مدل سازی و شبیه سازی آشکارسازهای نوری بر پایه نانونوارهای گرافین
Abstract
در این رساله آشکارساز نوری بر پایه نانونوار گرافن با الکترودهای نامتقارن بگونه ای شبیه سازی شده است که درغیاب ولتاژ خارجی تنها با تابش نور به ناحیه کانال قادر به تولید جریان در مدار خارجی باشد. اساس کار این آشکارساز برپایه ی دو فلز متفاوت با توابع بزرگتر و کوچکتر از تابع کار گرافن به عنوان الکترود است. در این صورت الکترود با تابع کار بزرگتر مشابه اتصال آلاییده از نوع p و الکترود با تابع کار کوچکتر مشابه اتصال آلاییده از نوع n رفتار می کند. این امر باعث ناهمتراز شدن پتانسیل های الکتروشیمیایی در دو الکترود می شود. این ناهمترازی به نوبه خود باعث جاری شدن الکترون ها و حفره های تولید شده در اثر جذب نور در کانال به دو سوی مخالف و درنتیجه ایجاد جریان می شود. از مهمترین مزیت های این آشکارساز می توان به جریان تاریک صفر در آن اشاره کرد. به طور کلی برای تعیین ناحیه عملکرد آشکارساز، از تقریب هامیلتونی تنگ بست درفرمولبندی تابع گرین غیرتعادلی برای محاسبه ی جریان تولید شده در اثر تابش نور، برحسب انرژی فوتون فرودی بهره می گیریم. بررسی کیفیت این آشکارساز نیز با محاسبه دو کمیت بازدهی کوانتومی و پاسخ دهی نوری مشخص شده است. با به کارگیری از الکترودها با توابع کار مختلف و درنتیجه ایجاد پله های پتانسیل متفاوت، اثر جنس الکترود بر جریان نوری، بررسی می شود. نشان می دهیم، هر چه اختلاف پله های پتانسیل در سورس و درین بیشتر باشد اندازه ی جریان نوری تولید شده در این آشکارساز نیز بیشتر خواهد بود. همچنین دراین رساله برای اولین بار نشان می دهیم هرگاه یک نانو نوار گرافن به عنوان کانال به دو الکترود فرومغناطیس و نامتقارن متشکل از کبالت/طلا/گرافن (به عنوان سورس) از یک سو و کبالت/مس/گرافن (به عنوان درین) از سوی دیگر متصل شود، درغیاب ولتاژ خارجی، می تواند به عنوان یک آشکارساز نوری-اسپینی دو منظوره عمل کند. نشان خواهیم داد تابش نور مرئی قطبیده یا غیرقطبیده به کانال نانونوار گرافن می تواند باعث شارش جریان نوری-اسپینی در مدار شود. از لایه های میانی طلا و مس به منظور جلوگیری از هیبریدشدگی فلز فرومغناطیس با گرافن و تولید الکترودهای سورس و درین نامتقارن استفاده می شود. همچنین از طریق آن ممان مغناطیسی فلز فرومغناطیس به لایه گرافنی نفوذ می کند. جمعیت اسپین غیرتعادلی با تاباندن نور قطبییده یا غیرقطبیده به کانال تولید می شود. تابش نورغیرقطبیده به کانال منجر به تولید الکترون و حفره در کانال می شود. اختلاف پتانسیل بین الکترودهای سورس و درین نامتقارن این حامل ها را به سمت مدار خارجی سوق می دهد. در عبور حامل ها از سطح مقطع مغناطیسی کانال با الکترود فرومغناطیس، جفت شدگی اسپین–بار باعث ایجاد جمعیت اسپین غیرتعادلی می شود. محاسبات نشان می دهد که این افزاره در معرض تابش نور غیرقطبیده درغیاب ولتاژ خارجی همانند یک شیر اسپینی-نوری عمل می کند. ازطرف دیگر در معرض تابش نور قطبیده، جهت گیری اسپینی-نوری با انتقال اندازه حرکت زاویه ای فوتون به الکترون منشا دیگر جمعیت اسپین غیر تعادلی خواهد بود. نشان می دهیم این افزاره در معرض تابش نور قطبیده علاوه بر شیر اسپینی-نوری، می تواند بعنوان یک آشکارساز هلیسیتی نور عمل کند.