بررسی و تحلیل ساختارهای انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو word
فهرست مطالب فصل اول:مقدمه........2 1-1 مقدمه و اهمیت موضوع....2 1-2 مروری بر تاریخچه......5 1-3 پلاریتون و پلاسمون پلاریتون سطحی......7 1-4 پلاسمونیک و اصصل عدم قطعیت (حد پراش)....9 فصل دوم:مبانی نظری ساختارهای پلاسمون پلاریتون سطحی.....14 2-1 معادلات ماکسول و انتشار امواج الکترومغناطیسی.....14 2-2 تابع دیالکتریک مدل گاز الکترون آزاد فلزات.....19 2-3 مقایسه تابع دیالکتریک فلزات واقعی با تابع دیالکتریک مدل پلاسما....23 2-4 بررسی پلاسمون پلاریتونهای سطحی در مرز فلز-عایق...............................27 2-4-1 معادله موج......27
2-5 رابطه پاشندگی پلاسمون پلاریتونهای سطحی................................................32 2-6 گسترش فضایی امواج SPPs.................................................................................38 2-6-1 عمق نفوذ پلاسمونهای سطحی....................................................................40 2-6-2 طول انتشار پلاسمونهای سطحی..............................................................41 2-7 بررسی خواص SPPs در سیستمهای چند لایه...............................................43 2-8 تحریک امواج پلاسمون سطحی در مرزهای مسطح.......................................51 2-8-1 تزویج به کمک منشور(یا به روش بازتابش تضعیف شده کامل (ATR)).........................................................................................................................................................52 2-8-2 تزویج با استفاده از توری.............................................................................58 2-8-3 تحریک با استفاده از پرتوهای به شدت کانونی شده...........................61 2-8-4 تحریک بوسیله میدان نزدیک...................................................................63 2-8-5 روشهای تزویج کردن مناسب پلاسمونها برای مدارات مجتمع از ادوات پلاسمونیکی و فوتونیکی ...............................................................................................................65 2-9 ساختارهای هایبرید پلاسمونیک.........................................................................67 2-9-1 موجبرهای هایبریدپلاسمونیک: ترکیبی از موجبر دیالکتریک و موجبرپلاسمونیک..................................................................................................................................... 69 2-9-2 تحلیل نظری موجبرهای هایبرید پلاسمونیک......................................71 2-9-2-1 توضیح ساختار و روش آنالیز ساختار یک بعدی.......................72 2-9-2-2 تحلیل موجبر دو بعدی هایبرید پلاسمونیک............................78 2-9-2-3 روش آنالیز و چند تعریف مهم.................................................81
2-9-2-4 اثر تغییرات برخی پارامترها بر روی میزان بهبود موجبر هایبرید پلاسمونیک........................................................................................................................82 2-10 بازتابشکننده یا فیلتر برگ در کاربردهای پلاسمونیک............................86 2-10-1 ساختار فیلترهای برگ IMI................................................................89 2-10-2 ساختار فیلترهای برگ MIM............................................................94 2-10-3 ساختار فیلترهای برگ هایبرید پلاسمونیک...................................97 فصل سوم: ساخت موجبرهای پلاسمونیکی و ایدهای برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمونها................................................................................................................ 107 3-1 شبیه سازی ساختار موجبر IMIصفحه ای...............................................101 3-2 ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا).................................106 3-2-1 تحریک پلاسمونهای سطحی در موجبر صفحهای.....................107 3-3 ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها..........111 3-3-1 ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا)...112 3-3-2 تحریک پلاسمون ها بر روی موجبر کانالی و مشاهده زاویه تزویج......................................................................................................................................................116 3-4 طراحی روشی برای اندازهگیری طول انتشار در ساختارهای IMI پلاسمونیک................................................................................................................................................117 3-4-1 روش و چیدمان اندازه گیری کننده کمره بیم تحریک کننده پلاسمونهای سطحی (بیم رسیده به قاعده منشور)....................................................................119 3-4-2 ساختار پیشنهادی برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمونهای
سطحی...........................................................................................................................................121 3-4-3 تزویج نور به موجبر پلیمری به کمک منشور(بدون لایه نشانی).127 3-4-4 بحث و بررسی دادهها و نتایج آزمایش............................................130 3-4-5 راهکارهای افزایش دقت در روش پیشنهادی اندازهگیری طول انتشار...........................................................................................................................................................131 فصل چهارم:شبیهسازی انعکاسدهنده برگ هایبرید پلاسمونیک.....................................134 4-1 شبیه سازی انعکاسدهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی138 4-2 شبیه سازی انعکاسدهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی.140 4-3 شبیه سازی انعکاسدهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه ارهای......................................................................................................................................................................145 4-4 شبیه سازی کاهش اعوجاج در انعکاسدهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه ارهای.....................................................................................................................................149 فصل پنجم:نتیجهگیری و پیشنهادات.............................................................................................153 مراجع..............................................................................................................................................................155 فهرست جدولها عنوان وشماره فهرست شکلها
شکل 1‑1: نمودار فراوانی تعداد مقالات چاپ شده در مجله NATURE در مباحث پلاسمون و فوتونیک کریستال..............................................................................................................................................7 شکل 1‑2: سطح عدد موج برای (a)یک امواج اپتیکی سه بعدی (b) امواج اپتیکی دو بعدی........10 شکل 1‑3: نمونهای از امواج اپتیکی دو بعدی...........................................................................................11 شکل 2‑1: تابع دی الکتریک (2-26)گاز الکترون آزاد (منحنی پیوسته) و نتایج حاصل از اندازهگیریهای جانسون و کریستی(منحنیهای نقطه چین).گذار های بین باندی اعتبار مدل درود را در فرکانسهای مرئی و بالاتر محدود میکند[8]............................................................................................24 شکل 2‑2: قسمت حقیقی(نمودار سمت چپ) و قسمت موهومی(نمودار سمت راست) مربوط به فلز طلا متناظر با معادله (2-26)..................................................................................................................25 شکل 2‑3: قسمت های حقیقی و موهومی فلز نقره. منحنی نقطه چین نتایج حاصل از اندازه گیری جانسون و کریسیتی و منحنی پیوسته نتایج حاصل از مدل درود را نشان می دهد[8].....25 شکل 2‑4: ساختار یک موجبر مسطح که در آن موج در دستگاه مستطیلی در راستای x منتشر می شود..............................................................................................................................................................29
شکل 2‑5: مرز مشترک بین یک فلز و یک دیالکتریک سادهترین ساختار برای انتشار SPPs است.....................................................................................................................................................................33 شکل 2‑6: منحنی پاشندگی برای سطح مشترک یک فلز با مدل درود با ضریب خاموشی ناچیز و دیالکتریک هوا(منحنی خاکستری رنگ) و دی الکتریک سیلیکا(منحنی سیاه رنگ)....................37 شکل 2‑7: رابطه پاشندگی SPPs در مرز نقره-هوا (منحنی خاکستری رنگ) و نقره-سیلیکا (منحنی سیاه رنگ)، با درنظر گرفتن قسمت موهومی تابع دیالکتریک نقره[8]............................42 شکل 2‑8: ساختار یک سیستم سه لایه که در آن یک لایه نازک(محیط ) بین دو لایه ضخیم(محیط و محیط ) قرار گرفته است................................................................................................43 شکل 2‑9: نمایش مولفه x میدان الکتریکی برای مدهای زوج و فرد................................................47 شکل 2‑10: منحنی پاشندگی مدهای فرد و زوج برای ساختار سه لایه هوا-نقره-هوا با ضخامت لایه فلزی 100nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و با ضخامت 50nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی ساختار پایه نقره-هوا (منحنی پیوسته). برای تابع دیالکتریک نقره از مدل درود با ترم موهومی ناچیز استفاده شده است..................................................48 شکل 2‑11: منحنی پاشندگی برای مد تزویج شده اصلی در ساختار سه لایه نقره-هوا-نقره با ضخامت لایه هوا میانی 100 nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و 50 nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ) و 25 nm (منحنی پیوسته سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی پلاسمون سطحی در یک سطح مشترک نقره-هوا (منحنی پیوسته خاکستری رنگ) و خط پاشندگی نور در هوا (خط خاکستری رنگ) رسم شده است.................................................................................................50 شکل 2‑12: بازتاب کامل نور در داخل منشور. منشور یک محیط عایق یا تابع دیالکتریک است که اطراف آن هوا یا خلا با تابع دیالکتریک است................................................................................53 شکل 2‑13: (a) ساختار اتو. یک لایه نازک هوا بین منشور و سطح فلز وجود دارد. (b) منحنی پاشندگی یک سطح مشترک نقره-هوا همراه با خط پاشندگی در هوا (خط چین) و در محیط
منشوری که از جنس سیلیکا (نقطه چین) است. در نقطه A یک مد SPP با بردار موج توسط نوری با فرکانس و زاویه تابش تحریک شده است...............................................................................54 شکل 2‑14: (a) ساختار کرشمن-ریچر. فلز بر روی منشور لایه نشانی شده است. (b) منحنی پاشندگی سطح مشترک نقره-هوا و نقره-منشوهمراه با خط پاشندگی نور در هوا (خط چین) و در منشور از جنس سیلیکا (نقطه چین). نور تابشی می تواند یک مد SPP را در نقطه Aتحریک کند......................................................................................................................................................................55 شکل 2‑15: دیاگرام برداری فرایند تزویج نور روی سطح فلز به کمک توری .....60 شکل 2‑16: دیاگرام برداری فرایند دکوپلینگ نور از سطح فلز به کمک توری...............................60 شکل 2‑17: ساختاری برای تحریک پلاسمون¬های سطحی با استفاده از میکروسکوپ شیء و آشکار کردن آن از طریق امواج نشتی..........................................................................................................62 شکل 2‑18: (a)شدت امواج نشتی ناشی از تحریک توسط میدان با قطبشTM که نشان دهنده انتشار پلاسمونهای سطحی از نقطه تحریک است. (b) با توجه به اینکه تحریک توسط میدان با قطبش TE است تحریک پلاسمونها انجام نشده است............................................................................63 شکل 2‑19: تحریک پلاسمونهای سطحی با استفاده از میدانهای نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج........................................................................................................................................64 شکل 2‑20: یک چیدمان معمول برای اعمال یا اندازه گیری میدان نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج که برای تحریک و اندازهگیری پلاسمونهای سطحی استفاده میشود. (a) تصویر SEM از روزنه یک پروب. (b)و(c) دو چیدمان معمول از تحریک و آشکارسازی پلاسمونهای سطحی از طریق نور منتشر شده داخل زیرلایه در میدان دور . (d)تصویر یک لایه نازک نقره......................................................................................................................................................................65 شکل 2‑21: تحریک پلاسمونهای سطحی منتشر شده بر روی سطح موجبر پلاسم.نیک با استفاده از روش Fiber Taper. شدت توان انتقالی از فیبر در طول موج 1590 nm به شدت
کاهش یافته که ناشی از تحریک پلاسمونها است...................................................................................67 شکل 2‑22: (a) نمایی از موجبر هایبرید. (b)و(c)توزیع چگالی توان بهترتیب برای مد TM و TE ابعاد موجبر برابر است. (d) توزیع چگالی توان برای مد TM با ابعاد . طول موج نور 1550nm است.....................................................................................................................................................................70 شکل 2‑23: چگونگی ایجاد یک مد هایبرید با تزویج مدهای دیالکتریک و پلاسمون سطحی. (a)ساختار موجبر (b) چگالی توان نرمالیزه شده. در این ساختار ابعاد چنین است: . طول موج نورنیز 1550nm میباشد.....................................................72 شکل 2‑24: مقایسه توزیع چگالی توان نرمالیزه شده برای مد هایبرید و مد پلاسمون سطحی با تلف انتشاری یکسان........................................................................................................................................73 شکل 2‑25: ساختار پایه موجبر هایبرید پلاسمونیک...........................................................................77 شکل 2‑26: (a)ساختار موجبر هایبرید پلاسمونیک دو بعدی. (b)چگالی توان نرمالیزه شده در موجبر..................................................................................................................................................................79 شکل 2‑27: ساختارهای گوناگون هایبرید پلاسمونیک که در سالهای اخیر معرفی شدهاند.......80 شکل 2‑28: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a)قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد.............................................83 شکل 2‑29: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a)قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد...............................83 شکل 2‑30: تغییرات (a) اندازه مدی (b)طول انتشار و قسمت حقیقی ضریب شکست موثر بر حسب تغییر طول موج برای موجبر هایبرید پلاسمونیک با ابعاد .............................................................................................85 شکل 2‑31: نمایی از ساختار و عملکرد فیلتر برگ در طولموجهای باند عبور و باند قطع........86
شکل 2‑32: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ برحسب طولموج و نوار گاف مرکزی آن.....88 شکل 2‑33: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ با یک نقص در مرکز آن برحسب طولموج و تشکیل یک حفره تشدید در مرکز نوار گاف آن.........................................................................................89 شکل 2‑34: ساختارهای فیلتر برگ IMI (a)توری گاف فلزی. (b) توری عرض پله ای نوار فلزی و (c) تعریف مشخصات دوره تناوب آن...........................................................................................................90 شکل 2‑35: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI گاف فلزی در طول توریهای مختلف (a)منحنی انتقال (b)منحنی بازتابش...........................................................................................................................................92 شکل 2‑36: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI عرض پله ای نوار فلزی در طول توریهای مختلف (a)منجنی انتقال (b)منحنی بازتابش..........................................................................................................93 شکل 2‑37: دو ساختار معمول فیلتر برگ MIM. (a) ساختار توری گاف دیالکتریک (b) ساختار توری پلهای نوار دیالکتریک..........................................................................................................................94 شکل 2‑38: (a) ساختار یک دوره تناوب توری گاف دیالکتریک (b) ساختار یک دوره تناوب توری پلهای نوار دیالکتریک (c) تابع انتقال آنها بر اساس مشخصات ابعادی مختلف ساختار MIM..................................................................................................................................................................96 شکل 2‑39: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک همراه با نمایش یک دوره تناوب آن.........98 شکل 2‑40: نمودار طیف انتقال برحسب طولموج فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک در سه مقدار متفاوت ........................................................................................................................................................99 شکل 3‑1: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکستهای ارائه شده توسط پالیک[11, 35] و جانسون-کریستی [10] میباشد....103 شکل 3‑2: ساختار کرشمن پیادهسازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن...104 شکل 3‑3: مولفه z میدان مغناطیسی (a)ساختار کرشمن بدون مرزPMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان ................................................................................................................................106 شکل 3‑4: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمونهای سطحی با ساختار کرشمن.................109
شکل 3‑5: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش..................111 شکل 3‑6: مراحل لایهنشانی موجبر کانالی به روش لیتوگرافی (a) ویفر سیلیکن-سیلیکا.(b) لایه نشانی ماده فوتورزیست بر روی زیرلایه. (c)و (d) نوشتن موجبرکانالی به عرض 8 میکرومتر بر روی ماده فوتورزیست. (e) لایه نشانی کروم و نقره بر روی ماده فوتورزیست . (f) پاک کردن قسمتهای تحت تابش نبوده ماده فوتورزیست و باقی ماندن نوار فلزی . (g) ایجاد موجبر سیلیکا-نقره-هوا.....................................................................................................................................................................113 شکل 3‑7: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه............................................114 شکل 3‑8: چیدمان موجبر نویس با استفاده از تابش مستقیم بیم باریک شده لیزر.................114 شکل 3‑9: تصویر موجبر پلاسمونیکی با پهنای 8 میکرومتر و ضخامت 40نانومتر که در شکل به صورت نوار روشن قابل رویت است...........................................................................................................115 شکل 3‑10: شدت بازتابش از سطح موجبر کانالی با پهنای 8 میکرومتر برحسب تغییر زاویه تابش و مشاهده زاویه تزویج........................................................................................................................116 شکل 3‑11: چیدمان آزمایشگاهی لازم برای اندازهگیری کمره بیم تابیده شده به قاعده منشور...............................................................................................................................................................119 شکل 3‑12: نمودار شدت بیم رسیده به آشکارساز بر حسب تفییر فاصله زاویه قائم منشور از محل تابش بیم به قاعده آن.................................................................................................................................120 شکل 3‑13: منشور قائم الزاویه SF6 که کروم و نقره بر روی قاعده آن لایه نشانی شده است...121 شکل 3‑14: چیدمان آزمایشگاهی اندازهگیری زاویه های تزویج با ساختار اتو در موجبر (منشور-نقره-پلیمر).....................................................................................................................................................122 شکل 3‑15: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-14)، برحسب زاویههای تابش نور به منشور.......................................................................123 شکل 3‑16: تصویر مادون قرمز مد نوری انتشاری در موجبر پلیمری که توسط پلاسمونهای سطحی تحریک شده است........................................................................................................................124
شکل 3‑17: چیدمان اندازهگیری شدت مد نوری ناشی از پراکندگی SPPs...................................125 شکل 3‑18: تصویر چیدمان شکل (3-17) در آزمایشگاه...................................................................126 شکل 3‑19: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 32 درجه............................126 شکل 3‑20: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 35 درجه................................127 شکل 3‑21: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل ((3-14)که منشور بدون لایهنشانی فلزی باشد)، برحسب زاویههای تابش نور به منشور..128 شکل 3‑22: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج 34 درجه.............................................................129 شکل 3‑23: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه¬ تزویج 36 درجه...........................................................130 شکل 4‑1: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب.......................................................................................134 شکل 4‑2: نمودار زمانی تابع موج تابش شده به ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک.........137 شکل 4‑3: نمودار طیف انتقال فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی برای سه حالت مختلف ............................................................................................................................................139 شکل 4‑4: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب......................................................................................140 شکل 4‑5: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل سینوسی با ساختار با پروفایل مستطیلی (a) (b) (c).........................................142 شکل 4‑6: دامنه نرمالیزه شده میدان الکتریکی در راستای قطبش اعمالی، برای مد هایبرید پلاسمونیک ایجاد شده در ساختارهای HPBR با پروفایلهای مستطیلی و سینوسی،
..........................................................................................................................143 شکل 4‑7: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طولموجهایتابششده (a) 1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل سینوسی..........................................144 شکل 4‑8: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه ارهای. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب.......................................................................................145 شکل 4‑9: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل دندانه ارهای با ساختارهای با پروفایل مستطیلی و سینوسی (a) (b) (c)....................147 شکل 4‑10: دامنه نرمالیزه شده میدان الکتریکی در راستای قطبش اعمالی، برای مد هایبرید پلاسمونیک ایجاد شده در ساختارهای HPBR با پروفایلهای مستطیلی و سینوسی و دندانه ارهای، .................................................................................................................148 شکل 4‑11: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طولموجهای تابششده (a)1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل دندانه ارهای................................149 شکل 4‑12: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک دندانه ارهای با عملیات آپودیزشن……150 شکل 4‑13: نمودار طیف انتقال ساختار دندانه ارهای و ساختار دندانه ارهای آپودایز شده در حالت …………………………………………………………………………151 فصل اول مقدمه 1-1 مقدمه و اهمیت موضوعاپتیک یکی از شاخههای علم است که قبل از تعریف نور به صورت بستههای فوتون پیشرفتهای زیادی کرده بود. تعریف نور به صورت امواج الکترومغناطیسی با طولموجهای معین، کمک شایانی به گسترش این علم داشته است. فوتونیک نام دیگری برای این علم بود که با تعریف ذرهای نور، به میان آمد. در این تعریف نور را به صورت بسته ای از ذرات بدون جرم با تکانه[1]مشخص بیان کردند. بنابراین خواص موجی و ذره ای نور هر دو باعث گسترش علم نور یا اپتیک شدند. پیشرفت تکنولوژی، کاربرد نور را در زمینه های مخابراتی ، شناسایی مواد، حسگر های زیستی و مدارات با ابعاد نانومتری وسیعتر کرده است. مدارات مجتمع نوری از جمله بحثهایی است که با پیشرفت علم اپتیک مورد توجه فراوان محققان قرار گرفت. البته در کوچکسازی ادوات نوری محدودیتهای بنیادی مشاهده شد. مهمترین این محدودیتها چنین بیان میکرد که نور نمیتواند در مکان یا فضا در ابعاد کمتری از طول موج جایگزیده شود. دانشمندان در استدالهای فیزیکی خود کمترین حدی برای این جایگزیدگی مشخص کردند. این کمترین حد برای کوچک کردن ابعاد قطعات و دقت[2] مشاهده اشیا، حد پراش[3] نامگذاری شد. جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |