انتخاب صفحه

فهرست مطالب

1فصل اول: مقدمه

موضوع کربن و ساختارهای تولید شده از آن موضوع جذاب و گسترده‌ای است. ابتدا فلورن و سپس نانو لوله‌های کربنی در 1991 و بعد از دوازده سال گرافن در سال 2003 توسط گروهی که گایم و نووسلوف سرپرستی آن را داشت ساخته شد. والاس مدت¬ها پیش از از مشاهده آزمایشگاهی گرافن با استفاده از مدل تنگ بست خواص آن را پیش بینی شده کرده بود[1]. در سال 2003 چیزی که والاس بیش از پنجاه سال قبل پیش بینی کرده بود انجام شد و همان خواص را نشان داد. به منظور تعریف ساختارهای دو بعدی ما یک حد بالایی از تعداد اتم را در نظر می‌گیریم که اگر از آن بالاتر باشد دیگر دو بعدی محسوب نمی‌شود. برای یک نیمه هادی باید بین 10 تا 100 لایه اتمی روی هم باشد[2]. تلاش‌ها برای تولید گرافن به عنوان یک ماده دو بعدی با استفاده از روش‌های معمول کافی نبود چون در اثر افت و خیزهای گرمایی باز هم سیستم تمایل رفتن به سمت سه بعد دارد و دو بعدی آن ناپایدار است. اما راه حل این است که گرافن را با سیستم‌های سه بعدی تماس دهیم تا پایدار شود. برای این کار می‌توان گرافن را بر روی یا بین دو ماده سه بعدی به وجود آورد[2]. ساختار لانه زنبوری گرافن در شکل ‏1 1 آمده است. اگر به هر سلول نگاه کنیم مثل این است که دو مثلث در هم نفوذ کرده است به‌طوری که مثلا اتم B از یک مثلث درست وسط ضلع مثلث دیگر که از اتم A ساخته شده است قرار گرفته است. هر اتم یک اوربیتال s و سه اوربیتال p دارد. اوربیتال s و دو تا از p ها در صفحه گرافن به شدت توسط نیروی کووالانسی محکم شده‌اند و در رسانندگی شرکت نمی‌کنند اما اوربیتال p باقی مانده جهت گیری عمود بر صفحه گرافنی دارد و تحت دوران فرد است و از نوار ظرفیت به نوار رسانش هیبریداسیون می‌کند. طول پیوند کربن-کربن در گرافن aC-C=1.42 A° است. ساختار لانه زنبوری گرافن را می‌توان به عنوان یک شبکه براوه با دو اتم در هر سلول واحد در نظر گرفت که در شکل ‏1 1 به صورت A و B نشان داده شده است. بدین ترتیب دو الکترون π در هر سلول واحد در خواص الکترونیکی گرافن شرکت می‌کند. ساختار نواری گرافن در شکل ‏1 2 رسم شده است و مشخص می¬باشد که نوار ظرفیت و رسانش بدون گاف به هم متصل شده است.
بهترین توصیف برای ساختار الکترونیکی گرافن، استفاده از تقریب نزدیک‌ترین همسایه در روش تنگ بست است[1]. همانطور که گفتیم گرافن دو اتم در سلول واحد خود دارد که منجر به دو نقطه مخروطی در هر منطقه بریلوئن می‌شود.در نزدیکی این نقاط انرژی به طور خطی به بردار موج وابسته است یعنی رابطه ای به شکل E=v_f ℏ|K| که در آن vf سرعت فرمی است که 1/300 سرعت نور می باشد. چگالی حالات در گرافن را با نشان می دهیم.
همانطور که گفتیم گرافن بدون گاف است، ولی می¬توان با تبدیل آن به نوارهای نانو در آن گاف ایجاد کرد[3].
بررسی تحرک پذیری در گرافن
در حالت کلی دو ویژگی بارز در گرافن وجود دارد که باعث افزایش تحرک پذیری می‌شود[4]:
1-عدم وجود پراکندگی 180 درجه
2-انرژی بالای فونون اپتیکی در گرافن
فرض کنید یک ناخالصی در گرافن داریم و پتانسیل آن به میزانی است که پراکندگی بین وادی صورت نمی‌گیرد و مسئله را می‌توان برای یک وادی تعریف کرد. پتانسیل را بصورت V ̂_imp (r)=U(r)I ̂ در نظر می‌گیریم[5]. از تقریب اول بورن استفاده می‌کنیم و احتمال پراکندگی را بدست می‌آوریم:
‏1 1 P(θ)∝|(<k^’,α^’ |U(r) I ̂ |k,α>)|^2
که |k^’,α^’> و |k,α> به ترتیب حالت نهایی و حالت اولیه است. چون برخورد الاستیک است k=k’ و α=α’ بنابراین تنها درجه آزادی که می‌تواند عوض شود زاویه است. اگر پتانسیل ذکر شده را بین ویژه حالت‌های گرافن قرار دهیم و در نظر بگیریم θ=ϕ_(k^’ )-ϕ_k داریم:
‏1 2 <k^’,α^’ |U(r) I ̂ |k,α>=(1+exp⁡(iθ))/2 U(K^’-K)
که اگر در رابطه ‏1 1 قرار گیرد یک جمله (1+Cos(θ))/2 داریم که به ازای π صفر می¬باشد و این یعنی پراکندگی 180 درجه ممکن نیست. از لحاظ فیزیکی امکان پراکندگی رو به عقب در گرافن به این دلیل وجود ندارد که در حالت پراکندگی رو به عقب داریم k=〖-k〗^’ حال اگر هامیلتونی گرافن را بررسی کنیم مشخص می¬باشد که معنای این جمله یعنی σ→-σ یعنی اسپین کاذب در گرافن عکس می‌شود که این کار توسط پتانسیل ذکر شده امکان پذیر نیست[5].
در گرافن و در دمای اتاق و به علت پراکندگی با فونون آکوستیکی مقاومت گرافن حدود 30 Ω کاهش پیدا می‌کند و با چگالی حامل 1012 cm-2 تحرک پذیری در حدود 2×105 cm2V-1s-1 دارد که از حداکثر تحرک پذیری InSb که حدود 7.7×104 cm2V-1s-1 یا نانو لوله کربنی که حدود 105 cm2V-1s-1 می¬باشد بیشتر است[6]. فونون اپتیکی در موادی مثل Si و GaAs انرژی حدود 63 mev و 32 mev به ترتیب دارند[7] که انرژی است که تقریبا در دمایی مثل دمای اتاق می‌تواند وجود داشته باشد و باعث کاهش تحرک پذیری شود اما گرافن انرژی فونون اپتیکی بالایی در حدود 200 mev دارد پس در دمای اتاق نمی‌تواند برانگیخته شود.

ساختار لانه زنبوری گرافن با دو اتم در هر سلول واحد

ساختار لانه زنبوری گرافن با دو اتم در هر سلول واحد

1-1-گرافن………………………………………………………………………….. 3
1-2-بررسی تحرک پذیری در گرافن……………………………………………… 5
1-3-خواص منحصر به فرد گرافن…………………………………………………. 6
1-4-روش‌های ساخت گرافن…………………………………………………….. 7
1-5-مقایسه گرافن و فلز واسطه¬ی دو بعدی که بین دو ماده¬ی چالکوجنید قرار دارد…………………………………………………………………………………. 8
1-6-بررسی جرم الکترون¬ها در گرافن و کاربرد گرافن در پیل¬های سوختی به عنوان دو
مورد از تحقیقات صورت گرفته روی گرافن………………………………………. 9
1-7-بررسی پیشینه تحقیقات صورت گرفته روی لیزر گرافن………………… 12

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم: محیط فعال لیزر

در این فصل ابتدا به معرفی لیزر و کاربردهای آن می¬پردازیم. سپس مفهوم شبه سطح فرمی را معرفی می¬کنیم. بعد شرایط تقویت نوری در نیمه هادی¬ها بعد از دمش را بیان می-کنیم. در نهایت در مورد استفاده از گرافن به عنوان ماده فعال لیزر توضیح می‌دهیم.
2-2- معرفی لیزر و اجزای آن
کلمه لیزر خلاصه شده واژه لاتینی می¬باشد که معنی آن تقویت نور به روش گسیل القایی تابش است. هر دستگاه لیزر سه جز اساسی دارد[23]:
الف-چشمه انرژی خارجی که به آن دمش می‌گوییم.
ب-محیط تقویت کننده که انرژی دمش به آن داده می‌شود و موضوع این پایان نامه هم بررسی گرافن در این بخش از لیزر است.
ج-کاواک نوری که به آن تشدیدگر هم می‌گوییم.
نور خروجی لیزر از فوتون تشکیل شده است. اما اگر بخواهیم تفاوت این نور را با لامپ معمولی بدانیم باید خواص نور لیزر را بررسی کنیم که شامل تکفامی، همدوسی، جهتمندی و درخشایی است که در ادامه در مورد هر کدام توضیح می‌دهیم.
تکفامی : این خاصیت از دو شرط ناشی می‌شود: 1- الکترونی که از طریق دمش انرژی دریافت کرده است در هنگام بازگشت به حالت پایه فوتونی تولید می‌کند که فرکانسی مشابه با همان فرکانس دمش دارد(البته بحث تولید هماهنگ های بالاتر را اینجا در نظر نمی‌گیریم). 2- کاواک لیزر فرکانس تشدید خاصی دارد که باعث می‌شود تنها نوسان در فرکانس‌های خاصی صورت بگیرد و تنها این فرکانس‌ها توانایی تقویت را داشته باشد[23].
همدوسی : برای هر موج الکترومغناطیسی دو نوع همدوسی فضایی و زمانی را داریم. فرض کنید دو نقطه را در t=0 بر روی جبهه موج در نظر بگیریم که اختلاف فاز صفر دارند. اگر این دو نقطه در هر لحظه بعد از این نیز اختلاف فازشان صفر باشد و به ازای سایر نقاط روی جبهه موج نیز همین ویژگی را داشته باشیم می‌گوییم این موج دارای همدوسی فضایی کامل است. همدوسی زمانی یعنی به ازای لحظه t=0 و لحظات بعد دو نقطه روی جبهه موج اختلاف فازشان بدون تغییر باقی بماند. در این حالت همدوسی زمانی کامل داریم[23].
جهتمندی : یعنی تنها نوری در کاواک می‌ماند و تقویت می‌شود که دقیقا عمود بر آینه باشد. خاصیت جهتمندی باعث می‌شود که نور لیزر در مسافت‌های طولانی بدون واگرایی منتشر شود[23].
درخشایی : توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد فضایی زاویه فضایی را درخشایی می‌گوییم[23].
2-3- کاربردهای لیزر
لیزرها انواع مختلفی دارند که هر کدام پارامترهای عملکردی خاصی را دارد. اگر لیزرها را بر اساس پارامتر محیط فعال دسته بندی کنیم، شامل لیزرهای حالت جامد، مایع و گازی می¬شود. به عنوان مثال لیزرهای حالت جامد می‌تواند شامل لیزرهای دیودی که با الکتریسیته دمش می‌شود یا لیزرهای جامد که با نور دمش می‌شود دسته بندی کرد[23].
از لحاظ کاربرد لیزرهای پیوسته با توان خروجی در حد mW به عنوان چشمه سیگنال مورد استفاده قرار می‌گیرد که در کاربردی مثل مخابرات نوری یا در دستگاه‌های بارکد خوان مورد استفاده است. لیزرهای پیوسته با توانی در حدود چند ده KW در کاربردهایی مثل صنایع فلزی(مثلا برای برش فلزات) مورد استفاده قرار می‌گیرد و همین لیزر با توان در حد چند MW در لیزرهایی که کاربرد نظامی مثل سلاح‌ها دارند استفاده می‌شود. در لیزرهای پالسی توان در قله می‌تواند خیلی بزرگ‌تر از لیزرهای پیوسته باشد که زمان این پالس می‌تواند از چند میلی تا چند فمتو ثانیه باشد. این نوع لیزرها می‌تواند در کاربردهایی مانند طیف نگاری(که در فصل بعد توضیح خواهیم داد) و کاربردهای دیگری مورد استفاده قرار گیرد[23].
2-4- لیزرهای نیمه هادی
لیزرهای نیمه هادی یکی از انواع لیزرهای موجود است. این نوع لیزر اهمیت زیادی برای کابردهایی نظیر ارتباطات دارد و مزایایی نظیر بهره مناسب و سازگاری با الکترونیک جدید دارند. ماده فعال این نوع لیزر ها معمولا نیمه هادی‌ها با گاف مستقیم می¬باشد. عمده موادی که برای این نوع از لیزرها به کار می‌رود عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی است. طول موج خروجی این لیزرها در بازه 640-1600 nm قرار دارد.

2-1-مقدمه…………………………………………………………………………. 16
2-2-معرفی لیزر و اجزای آن………………………………………………………. 16
2-3-کاربردهای لیزر………………………………………………………………… 17
2-4-لیزرهای نیمه هادی…………………………………………………………… 18
2-5-وضعیت نیمه هادی به عنوان ماده فعال لیزر در هنگام دمش توسط منبع انرژی …………………………………………………………………………………………18
2-6-شرط لازم نیمه هادی برای رسیدن به تقویت نوری بعد از دمش……….. 20
2-7-گرافن به عنوان ماده فعال لیزر بعد از دمش………………………………… 22

فصل سوم: بررسی حاملهای گرافن

بررسی ساختار نواری گرافیت تک لایه یا همان گرافن ابتدا توسط والاس در سال 1947 انجام شد. در آن مقاله بررسی ساختار نواری و خواص گرافن در شرایط تعادل به طور کامل انجام شده است. اما رفتار حامل‌ها در گرافن در شرایط غیر تعادلی با شرایط تعادلی متفاوت می¬باشد. نتایج یکی از اولین بررسی حامل‌ها با استفاده از دمش فمتو ثانیه نشان می‌دهد[28] که، اولا گرافیت به علت ناهمسانگردی که دارد از انتشار حامل در جهت عمود بر هر صفحه گرافیتی (گرافن) جلوگیری می‌کند. این موضوع یعنی اگر انرژی به گرافیت بدهیم، این انرژی در دو بعد درون آن منتشر می‌شود. این باعث می‌شود که گرافیت برای مطالعه دینامیک پلاسمای الکترون و حفره دو بعدی بسیار مناسب باشد. ثانیا ویژگی شبه فلزی که دارد هر دو خصوصیت نیمه هادی و فلز را دارا است. یعنی گرافن می‌تواند الکترون و حفره به‌وسیله برانگیختگی تولید کند که این یک رفتار شبیه نیمه هادی ها است و از طرف دیگر به علت عدم وجود گاف شبیه فلزات می‌باشد.
یکی از کاربردهای وسیع پالس‌های فمتو ثانیه مطالعه فرآیندهای دینامیکی شیمیایی، حالت جامد و بیولوژیکی خیلی سریع در مواد است. درست مانند فلاش‌های الکترونیکی(سرعت فلاش از مرتبه میلی ثانیه است) که هنگام روشن شدن مثل این هست که توقفی در جسم بوجود(که جابجایی به سرعت آن از مرتبه میلی ثانیه یا کمتر هست) می‌آورد، تا برای عکس برداری آماده شود. ما برای این که گرافن را در هنگام بر هم کنش با نور بررسی کنیم، ابتدا داده‌های مربوط به طیف نگاری را مطالعه کردیم که بتوانیم به‌وسیله آن تئوری مورد نیاز برای مدل کردن گرافن را بشناسیم.
در ادامه ابتدا روش طیف نگاری دمش-کاوشگر را به‌صورت خلاصه معرفی می‌کنیم. سپس وضعیت نوری گرافن حین دمش و وضعیت حامل‌های آن را بیان خواهیم کرد. در نهایت مدل‌های استفاده شده در فصل چهارم را مورد ازریابی قرار خواهیم داد.
3-2- معرفی طیف نگاری دمش-کاوشگر
به بررسی برهمکنش بین نور و یک ماده طیف نگاری می‌گوییم. ما برای بررسی خواص یک ماده از طیف نگاری استفاده می‌کنیم. طیف نگاری انواع مختلفی دارد که ما برای بررسی گرافن از طیف نگاری با روش دمش-کاوشگر استفاده کرده‌ایم.
در این نوع طیف نگاری فرآیند کار بدین گونه است که یک پالس لیزر به طرف نمونه پرتاب می‌شود و آن را برانگیخته می‌کند. این برانگیختگی یک تغییر p در خواص ماده ایجاد می‌کند که همان ویژگی مورد نظر ما است و داریم[29]:
P(t)→P0+∆P(t-t0)
که P0 خاصیت اولیه ماده و ∆P تغییر تولید شده در همان خاصیت است. پالس دوم که کاوشگر نام دارد به نمونه بعد از یک تاخیر زمانی t برخورد می‌کند. اغلب شدت پالس کاوشگر کوچک‌تر از شدت پالس دمش است. پالس دمش ملکول ها را به یک حالت برانگیخته می¬کند و خواص آن ماده(مثل ضریب جذب,ضریب شکست) عوض می‌شود. بعد اندازه‌گیری‌های مورد نیاز توسط کاوشگر که به آشکار ساز می¬رود صورت می¬پذیرد. خواصی که توسط پرتو کاوشگر بررسی می‌شود شامل موارد زیر است:
1-ضریب عبور و انعکاس
2-فلورسانس مواد
3-ضریب شکست
در دو حالت می‌تواند این طیف نگاری را انجام داد:
3-2-1-طیف نگاری دمش-کاوشگر تبهگن
در شکل ‏3 1 شمایی از این روش آمده است. در این روش موج پالس بعد از گذر از تقسیم کننده نوری به دو بخش تقسیم می‌شود. پالس مستقیم به نمونه برخورد می¬کند و کاوشگر با یک تاخیر زمانی به نمونه برخورد می‌کند و به قسمت آنالیز می‌رود. در این شکل یک قسمت به عنوان قطع کننده پرتو معرفی شده است.

شکل ‏3 1 طیف نگار دمش کاوشگر تبهگن[29]
3-2-2-طیف نگاری دمش-کاوشگر غیر تبهگن
در شکل ‏3 2 شمایی از آن آمده است. این روش مثل قبل است فقط یک قسمت پهن شدگی طیفی اضافه شده که در ادامه به عملکرد آن اشاره شده است. در این شکل یک قسمت به عنوان shutter معرفی شده است. از آن برای کنترل پرتو استفاده می‌کنیم به طوری که عبور پرتو را قطع و وصل می‌کند. برای مشاهده طیف‌های متفاوت ,داده‌ها به‌وسیله عملکرد shutter جمع آوری می‌شود.

طیف نگار دمش کاوشگر تبهگن

طیف نگار دمش کاوشگر تبهگن

3-1-مقدمه………………………………………………………………………… 26
3-2-معرفی طیف نگاری دمش-کاوشگر……………………………………….. 27
3-2-1-طیف نگاری دمش-کاوشگر تبهگن……………………………………… 28
3-2-2-طیف نگاری دمش-کاوشگر غیر تبهگن…………………………………… 28
3-2-3-چگونگی اندازه¬گیری واهلش حامل¬ها با طیف نگاری دمش-کاوشگر 29
3-3-نتیجه طیف نگاری دمش-کاوشگر در مورد واهلش حامل¬ها در گرافن… 30
3-4-نتیجه طیف نگاری دمش-کاوشگر در مورد خواص نوری گرافن……………. 33
3-5-چگونگی مدل کردن گرافن برای شبیه سازی تقویت(براساس نتایج طیف نگاری)………………………………………………………………………………… 35
3-5-1-مدل اول(مدل پدیده شناختی)……………………………………………..) 36

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل چهارم: بررسی جمعیت وارون در گرافن

در این فصل ابتدا رسانندگی گرافن را بدست می‌آوریم. بعد رابطه رسانندگی و تقویت نوری را بیان خواهیم کرد. سپس جمعیت معکوس در گرافن را بررسی می‌کنیم که این کار از دو روش که یکی بر اساس پدیده شناختی است و دیگری بر اساس معادله انتقال بولتزمن انجام می¬شود.
محاسبه رسانندگی الکتریکی گرافن
جذب نوری در گرافن به دو صورت انتقال بین نواری و داخل نواری است و این دو انتقال بستگی به طول موج تابیده شده به گرافن است. در مادون قرمز دور پاسخ نوری گرافن غالبا داخل نواری و در ناحیه مادون قرمز میانی و نزدیک پاسخ نوری بین نواری است. در بررسی این رساله طول موج¬های استفاده شده در مادون قرمز نزدیک است. بررسی رسانندگی گرافن در مقالات متعددی[39-44] صورت گرفته است. برای محاسبه رسانندگی الکتریکی گرافن از روش کوبو استفاده شده است.
برای محاسبه ابتدا هامیلتونی گرافن را در مدل تنگ بست به‌صورت معادله ‏4 1 می‌نویسیم[43]:
‏4 1 H=-t∑_(R,σ)▒∑_(δ=δ_1-δ_3)▒〖[a_σ^† (R)b_σ (R+δ)〗+H.C.]
در این جا تقریب نزدیکترین همسایه به کار رفته است و در آن a_σ^† (R) یک الکترون در زیر شبکه A تولید می کند و b_σ^† (R) یک الکترون در زیر شبکه B تولید می کند. t پارامتر جهش می¬باشد که مقدار آن حدود 3 ev است. بردار های δ در شکل‏4 1 نشان داده شده اند.

4-1-مقدمه ……………………………………………………………………….42
4-2-محاسبه رسانندگی الکتریکی گرافن………………………………….. 42
4-3-رابطه رسانندگی و تقویت نوری………………………………………… 48
4-4-بررسی جمعیت وارون در گرافن از روش پدیده شناختی …………….49
4-5-بررسی جمعیت وارون در گرافن با روش تابع انتقال بولتزمن…………. 60

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

منابع……………………………………………………………………………….71

Abstract

In this thesis, the use of single-layer graphene as a laser active material is studied. Electrical conductivity is a factor that is considered for reaching an optical gain. If electrical conductivity is negative then we achieve population inversion and optical gain. In order to determine the electrical conductivity, we first calculate the Fermi level by noting from spectroscopic studies that quasi Fermi levels for electrons and holes are formed after pumping. This indicates that two different chemical potentials exist for electrons and holes which are different from the equilibrium value of Fermi level. Our results show that for a system with an equilibrium Fermi level of 0.4 ev, quasi Fermi levels of 1 ev and -0.9 ev are formed for electrons and holes respectively, after excitation with a pump energy of 1.55 ev. Another parameter that contribute to the conductivity is carrier temperature that is different from equilibrium temperature values. Result of this thesis show an excitation carrier temperature of 2000 K whereas the equilibrium temperature is 300 K. We have used two different models for calculating temperature and quasi Fermi level of carriers to examine the amplifying condition for graphene. Our results show that if graphene is pumped at high intensities then a negative conductivity is expected



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان