نوقشت اطروحة طالبة الدكتوراه ريام ضياء محمد رضا / تطبيقات الليزر / هندسة الكترونيك واتصالات
عن رسالتها الموسومة
The Plasmonic Effect on Terahertz Nano Devices
تأثير البلازمونك على أجهزة التيراهيرتز النانوية
حيث تألفت لجنة المناقشة من السادة المدرجة أسمائهم
١-أ.د. عبد الهادي مطشر عبد / دكتوراه_بلازما الليزر / الفيزياء / معهد الليزر للدراسات العليا / جامعة بغداد/رئيساً
٢- أ. د. عضيد حسن سلومي / دكتوراه_ تكنولوجيا التعليم الهنجسي / هندسة كهرباء/ كلية الهندسة / الجامعة المستنصرية/ عضواً
٣- أ. م. د. شيلان خسرو توفيق / دكتوراه_ ليزر /الهندسة الالكترونية والاتصالات/ معهد الليزر للدراسات العليا/ جامعة بغداد / عضواً
٤- أ. م. د زينب فاضل مهدي / دكتوراه_ليزر واطياف/الفيزياء / معهد الليزر للدراسات العليا / جامعة بغداد/ عضواً
٥-أ.م.د. محمد كريم ظاهر / دكتوراه_ليزر / ليزر وكهروبصريات/ معهد الليزر للدراسات العليا/ جامعة بغداد / عضواً
٦-أ. د حسين علي جواد/دكتوراه_علوم فيزياء/ليزر/ معهد الليزر للدراسات العليا/جامعة بغداد/ عضواً ومشرفاً
حيث كان الهدف من الدراسة هو تقييم أداء أجهزة THz (الكاشف والباعث) بناءً على هياكل الأبعاد النانوية. يحاول هذا البحث تحسين التيار المتولد ضوئيًا في المواد الناقلة الضوئية للأجهزة وبالتالي إشارة THz. يمكن تحقيق الهدف من البحث من خلال الخطوات التالية:
تصميم ومحاكاة باعث الدمج الضوئي على أساس أقطاب النانو الهجينة التي تتكون من Ag-NWs ومصفوفات nanoantenna من الجرافين.
تصميم وتنفيذ كاشف الدمج الضوئي على أساس الجرافين متعدد الطبقات كمادة موصلة ضوئية
وقد تضمنت الرسالة أنظمة موجات THz المستمرة التي تستخدم تقنية المزج الضوئي، تتميز بالعديد من الخواص المتميزة من ناحية الحجم ، والكلفة والتوليفية العالية، ودقة الطول الموجي، وقد أدت هذه التقنية الى تحسين دقة أجهزة THz، وتغلبت على تعقيد أجهزة الموجات النبضية؛ لذلك أنظمة موجات THz المستمرة التي تعتمد على تقنية الدمج الضوئي تفوقت على نظائرها من الأنظمة النبضية في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية، خاصة مجالات التصوير والتحليل الطيفي ، لكن الكفاءة الواطئة للتحويل البصري الى THz في البواعث وضعف التحسسية للكواشف ، كانت أحدى أهم عيوب هذه التقنية.
في هذا البحث ، اٌستخدمت تركيبات نانوية لتحسين إشارةTHz في الدامج الضوئي. وإن تقنية الدمج الضوئي تعتمد على استخدم إشارة ضويئة نابضة من حزمتين ليزرتين ، ذوي ترددات مختلفة بمقدار قليل (حيث يجب أن يكون الفرق بينهما في نطاق تردد (THz، وتستخدم هذه الإشارة لتحفيز مادة موصلة ضوئيا ثم ترنم توليد الحاملات الضوئية في المادة الفعالة للدامج. التوليد المتغير بالزمن للحاملات الضوئية هو المبدأ الأساسي لعمل الدامج الضوئي بكلتا وظيفتيه (التوليد والكشف).
الجزء الأول من هذا العمل، يركز على تأثير بلازمونك لتركيبات النانوية في الدامج الضوئي (كباعث لاشعة THz المستمرة)، المرتكز على اسلاك نانوية مصنوعه من الفضة، وقد تم استخدام تقنية المحاكاة الحاسوبية (CST) program لحساب توزيع المجال الكهربائي في المنطقة الفعالة للباعث بعد تسليط أشعة ضوئية، كما استخدمت اسلاك ضوئية ومصفوفة من هوائيات مصنوعه من الكرافين بتركيبات مختلفة كأقطاب نانوية لدامج الضوئي، وابتداءً تم بحث تأثير عدد وطول الاسلاك النانوية على المجال الكهربائي قريب المدى في الدامج الضوئي، وبعدها تم اقتراح نوعين جديدين من التركيبات التي تتكون من اقطاب نانوية مهجنة (اسلاك نانوية من الفضة ومصفوفة من هوائيات الكرافين)، وهذين النوعين من المصفوفات مصنوعة من الكرافين، وهي :هوائيات على شكل bowtie (GNA)، وأقراص نانوية .(GND)كما أظهرت نتائج المحاكاة أن زيادة عدد وطول الاسلاك النانوية المصنوعة من فضة تؤدي الى زيادة المجال الكهربائي في المنطقة الفاعلة (1.5) مرة عند الطول الموجي الطويل (850nm) ، ومن ناحية أخرى ، فأن إضافة مصفوفات الكارفين النانوية كأقطاب نانوية الى الدامج الضوئي المرتكز على الاسلاك النانوية ، قد أدى الى زيادة المجال الكهربائي. ويعزى هذا التحسن الى زيادة تأثير البلازمونك للسلاك النانوية، ومن ثم يمكن تحسين طاقة اشعة THzالناتجة بمقدار 310 و 530 مرة لتكوينات GND و GNAعلى التوالي.
في الجزء الثاني من البحث، تم تحقيق الكاشف المرتكز على الكرافين لدراسة مساهمة توصيلية الكرافين لتحسين الخصائص الكهربائية والاستكشافية للكاشف THz المقترح. أظهرت نتائج المحاكاة ان صفيحة الجرافين أحادية الطبقة قيمة توصيل ضوئي(5×10-6 -1) ، أعلى بخمس مرات من تلك الموجودة في الصفيحة متعددة الطبقات. لذلك ، يمكن أن يوفر الجرافين ذو الطبقة الواحدة قيمة ناقلة ضوئية أقل بعشر مرات فقط من قيمة المواد الموصلة الضوئية للكاشف القياسي (LT-GaAs).عمليا الكرافين متعدد الطبقات أظهر استجابة ضوئية جيدة مع تيار ضوئي يساوي (400 nA)عند الجهد المتحيز (1.5 V)، من ناحية أخرى، فان أشارة THz المقاسة كانت صغيرة ، والمدى الديناميكي (DR) كان dB40 .على الرغم من إشارة الكاشف الصغيرة ، نجح الجرافين 6-8 طبقات في العمل ككاشف متماسك THz في نطاق الترددات المنخفضة وهناك توقع قوي للحصول على تحسن كبير في أداء الكاشف إذا تم إجراء بعض التعديلات على تصميمه أو خصائص الجرافين.
و من اهم التوصيات التي توصلت اليها الدراسة
تم التحقيق بنجاح في تأثير هياكل الأبعاد النانوية لتحسين أداء أجهزة THz من خلال الخطوتين التاليتين:
1. تم تصميم ومحاكاة باعث الدمج الضوئي المستند إلى Ag-NWs ومصفوفات nanoantenna من الجرافين. الاستنتاجات الرئيسية لعمل الباحث هي:
أ. يمكن أن تساهم الزيادة في عدد Ag-NWs وطولها في الدمج الضوئي المستند إلى Ag-NWs في زيادة المجال الكهربائي في المنطقة النشطة بمقدار 1.5 مرة بطول موجة الإثارة الأطول (850).
ب. تلعب زيادة طول Ag-NWs إلى نسبة طول SPP دورًا مهمًا في زيادة المجال نظرًا لتأثيرها في تقليل خسارة الانتشار.
ج. في الدامج الضوئي الهجين البلازموني: يمكن تحسين المجال الكهربائي بشكل كبير في الدمج الضوئي المستند إلى Ag-NWs عن طريق إضافة صفيف نانوانتينا من الجرافين كأقطاب كهربائية نانوية. في تكوينات الدمج الضوئي المقترحتين ، يأتي التحسين الرئيسي من زيادة التأثير البلازموني لـ Ag-NWs. عند طول موجة إثارة يبلغ 850 ، يمكن تحسين طاقة خرج THz بمقدار 310 و 530 مرة لتكوينات مصفوفة GND و GNA ، على التوالي.
د. علاوة على ذلك ، من خلال فحص نتائج المحاكاة ، لوحظ أن سمك الجرافين وعرض فجوة GNA يلعبان دورًا علاجيًا في هذا التحسين.
2. تم تنفيذ كاشف الدمج الضوئي على أساس الجرافين متعدد الطبقات كمادة موصلة ضوئية. الاستنتاجات الرئيسية لعمل الكاشف هي:
أ. من المحاكاة ، تُظهر ورقة الجرافين أحادية الطبقة قيمة الموصلية الضوئية (5×10-6 -1) ، أقل 10 مرات فقط من تلك الموجودة في LT-GaAs وخمس مرات أعلى من تلك الموجودة في ورقة الجرافين متعددة الطبقات. لذلك ، يمكن أن يوفر الجرافين ذو الطبقة الواحدة قيمة ناقلة ضوئية أقل بعشر مرات فقط من قيمة المواد الموصلة الضوئية للكاشف القياسي (LT-GaAs).
ب. على الرغم من الإشارة الصغيرة للكاشف ، نجح الجرافين 6-8 طبقات في العمل ككاشف متماسك THz في نطاق التردد المنخفض. من البحث التجريبي ، هناك توقع قوي للحصول على تحسن كبير في أداء الكاشف إذا تم إجراء بعض التعديلات على تصميمه أو خصائص الجرافين.
ولقد نالت الباحثة على درجة الدكتوراه بتقدير (( إمتياز )) نظراً لما بذلته من جهود حقيقية في اعداد الاطروحة.
