جایگزیدگی و عبور نور در ساختارهای فلزی با ابعاد زیر طول موج و کاربردهایی از آن در ابزارهای پلاسمونیکی

نانو ساختارهای فلزی نقش مهمی در طراحی ساختارهای با ابعاد زیر میکرومتری که قادر به کنترل نور در فضایی بسیار کوچکتر از حد پراشند، دارند. محدودسازی نور در چنین نانوساختارهایی حاصل برانگیزش مدهای پلاسمون سطحی (sps) و پلاسمون جایگزیده (lsps) در مرز مشترک فلز و دی الکتریک است. تحقیق و بررسی پلاسمونها علم و تکنولوژی ابزارهای جدیدی را معرفی می کند. هدف از این مطالعه پیشنهاد دادن نانوساختارهای فلزی با قابلیت تحریک sps و lsps در آنها جهت استفاده در ابزارهای اپتیکی و الکترواپتیکی می باشد. این ابزارها قابل استفاده در ادوات الکترواپتیکی و اپتیکی مانند آشکارسازها و سلول های خورشیدی، میکروسکوپ های نوری میدان نزدیک و ابزارهای ذخیره اطلاعات می باشند. ما به دنبال یافتن مشخصات هندسی این ساختارها برای عملکرد بهینه ابزار موردنظر می باشیم. شبیه سازی های انجام شده با حل عددی توسط بسته-های نرم افزاری بر پایه روش المان محدود (comsol) و تفاضل محدود در حوزه زمان (opti-fdtd) انجام شده است. در ساختار اول، به بررسی تداخل پلاسمونیک های سطحی ایجاد شده که نقش مهمی در عبور نور از یک روزنه ایفا می-کنند؛ پرداخته شده است. در این ساختار تلاش شده است عبور نور از یک روزنه فلزی که توسط یک فرورفتگی احاطه شده-است، با تمرکز بر روی اطلاعات فاز مربوط به امواج پلاسمون سطحی، بهینه شود. ساختارهای شامل حفره-فرورفتگی با عبور بهینه نور، ابزارهای مناسبی برای طراحی میکروسکوپ های نوری میدان نزدیک و اهداف ذخیره اطلاعات با راندمان بالا هستند. دردومین ساختار، نشان داده شده است با بهره گیری از توری های فلزی برروی سطح سیلیکون می توان مشکل پایین بودن راندمان کوانتومی آشکارسازهای سیلیکونی سد شاتکی را حل کرد. ساختار فلزی به گونه ای طراحی شده است که قسمت عمده انرژی نور فرودی در نزدیکی سد شاتکی به الکترون های داغ منتقل شود. آشکارساز پهن باند پیشنهادی که با قرار دادن دو نوع توری مختلف برروی سیلیکون در پهنای طول موجی 200 نانومتر بدون حساسیت به زاویه نور فرودی کار می کند؛ قادر است 76 درصد نور مادون قرمز فرودی را جذب و آشکارسازی کند.نتایج به دست آمده راه حل مطمئنی برای دستیابی به آشکارسازهای سیلیکونی سد شاتکی با راندمان کوانتومی بالا می باشد. جذب پایین گرافین در محدوده طیف مرئی استفاده از این ماده منحصربه فرد در ادوات پرسرعت الکترواپتیکی را محدود می سازد. در سومین ساختار مطالعه شده، با کمک روشهای عددی نشان داده ایم که می توان از نانوساختارهای فلزی برای افزایش جذب نور در یک تک لایه گرافین استفاده نمود. نتایج شبیه سازی های انجام شده نشان می دهد برانگیخته شدن رزنانسی پلاسمون های سطحی در نانوساختار فلزی به طرز چشمگیری میدان الکترمغناطیسی موضعی در نزدیکی گرافین را افزایش داده و باعث افزایش ناگهانی جذب در لایه گرافین می شود. با طراحی مناسب نانوساختار فلزی می توان جذب گرافین را در محدوده وسیعی از طول موج افزایش داد به طوری که جذب مستقل از زاویه فرودی بماند. نتایج به دست آمده راه مطمئنی برای افزایش جذب تک لایه گرافین در محدوده نور مرئی می باشد، که در طراحی سلول های فوتوولتائیک بر پایه گرافین مورد توجه می باشند.