فهرست مطالب

1فصل اول: مقدمه

روش حل پراکندگی توسط یک کره از زمان‌های خیلی قبل وجود داشته است. در 1908، مای به منظور توضیح رنگ های متنوع در جذب و پراکندگی توسط ذرات کلوئیدی کوچک طلا معلق در آب، این تئوری را توسعه داد. کار دبای که موضوع پایان نامه دکترایش، به فشار تابشی بر ذرات کروی مربوط می‌شد. او به جای کار کردن مستقیم با مولفه‌های بردارهای میدان ؛ تابع پتانسیل مشتق شده از بردار هرتز را به کار برد،همان کاری که مای انجام داد[1].
مقاله مای )1908(تحت عنوان «ملاحظات اپتیکی در محیط های غیرشفاف ، به خصوص ذرات طلای کلوئیدی» تنها بیانی از فرمول های پراکندگی نیست؛ بلکه به علت هر دو جنبه آزمایشگاهی و محاسباتی اهمیت داشته است[2]. محاسبه رنگ های تابان که از ذرات فلزی کلوئیدی پراکنده میشوند، توسط فارادی( 1857) مطالعه شد .[3]
کارهایی که در پراکندگی مای )1908( مرجع قرار گرفته بودند توسط افراد زیر ارائه شدند[1] :
تامسون (1893) در مورد کره های کاملاً بازتاب کننده،
ریلی در مورد کره های دی الکتریک کوچک
و لورنز (1898،1880 ) در مورد کره های جاذب کوچک.
هر چند این تئوری توسط چندین محقق قبل از مای کار شده بود و حتی تاریخچه آن به نیمه قرن نوزدهم بر می گردد . لوگان (1965-1962) یک تاریخچه قابل ملاحظه را دنبال کرده است، کلبش در 30 اکتبر 1861 مقاله‌ای تحت عنوان «درباره بازتاب روی یک سطح کروی‌» ارائه داد و در 1863 منتشر شد. یک سال قبل از اینکه تئوری الکترومغناطیس نور توسط ماکسول پیشنهاد شود. در این مقاله کلبش حل کلی برای معادله موج کشسان بر حسب تابع موج برداری به دست آورد، که توسط نویسنده های بعدی استفاده شد. هر دولورنز (1890،1898) و دبای (1909)کار کلبش را مرجع قرار دادند.
مسئله موج کشسان بسیار پیچیده تر از هر دو مسئله موج الکترومغناطیسی یا صوتی است. حل اخیر می توان از تجزیه تحلیل کلبش با قرار دادن سرعت انتشار امواج طولی به سمت بی نهایت به دست آورد برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توان به کتاب پراکندگی نور کرکر (1969) مراجعه نمود[1].
نه مای و نه دبای هیچ کدام جز اولین کسانی نبودند که یک جواب برای مسئله کره به دست آورده بودند. تعیین اینکه دقیقاً چه کسی در این امر اولین بوده کار ساده ای نیست. هر چند لورنز یک مدعی قوی برای این افتخار است.
حل کره روکش شده توسط کرکر و ادن (1951) برای اولین بار انجام شد؛ که می توان آن را به کره چندلایه تعمیم داد [2].
در سال 1975 ، ايساكي و همكاران براي نخستين بار مفهوم سيمهاي كوانتومي و نقاط كوانتومي را ارائه دادند[4] . در سال 1982، دو دانشمند روسی به نـام¬های اکیموف و اوموشچنکو مشاهده اولین محدودیت کوانتومی را گزارش کردند [5]. پیشرفت منظم نقاط کوانتومی در علم و فن آوری پس از سال 1984 به دست آمد، زمانی که لوئیس بروس رابطه بین اندازه و گاف انرژی نانو ذرات نیمه هادی به دست آورد [6,7]. با این حال برای ساخت موفقیت آمیز نقاط کوانتومی کلوئیدی Cdx(x=S,Se,Te) توسط ماری و همکاران با اندازه قابل تنظیم زمانی نزدیک به یک دهه به طول انجامید [8].
با گسترش روز افزون علم نانو دریچه های جدیدی در دنیای علم گشوده شده است به گونه ای که توسعه این علم در دهههای اخیر امکان ساخت طیف جدیدی از ادوات را فراهم آورده است[9] . علم نانو با ورود به دنیای اپتیک امکان ساخت ادوات نوری متنوعی را فراهم آورده است. ساختارهای نانویی بازتابنده و جذب کننده نور با بازدهی بالا برای محدوده‌ی وسیعی از وسایل اپتو الکترونیک و سیستم های کاربردی به کار می رود. از سلول‌های خورشیدی و آشکارسازهای ساده گرفته تا بازتابنده های پیشرفته نور مبنی بر کاربرد هایش؛ شامل آنهایی که برپایه‌ی جذب چند فوتونی نور اند. از این دید گاه میتوان به جذب دو فوتونی فلورسانس القایی به عنوان یک پدیده اپتیک غیر خطی قدرتمند اشاره کرد ؛ که برای کابردهای تصویربرداری زیستی به خصوص برای تصویربرداری از بافت های عمیق [10] و برای فوتو دینامیک درمانی [11] به کار میرود. در فوتو دینامیک درمانی فوتونی که توسط دو فوتون کم انرژیتر تولید شده برای تولید گونه های اکسیژن واکنش دار یاخته سمی در بافت سرطانی استفاده می شود. در مورد اخیر، متمرکز کردن اشعه نزدیک مادون قرمز در بافت سرطانی -که به نزدیک مادون قرمز نسبتاً شفاف است – می‌تواند در نفوذ بافت عمیق و به تبع آن تخریب انتخابی سلول های بدخیم از طریق جذب دو فوتونی فلورسانس القایی مؤثر-تولید ROS واداشته شده را نتیجه دهد[11]. با توجه به نانو ساختارها برای تصویر برداری زیستی بر مبنای TPAF یک نیاز بلند مدت به فلوئورفورهای TPAF غیرسمی در بالاترین درخشندگی قابل حصول وجود دارد. به دلیل مزایای متعدد نقاط کوانتومی بر دیگر فلوئورفورها ،از جمله: الف)طیف جذبی پهن و خصوصیات اختیاری نشر قابل تنظیم؛ ب)بازده کوانتومی بالا؛ ج)پایداری فوتوشیمیایی نسبتاً بالا و د)سطح مقطع جذب دو فوتونی نسبتاً بزرگ، نقطه های کوانتومی نیمه رسانا توجه زیادی را به عنوان نانو ذره TPAF به خود جلب کرده است [12]. نقاط کوانتومی نیمه‌هادی با تحریک الکتریکی توسط گستره‌ی وسیعی از طول موج‌ها در فرکانس‌های کاملاً مشخصی به فلورسانس می‌پردازند، ‌به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده و در فرکانسی مشخص- که تابع اندازه آنهاست- به نشر نور می‌پردازند. نقطه های کوانتومی عمدتاً در کاربرد های اپتوالکترونیک مانند لیزر های نیمه هادی، آشکار سازهای نوری یا حافظه های نوری استفاده می‌شوند.
فصل دوم را با نقطه های کوانتومی شروع می‌کنیم. ابتدا نگاهی تاریخی به نقاط کوانتومی داریم وسپس از دید فیزیکی به آن می‌پردازیم. نقطه های کوانتومی نانو بلورهای نیمه رسانای با ابعاد بین 2 تا 10 نانومتر هستند که قطر فیزیکی آن‌ها از شعاع اکسیتون بوهر کوچکتر است. بنابراین شعاع اکسیتون و اثر تحدید کوانتومی و بررسی تغییر اندازه‌ی نقطه کوانتومی با تغییر در خواص اپتیکی را بیان می‌کنیم.

فصل دوم: ویژگی های ساختار مورد بررسی

نقاط کوانتومی نانو بلور های نیمه هادی هستند که قطر فیزیکی آنها کمتر از شعاع بوهر اکسایتون است . این مواد نسبت به نانو ذرات توده ای رفتار متفاوتی نشان می دهند و دارای ویژگی های اپتو الکترونیک جالب و قابل توجهی هستند [14] . موادی از قبیل سلنید کادمیوم،سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم و غیره بسته به اندازه، طول موج یا رنگ معینی از نور را پس از تحریک الکترون¬ها با استفاده از یک منبع خارجی از خود ساطع می کنند. انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیص های پزشکی کاربرد فراوانی دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانی عمل می کنند با این تفاوت که در برابر درخشان شدن خاصیت و توانایی خود را از دست نمی‌دهند و در مدت زمان طولانی تری روشن باقی می‌مانند[15].

2-1-1 اکسیتون
هنگامی که فوتونی به یک الکترون درون مولکول برخورد می کند اگر انرژی فوتون برابر یا بیشتر از مقدار انرژی بین حالت پایه ی الکترونی و حالت های اشغال نشده باشد، الکترون انرژی فوتون را جذب نموده به حالت انرژی بالاتر منتقل می شود. این اتفاق برای یک الکترون در یک نیمه رسانا نیز رخ می¬دهد و الکترون ها، فوتون¬های با انرژی بیشتر از گاف انرژی را جذب کرده و از نوار ظرفیت به نوار هدایت منتقل می¬شوند. هنگامی که الکترون به نوار هدایت برانگیخته می¬شود یک فضای خالی در نوار ظرفیت بر جای می¬گذارد که در فیزیک به آن حفره گفته می¬شود. حفره بسیار شبیه به یک الکترون با بار مثبت عمل می کند.
هنگامی که الکترون برانگیخته می¬شود ممکن است یکی از دو مورد زیر رخ دهد. اولین امکان این است که دو ذره مسیر مستقیم خود را طی کرده الکترون از یک سمت و حفره از سمت دیگر حرکت نماید. در صورت یک مهندسی هوشمندانه می توان الکترون را از یک انتهای ماده و حفره را از انتهای دیگر جمع آوری نمود که این حالت با نام جریان الکتریکی شناخته می¬شود. از طرف دیگر مورد دیگری می تواند رخ دهد و آن تشکیل اکسیتون می¬باشد. به علت اینکه یک ذره ی باردار مثبت در مجاورت یک ذره ی باردار منفی قرار می¬گیرد این دو می¬توانند یکدیگر را به دام انداخته و چیزی شبیه به اتم هیدروژن تشکیل دهند. این سیستم دوتایی ناپایدار اکسیتون نامیده می¬شود. پس یک اندرکنش جاذبه الکتروستاتیک بین حفره والکترون طبق رابطه ي زیر پدید می¬آید.

2-1ویژگی نقطه کوانتومی………………………………………………….. 8
2-1-1اکسیتون………………………………………………………………… 8
2-2پلاسمون سطحی……………………………………………………….. 12
2-3ساختار نقطه کوانومی پلاسمونی……………………………………… 13
2-4-روش ریاضی استفاده شده برای محاسبه ی تابع دی الکتریک نانوپوسته فلزی ……………………………………………………………………………………14
2-5بررسی مدل درود………………………………………………………… 15
2-5-1مدل درود در فلزات…………………………………………………….. 15
2-5-2-اصلاح مدل درود برای نانو فلزات………………………………………. 17
2-5-3-نمودارهای تابع دی الکتریک وابسته به اندازه نانو فلزات نجیب….. 18

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

فصل سوم:نحوه انجام محاسبات

ما از تئوری پراکندگی مای با مدل بردار هماهنگ کروی [26] برای بررسی افزایش میدان الکتریکی در ساختار نانویی چند لایه استفاده کرده¬ایم. ساده ترین مدل هندسی که برای تجزیه و تحلیل پراکندگی مای در اینجا استفاده می¬شود این است که فرض می¬شود نانو ذرات شامل هسته تک نقطه کوانتومی نیمه رسانا و یک لایه نانو پوسته دی¬الکتریک و یک لایه نانو پوسته فلز نجیب است که این نانو ذره توسط آب احاطه شده است (چون بافت بدن تا حدود زیادی آب است)، از آنجایی که مربوط به تصویر برداری زیستی است. ثابت دی الکتریک محیط اطراف نانو ذره 78/1 است [26]. ما در اینجا بر تحریک جذب دو فوتونی نقطه کوانتومی سلنید کادمیوم به اندازه nm 6 که قله فلورسانس آن در طول موج nm 600 اتفاق می افتد و طول موج بهیینه برای تحریک جذب دو فوتونی در محدوده nm 800 تا nm 950 واقع میشود تاکید می‌نمائیم [12].
ساختار مورد مطالعه ما یک نانو ذره چند لایه کروی است لایه اول یک نقطه کوانتومی است که در مرکز نانو ذره کروی قرار دارد، لایه دوم نانو پوسته دی الکتریک است و لایه سوم نانو پوسته فلز نجیب است. همه لایه ها هم مرکز هستند. نور را از بیرون به این نانو ذره می¬تابانیم و میدان الکتریکی را در هر لایه از این نانو ذره محاسبه می¬کنیم. این نانو ذره در آب قرار دارد. تئوری مای به توصیف پراکندگی موج تخت و تکفام، به وسیله ماده کروی شکل که توسط محیط همگن و همسانگرد احاطه شده می¬پردازد. نقطه شروع از حل معادله ماکسول در غیاب بار و جریان خارجی است. به دلیل کروی بودن نانو ذرات معادلات ماکسول در مختصات قطبی کروی حل می¬شوند. با شرط پیوستگی مؤلفه¬ی مماسی میدان¬های الکتریکی و مغناطیسی، به روابط بازگشتی می¬رسیم و می¬توان در هر لایه از نانو ذره کروی میدان الکتریکی را به دست آورد.
3-1 بسط موج تخت بر حسب هماهنگ های کروی برداری

پراکندگی مای، پراکندگی تابش الکترومغناطیسی توسط ذرات کروی است که قطر قابل مقایسه با طول موج تابش فرودی دارند. در طبیعت ما این اثر را به عنوان مثال در ظاهر سفید ابرها می بینیم . به این صورت که قطره های آب موجود در ابر در اندازه های مختلف موجود می‌باشند و چون امواج پراکنده شده به اندازه قطره¬ها بستگی دارد پس تمام طول موج‌ها را پراکنده می‌کند. ترکیب طیف تابش پراکنده شده سبب می¬شود ابرها سفید به نظر برسند. ما اینجا از پراکندگی مای برای بررسی تغییرات میدان الکتریکی در یک نانو ذره کروی شکل با هسته نقطه کوانتومی و جدا کننده دی الکتریک و نانوپوسته فلز نجیب پرداخته¬ایم. همچنین اثر اندازه¬ی شعاع نانو ذره، ضخامت نانوپوسته فلزی، ثابت دی الکتریک و طول موج را بر میدان الکتریکی بررسی کرده¬ایم.
ما در این بخش به تفصیل روش ریاضی به کار رفته را توصیف می¬کنیم:
میدان الکتریکی و مغناطیسی داخل نانو ذره را به ترتیب با E و H نشان می¬دهیم. میدان الکتریکی و مغناطیسی تابشی و پراکنده شده را به ترتیب با E_i ،H_i ،E_s و H_s نشان می¬دهیم. میدان الکترومغناطیسی در محیط پیرامون نانو ذره برابر مجموع میدان تابشی و پراکنده شده است.

3-1بسط موج تخت بر حسب هماهنگ های کروی برداری………………… 24
3-2ویژگی های هماهنگ های کروی برداری………………………………… 33
3-2-1-راست هنجارش مدهای M و N ا………………………………………..33
3-2-2-راست هنجارش مدهای M و.M ا………………………………………..34
3-2-3-راست هنجارش مدهای N و N ا………………………………………..37
3-3بسط موج تخت فرودی بر حسب هماهنگ های کروی در محیط اطراف(آب)……………………………………………………………………….. 38
3-3-1محاسبه میدان الکتریکی موج فرودی…………………………………. 38
3-3-2بسط میدان مغناطیسی موج تخت فرودی……………………………. 45
3-3-3-استفاده از شرایط مرزی برای به دست آوردن بسط میدان الکتریکی
و مغناطیسی داخل نانوذره …………………………………………………….46
3-3-4-میدان الکتریکی در نقطه کوانتومی…………………………………… 47
3-3-5میدان پراکنده شده……………………………………………………… 47

فصل چهارم:محاسبات عددی و نتایج

4-1تغییرات میدان الکتریکی بر حسب ضخامت لایه دی الکتریک در طول موج 800ندر این فصل ما نمودارهایی که با استفاده از نرم افزار متلب رسم کرده‌ایم را آورده‌ایم. در بخش اول از این فصل نمودار افزایش میدان ال2کتریکی را به عنوان تابعی از ضخامت نانو پوسته¬ی دی الکتریک؛ برای سه فلز نجیب مس، طلا و نقره با چهار ضخامت متفاوت nm1، nm2، nm3 و nm4 در طول موج 800 نانو متر رسم کرده‌ایم. در بخش دوم برای طول موج 950 نانومتر انجام داده‌ایم. اخیرا هسته نقطه کوانتومی با ضخامت nm 5-3 در یک پوسته طلای nm3-2 ساخته شده است[35]، نقاط کوانتومی کلوئیدی با استفاده از روکنش¬گر آلی ساخته می¬شود[36].
در بخش سوم افزایش میدان الکتریکی را بر حسب ثابت دی¬الکتریک با چهار ضخامت متفاوت nm1، nm2، nm3 و nm4 نانو فلز نجیب برای طول موج 800 نانومتر رسم کرده¬ایم. در بخش چهارم برای طول موج 950 نانومتر انجام داده‌ایم.
در بخش پنجم ضخامت نانوپوسته¬ی فلز نجیب را در nm2 ثابت قرار داده‌ایم؛ و افزایش میدان الکتریکی را برای سه نانوپوسته¬ی فلز مس، طلا و نقره در دو طول موج 800 و 950 نانومتر برحسب ثابت دی‌الکتریک رسم کرده‌ایم.
در بخش ششم، افزایش میدان الکتریکی درون نقطه کوانتومی را نیز بر حسب شعاع نقطه کوانتومی در طول موج 800 نانو متر رسم کردیم.
انومتر………………………………………………………………………….. 53
4-2 تغییرات میدان الکتریکی بر حسب ضخامت لایه دی الکتریک در طول موج 950نانومتر………………………………………………………………………….. 56
4-3تغییرات میدان الکتریکی بر حسب گذردهی نسبی دی الکتریک در ضخامت های
مختلف نانوفلز نجیب در طول موج 800نانومتر…………………………………… 59
4-4تغیییرات میدان الکتریکی بر حسب گذردهی نسبی دی الکتریک در ضخامت های
مختلف نانوفلز نجیب در طول موج 950نانومتر…………………………………….. 62
4-5 تغییرات میدان الکتریکی به عنوان تابعی از گذردهی نسبی دی الکتریک در ضخامت
ثابت 2 نانومتر……………………………………………………………………….. 64
4-6 تغییرات میدان الکتریکی در نقطه کوانتومی بر حسب افزایش شعاع در 800 نانومتر
و ضخامت نانوپوسته فلزی 2 نانومتر………………………………………………66

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

فصل پنجم:نتیجه‌گیری و کارهای آینده

نتایج به دست آمده در پژوهش حاضر را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
1 – در این بررسی در نانوساختار با پوسته فلزی مس افزایش میدان الکتریکی داریم. تحت شرایط مختلف ممکن است این افزایش میدان تغییر کند. به هر حال ما سعی کردیم برای اولین بار در این ساختار نانویی ، اثر اندازه در مدل درود را در نظر بگیریم. که نسبت به کارهایی که قبلاً انجام شده بود و اثر پویش میانگین آزاد الکترون ها لحاظ نشده بود افزایش میدان الکتریکی کمتری مشاهده کردیم زیرا مؤلفه موهومی ثابت دی الکتریک افزایش می¬یابد و این به معنی افزایش افت وکاهش در افزایش میدان الکتریکی است.
2- به طور کلی با کاهش در کمترین ضخامت لایه نانو پوسته فلزی افزایش میدان الکتریکی افزایش نمی یابد؛ بلکه به طول موج بستگی دارد. به گونه ای که برای طول موج 800 نانومتر بیشترین افزایش مربوط به ضخامت پوسته فلزی 2نانومتر می¬باشد اما برای طول موج 950 نانومتر بیشترین افزایش میدان الکتریکی در ضخامت پوسته فلزی 1 نانومتر رخ می¬دهد.
3- می‌توان از دی الکتریک هایی با ثابت دی الکتریک کمتر استفاده نمود؛ تا افزایش میدان الکتریکی بیشتری داشته باشیم. زیرا همان طور که مشاهده کردیم با افزایش ثابت دی الکتریک نسبی افزایش میدان کاهش می¬یابد. و نیز اگر از نقطه کوانتومی با ثابت دی الکتریک بزرگ استفاده کنیم میدان را به درون دی الکتریک دفع می شود .
4- افزایش میدان الکتریکی به طور یکنواخت با گذردهی نسبی دی الکتریک افزایش نمی‌یابد. بلکه افزایش میدان با تغییر در گذر دهی نسبی دی الکتریک دارای یک ماکزیمم است.
5- میدان داخل نقطه کوانتومی افزایش چشم¬گیری ندارد اما در خارج از نقطه کوانتومی افزایش میدان بیشتر می¬شود .

5-1پیشنهادات ادامه کار ……………………………………………………….69

منابع…………………………………………………………………………….. 83

پیوست الف:کد نویسی مربوط به تابع دی الکتریک اصلاح شده نانو فلز.. 75
پیوست ب : حل دوازده معادله دوازده مجهول در متمتیکا…………………. 77
پیوست پ: کد نویسی مطلب برای یکی از ضرایب………………………… 82
پیوست ت : کد نویسی مطلب برای افزایش میدان در نقطه کوانتومی….. 84

ABSTRACT

This thesis aim to investigate the variation of the electric field in a quantum dot nanostructure with a metallic nanoshell and a dielectric spacer. These nanoparticles are used for medical applications such as imaging of deep tissues and photodynamic therapy. These nanoparticles are surrounded by water since body tissues are made largely from water. Here the electric field in the nano-structure of copper, silver and gold nanoshells is investigated and is compared at two wavelengths of 800 and 950 nm. To calculate the dielectric function of the noble metals the Drude model is used. At the nanometer scale with decreasing particle size, the surface to volume ratio of the system increases, therefore, the Drude model needs to be corrected. This correction has not been made in the past. Mie scattering theory was used in this study. Electromagnetic field vectors are developed in terms of spherical harmonics. Considering the boundary conditions and using the Mathematica and MATLAB codes the ratio of the electric field in nanoparticle to the incident electric field in therms of different parameters such as the thickness of the metallic layer, wavelength, etc is obtained. An enhancement of the electric field in the nanoparticle by a factor of 2 was obtained for a thickness of 2 nm for all three nanoshells at a wavelength of 800 nm. Our results show that at a wavelength of 950 nm the electric field increases with a reduction in the thickness of metallic nanoshells.We also found that at a wavelength of 800 nm the electric field in the dielectric is higher than at a wavelength of 950 nm



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


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان

.