شکاف هایی برای تحریک پلاسمون های سطحی ایجاد شده،می باشد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #20

این آشکارساز برای طول موج 9.8µm طراحی شده است و ابعاد روزنه ها و توری پراش فلزی و همچنین تعداد توری ها به گونه ای انتخاب شده است که در طول موج 980nm تشدید Fabry-Perot و تحریک SP با هم ایجاد شوند. نتایج نشان می دهد که با ساختار ارائه شده، تا 250 برابر بهبود جذب در واحد حجم ماده نیمه هادی، نسبت به آشکارسازهای متداول در طول موج مشابه، حاصل شده است. در شکل 7، زیرلایه شامل یک ماده اکسید با شاخص کم (ε=2.25) است که روی آن ورقه ای از طلا رونشانی شده است.
ماده نیمه هادی که روزنه ساختار شکل 7 را پر می کند، HgCdTe است. طول ورقه طلا بی نهایت فرض شده است اما تعداد شکاف های روی آن محدود است. نتایج شبیه سازی ساختار شکل 7 به ازای پارامترهای مختلفدر شکل 8، نشان داده شده است. در شکل 8 الف، دو پیک مشاهده می شود که نشان می دهد تحریک پلاسمون های سطحی و تشدید Fabry-Perot با هم و در یک فرکانس رخ نمی دهد. در شکل 8 ب پارامترها طوری بهینه شده اند که این دو در یک طول موج، همزمان رخ داده و در نتیجه میزان جذب نور بیشتر می شود. پارامتر Ng تعداد شکاف های موجود در ورقه طلا را نشان می دهد[11].
در سال 2007، یک طراحی بهینه برای MSM-PD هایی با الکترودهای شانه¬ای با ابعاد زیر طول موج ارائه داده شد که در آن از یک چاه کوانتومی ( (QW) Quantum Well)GaInNAs تنها، به عنوان لایه جذب کننده استفاده شد[5]شکل 9 ساختار ارائه شده را نشان می دهد. تحریک SP ها در مرز نیمه هادی و فلز، باعث بهبود قدرت میدان در نزدیکی الکترودها شده و به تبعِ آن باعث افزایش جذب درQW می شود. این موضوع سبب می شود تا هم پاسخ الکتریکی سریع ترو هم راندمان کوانتومی بالاتری به دست آید. در این ساختار با تناوب توری پراش820nm و پهنای الکترود 460nm،جذب نور با پلاریزاسیون صفحه ای (P- Polarized) در QW، نسبت به حالتی که الکترودی وجود ندارد، تا 16 برابر افزایش می یابد.(شکل 10-الف).

شکل 8- نمودار جذب آشکارساز بر حسب طول موج الف)α=7.15µm, L=1.0µm, w=50nm, b=0.5µm, d=0.425µm, Ng=15. ب)L=1.0µm, w=50nmNg=15, α=9.8µm و .d=0.6µm

شکل 9- ساختار MSM-PDارائه شده توسط هتریچ (Hetterich) که در آن از تحریک¬های SP برای بهبود جذب، استفاده شده است.

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #21

این موضوع، نشان می دهد که وجود الکترودها نه تنها مانعی برای جذب نور در نیمه هادی نیست، بلکه با استفاده از خاصیت SP باعث بهبودِ جذب نیز می شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش عرض الکترودها (W) (کاهش فاصله بین آنها (d))، پیک جذب در QW به سمت انرژی های پایین تر شیفت پیدا می کند (شکل 10-ب). بیشترین جذب برای عرض 460nm رخ داده است که معادل با طول موج جذبی 1030nm است.

شکل 10- نتایج شبیه سازی ساختار MSM پلاسمونیک بهینه شده. الف. بهبود 16 برابری ضریب جذب. ب. شیفت در پیک جذب به ازای پهناهای مختلف الکترودها.

​

در سال 2008، یک ساختار توری پراش دایره ای برای بهبود نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز مادون قرمز، پیشنهاد داده شد[12].شبیه سازی ها نشان داد که نسبت سیگنال به نویز در این ساختار تا 5.2 برابر بهبود می یاید، در حالیکه برای توری پراش خطی حداکثر 1.7 برابر بهبود حاصل می شود. ضریب جذب در ساختار توری پراش دایره ای، 400 برابر نسبت به حالت بدون توری پراش بیشتر شده است.

در سال 2010، یک ساختار آشکارساز MSM باتوری پراش فلزی مانند شکل 11 پیشنهاد داده شد [13]. تشعشعات SPP بوجود آمده در مرز نیمه های و فلز توری پراش شده، باعث می شود تا ضریب جذب نسبت به MSM هایی با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش فلزی، 16 برابر بهبودپیدا کند. عوامل موثر در ضریب جذب عبارتند از: تعداد توری پراش، دوره تناوب توری پراش، پهنا و ارتفاع روزنه و ارتفاع توری پراش ها. نتایج ارائه شده نشان داد که هرچه ارتفاع و ضخامت روزنه کمتر شود ضریب جذب بیشتر می شود. همچنین، تغییرات پهنای اولین توری پراش فلزی علاوه بر تاثیر بر ضریب جذب، باعث شیفت در طول موجِ پیکِ جذب می شود.

شکل 11- ساختار ارائه شده توسط تن (Tan).

​

جدول 1، مقادیر بهینه شده برای ساختار شکل 11 را در طول موج 980nm نشان می دهد. همچنین نشان داده شد که تاثیر توری پراش فلزی بر روی ضریب جذب به ازای تعداد توری پراش های بیشتر از 5 عدد (Ng > 5)، اشباع می شود.
​

جدول1-مقادیر بهینه شده برای شکل 11.​

	پارامتر	مقدار بهینه شده برای طول موج 980nm
hg	ارتفاع توری پراش فلزی	100nm
Xd	پهنای روزنه	50nm
L	ارتفاع روزنه	100nm
Xm	توری پراش فلزی	300nm
Ng	تعداد توری پراش	5
	نسبت بهبود ضریب جذب	16 برابر

​

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #22

برای بهبود بیشتر ضریب جذب، درسال 2010، یک ساختار MSM پلاسمونیک با دولایه توری پراش مانند شکل 12، بر پایه ساختار شکل 11، پیشنهاد داده شد[14]. نتایج ارائه شده نشان داد که ضریب جذب نسبت به ساختار MSM با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش، 25 برابر بهبود پیدا کرده است. جدول (2)، مقادیر بهینه شده ساختار شکل (12) را برای طول موج 980nm نشان می دهد.
در سال 2011، تاثیر شیفت فاز اولین توری پراش و ذوزنفه ای بودن توری پراش فلزی، در ساختاری مانند شکل 13، به صورت تئوری و عملی بررسی شد و نشان داده شد که در عمل، شکل توری پراش ها به جای مستطیلی بودن، ذوزنقه ای است. نتیجه افزایش شیفت فاز و ذوزنقه ای بودن توری پراش ها، کاهش ضریب جذب آشکارساز MSM است. شیفت فاز به صورت رابطه (1) تعریف می شود که با افزایش آن علاوه بر کاهش ضریب جذب، طول موج جذبی به سمت طول موج های پایین تر شیفت پیدا می کند[15]:

شکل 12- ساختار توری پراش دوتایی ارائه شده توسط تن (Tan).



جدول 2-مقادیر بهینه شده برای ساختار شکل 12.

	پارامتر	مقدار بهینه شده برای طول موج 980nm
Xmp	چرخه ی وظیفه توری پراش بالایی	0.5
Xm	پهنای اولین توری پراش بالایی	300nm
Xd	پهنای روزنه زیر طول موج	50nm
Xbmp	چرخه ی وظیفه توری پراش پایینی	0.5
Xbdp	پهنای اولین توری پراش پایینی	50nm
hg	ارتفاع توری پراش بالایی	60nm
L	ارتفاع روزنه زیر طول موج	100nm
h	ارتفاع توری پراش پایینی	60nm
Λ	تناوب توری پراش بالایی	950nm
Λb	تناوب توری پراش پایینی	200nm

​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 6, 2013

• #23

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

شکل 13- ساختار مورد بررسی توسط داس (Dass).

و بالاخره در سال 2013، پیشنهاد داده شد که به جای استفاده از ساختار توری پراش دوتایی، از یک ساختار مشابه با شکل 14 استفاده شود که در آن به جای استفاده از لایه توری پراش دوم از نانو ذرات (NP) Nano Particle)، استفاده شده است[16].تشعشعات پلاسمونیک در این NPها باعث بهبود بیشتر ضریب جذب می شود. نتایج ارائه شده نشان داد که 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. نانوذرات مورد استفاده، نانو ذرات طلا و نقره می باشند که نانوذرات نقره،ضریب جذب بالاتری دارند.

​

​

​

شکل14- ساختار MSM پلاسمونیک با یک لایه توری پراش فلزی، روزنه زیر طول موج و نانو ذرات.



​

​

4-نتیجه

امروزه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی- فلز، به دلیل راندمان بالاتر و فرآیند ساخت ساده تر و همچنین پهنای باند بیشتر نسبت به آشکارسازهای نوری متداول، توجه زیادی را در زمینه مخابرات نوری و مدارات مجتمع نوری به خود جلب کرده است. یکی از محدودیت های افزایش سرعت پاسخ و کاهش ابعادMSM-PDها، بهینه سازی بین سرعت پاسخ و حساسیت است. در سال های اخیر با استفاده از علم پلاسمونیک، ساختارهای MSM-PD های جدیدی ارائه شده¬اند. به طور کلی این آشکارسازها از سه جزء: زیرلایه جاذب نور، توری پراش فلزی و روزنه زیرِ طول موج تشکیل می شوند. ساختارهای MSM-PD های پلاسمونیک، نسبت به MSM-PD های معمولی، یعنی MSM-PD هایی بدون توری پراش فلزی و روزنه زیر طول موج، تا چند ده برابر افزایش ضریب جذب نور در لایه فعال را دارند در حالی که روزنه عبور نور در این ساختارها دارای پهنایی در حدود چند ده تا صد نانومتر است. ابعاد بسیار کوچک MSM-PD های پلاسمونیک، یکی از بخش های مهم برای دستیابی به مدارات مجتمع نوری است.