عنوان :تحلیل و شبیه¬سازی تقویت امواج عبوری از نانولوله¬های¬ کربنی فلزی با بایاس DC

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-مخابرات

تحلیل و شبیه­سازی تقویت امواج عبوری از نانولوله­های­ کربنی فلزی با بایاس DC

استاد راهنما:

دکتر نصرت­ا… گرانپایه

زمستان 1393

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

تولید و تقویت بسامدهای رادیویی[1] قلب مخابرات ماهواره­ای و کاربردهای الکترونیک نوری است. صنعت مخابرات به­دنبال تقویت کننده­های بسامد رادیویی در مقیاس کوچک­تر و موثرتر در بسامد­های بالاتر است. نانوساختارها به­دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان این نیازها را برآورده می­کنند. در این پایان­نامه ویژگی­های ساختار گرافین و نحوه شکل­گیری نانولوله­های کربنی از آن را بیان می­کنیم، شباهت­ها و تفاوت­های ساختار نانولوله کربنی[2] و تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[3] را بررسی کرده و علت فیزیکی تقویت در این دو ساختار را مقایسه می­کنیم. معادله بولتزمن که برای نانولوله­های کربنی با بایاس همزمان AC و DC به­کارمی­رود را بررسی می­کنیم و به­تحلیل فیزیکی رسانایی تفاضلی منفی[4] ایجادشده در نمودارهای به­دست آمده می­پردازیم. با توجه به­عدم تطبیق امپدانسی که در استفاده از نانولوله­های کربنی در دنیای واقعی رخ می­دهد باید بستر مناسبی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس طراحی کنیم. در این طراحی از موج­بر هم­صفحه به­دلیل مزایایی که دارد مانند ظرفیت بسامد بالا، قابلیت ساخت در ابعاد زیر میکرو و… استفاده می­کنیم. در مسیر عبور سیگنالِ موج­بر هم­صفحه یک فضای خالی برای جاسازی نانولوله کربنی ایجاد می­کنیم، سعی بر­این است که این فضای خالی تا حد امکان کوچک باشد تا تعداد نانولوله­های کربنی به­کار رفته کاهش یابد. ساختار پیشنهاد شده باعث کاهش عدم تطبیق امپدانس شد.

کلید­واژه: نانولوله­های کربنی، تقویت در نانولوله­های کربنی بایاس­شده، معادله بولتزمن، رسانایی تفاضلی منفی.

فهرست مطالب

فصل 1-  معرفی نانولوله­های کربنی 1

1-1- دیباچه 3

1-2- گرافین و نحوه ساخت نانولوله­های کربنی از گرافین 3

1-3- انواع نانولوله­های کربنی 9

1-3-1-   نانولوله کربنی زیگزاگ … 13

1-3-2-   نانولوله کربنی مبلی … 14

1-4- مباحث فیزیکی 15

1-4-1-   ناحیه­ی بریلوین 15

1-4-2-   حالت بلاخ 15

1-4-3-   نوسان­های بلاخ 16

1-5- تقویت­کننده لوله­ای موج رونده 17

1-6- کاربرد نانولوله­های کربنی 19

1-7- مطالب پایان­نامه 19

فصل 2-  معادله بولتزمن 21

2-1- دیباچه 23

2-2- رسانایی تفاضلی منفی 23

2-3- معادله بولتزمن 24

2-4- معادله جریانِ رسانایی بر حسب میدان اعمالی 24

فصل 3-  ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله­های کربنی 33

3-1- دیباچه 35

3-2- مدل مداری نانولوله­های کربنی 35

3-3- عدم تطبیق امپدانس 37

3-4- ساختار کلی موج­بری الکترومغناطیسی و روش برقراری اتصال 38

فصل 4-  شبیه­سازی نانولوله کربنی با بایاسDC و AC 41

4-1- دیباچه 43

4-2- شبیه­سازی نانولوله کربنی با بایاس DC 43

4-3- شبیه­سازی با استفاده از معادله­های بولتزمن و با درنظر گرفتن بایاس DC و AC 49

4-3-1-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (0،12) 49

4-3-2-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (10،0) 54

4-3-3-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (100،0) 56

فصل 5-  شبیه­سازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله­های کربنی 61

5-1- دیباچه 63

5-2- شبیه­سازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله کربنی 63

فصل 6-  نتیجه­گیری­ها و پیشنهادها 71

6-1- نتیجه­گیری­ها 73

6-2- پیشنهادها 74

مرجع­ها……. 75

واژه­نامه فارسی به­انگلیسی 77

واژه­نامه انگلیسی به­فارسی 79

فصل 1-        معرفی نانولوله­های کربنی

1-1-         دیباچه

نانولوله­های کربنی[5] برای اولین بار توسط ایجیما[6] در سال 1991 کشف شدند و پس از آن تلاش­های بسیاری برای پیش­بینی ساختار الکترونیک آن­ها انجام شده است. به­دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان مانند :رسانایی بالا، انعطاف­پذیری، استحکام و سختی بسیار مورد توجه قرار گرفتند [1]. در این فصل به­بررسی ساختار نانولوله­های کربنی و نحوه ساخت آن­ها از گرافین می­پردازیم. انواع نانولوله­های کربنی و نحوه شکل­گیری آن­ها را توضیح داده، مباحث فیزیکی بسیار مهم در نانوساختارها را بیان می­کنیم. همچنین ساختار تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[7] را مورد بررسی قرار می­دهیم.

1-2-         گرافین و نحوه ساخت نانولوله­های کربنی از گرافین

گرافین یک تک­لایه از گرافیت است. همان­طور که در شکل (‏1‑1) نشان داده شده است، اتصال کربن-کربن در گرافین توسط اوربیتال­های پیوندی، ²sp، اتصال­های s را تشکیل می­دهند و باقیمانده اوربیتال­ها، _zp، اتصال­های π را تشکیل می­دهند. اتصال­های π و s به­صورت زیر تعریف می­شوند:

s اتصال­های درون صفحه­ای را تشکیل می­دهد، در حالی­که اتصال­های π، از نوع اتصال­های بیرون صفحه­ای است که هیچ­گونه برخوردی با هسته ندارند. اتصال­های s در گرافین و نانولوله­های کربنی خصوصیت­های مکانیکی قوی را ایجاد می­کنند. به­عبارت دیگر رسانایی الکترون به­طور گسترده از طریق اتصال­های π است. با توجه به­شکل (‏1‑1) می­توان به­این خصوصیت پی برد. همان­طور که دیده می­شود هیچ­گونه صفری[8]‌ در اوربیتال­های اتصال π نیست، الکترون­ها آزادانه اطراف شبکه حرکت می­کنند که اصطلاحا غیرمحلی شده[9] گفته می­شوند و یک شبکه متصل تشکیل می­دهند که نحوه­ی رسانایی گرافین و نانولوله­های کربنی را توضیح می­دهد [1].

شکل (‏1‑1) اوربیتال­های اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1].

شبکه فضای حقیقی دو-بعدی گرافین در شکل (‏1‑2) نشان داده شده است. سلولِ واحد گرافین از دو اتم مجزا با فاصله­ی درون­اتمی تشکیل شده است. بردارهای واحدِ آن به­شکل زیر هستند:

(‏1‑1)                           

که در آن ثابت­شبکه است. سلول واحد از دو بردار شبکه تشکیل شده است، که در شکل (‏1‑2) به­رنگ خاکستری است [1].

شکل (‏1‑2) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد به­رنگ خاکستری است [1].

شبکه دوبعدی فضای k در شکل (‏1‑3) نشان داده شده است. بردارهای واحد هم­پاسخ ₁b و ₂b توسط معادله زیر قابل دست­یابی هستند:

(‏1‑2)                                      

که d_ij دلتای کرونِکر است. در نتیجه:

(‏1‑3)

ثابت شبکه هم­پاسخ است. اولین ناحیه­ی بریلوین[10] گرافین درشکل (‏1‑3) به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].

شکل (‏1‑3) شبکه فضای k گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].

مدل اتصال محکم[11] به­طور معمول برای دست­یابی به­شکل تحلیلی پاشندگی انرژی الکترونی و یا ساختار باند E گرافین به­کار می­رود. چون حل معادله شرودینگر عملا در سامانه­های بزرگ غیرممکن است مدل­های تقریبی زیادی با افزایش یافتن پیچیدگی موجود است. تقریب اتصال محکم به­عنوان یکی از ساده­ترین روش­ها شناخته شده است. در این قسمت به­توضیحی مختصر درباره چگونگی دست­یابی به­رابطه پاشندگی الکترونی گرافین پرداخته می­شود. چند فرض اولیه زیر را در نظر می­گیریم:

• برهم­کنش الکترون-الکترون را نادیده می­گیریم. این یک مدل تک­الکترونی است.
• تنها اتصال­های π در رسانایی تاثیر دارند.
• ساختار گرافین، بینهایت بزرگ، کاملا متناوب و هیچ­گونه نقصی ندارد.

برای رسیدن به­تابع پاشندگی گرافین باید معادله شرودینگر برای یک الکترون مورد اعمال پتانسیلِ شبکه، مانند زیرحل شود:

(‏1‑4)           

H همیلتونینِ شبکه، U پتانسیل شبکه،m جرم الکترون، _jE تابع ویژه وY_j انرژی ویژه برای j­امین باند با بردار موج k است. چون این یک مسئله متناوب است، تابع ویژه (یا تابع بلاخ[12]) باید تئوری بلاخ را که به­شکل زیر داده شده برآورده کند:

(‏1‑5)

بردار شبکه براوایس[13] است، r₁ و r₂ عددهای صحیح هستند [1]. بنابراین تابع موج در فضای هم­پاسخ با بردار شبکه هم­پاسخ متناوب است که q₁ و q₂ عدد صحیح هستند:

(‏1‑6)

در نهایت ساختار باند گرافین به­شکل زیر تقریب زده می­شود [1]:

(‏1‑7)

پارامتر انتقال g₀ با محاسبه­های فرض اولیه[14] حدود 7/2 الکترون­ولت تخمین زده می­شود. همان­طور که انتظار می­رود مقدار­های انرژی مثبت و منفی به­ترتیب به­باند رسانایی و ظرفیت اشاره دارد. پاشندگی گرافین در شکل (‏1‑4) نشان داده شده است. دیده می­شود که گرافین هیچ­گونه باند توقفی ندارد و نیمه­رسانا با باند توقف صفر است.

برای دانلود پایان نامه اینجا را کلیک کنید

لینک بالا اشتباه است

برای دانلود متن کامل اینجا کلیک کنید

       

:: بازدید از این مطلب : 599