گیتهاي منطقی AND و OR بر پایه موجبر پلاسمونی با پوشش ناهمسانگرد

Transcript

1 6 تا 8 بهمن ماه 139 دانشگاه یزد چکیده - ما در این مقاله گیتهاي منطقی AND را در ساختار جدیدي از مجبر د بعدي پلاسمنی بررسی شبیهسازي میکنیم. با استفاده از لایههاي متناب گرافین سیلیکن یک ساختار ناهمسانگرد براي پشش مجبر طراحی MF که بین د آرایهي ناهمسانگرد گرافین-سیلیکن محصر میشد. مج پلاسمن در این مجبر در یک هسته از جنس شده است انتشار مییابد. سپس با تغییر گرافین براي کنترل طل انتشار مج پلاسمنی در مجبر گیتهاي منطقی AND گیتهاي منطقی AND بر پایه مجبر پلاسمنی با پشش ناهمسانگرد با کمک نرمافزار COMSOL انجام شده است. طراحی میشند. شبیهسازيها در فرکانس 30 تراهرتز با استفاده از رش المان محدد (FEM) کلمات کلیدي: تراهرتز گرافین پلاسمن گیت منطقی ناهمسانگرد * محمد درخشی داد فتحی دانشگاه تربیت مدرس دانشکده مهندسی برق کامپیتر * آدرس ایمیل: d.fathi@modares.ac.ir AND and loic ates based on plasmonic waveuide with anisotropic clad M. Derakhshi, D. Fathi* School of Electrical and Computer Enineerin, Tarbiat Modares University (TMU), Tehran, P.O. Box: , Iran *d.fathi@modares.ac.ir Abstract- In this paper, we study and simulate AND and loic ates in a new structure of plasmonic twodimensional waveuide. Usin periodic arrays of raphene and silicon, an anisotropic structure is desined for the clad of waveuide. Plasmon wave in this waveuide is propaated in a core of MF which is surrounded between two raphene-silicon anisotropic arrays. Then with the chane of raphene chemical potential in order to control the lenth of plasmon wave propaation in the waveuide, AND and loic ates are desined. The simulations in the frequency of 30 THz, has been performed usin the finite element method (FEM) with the help of COMSOL software. Keywords: Terahertz, Graphene, plasmon, Loic ate, Anisotropic این مقاله در صرتی داراي اعتبار است که در سایت قابل دسترسی باشد. 50

2 6 تا 8 بهمن ماه 139 دانشگاه یزد 1- معرفی استفاده از افزارههاي نري در مدارات مجتمع بخاطر سرعت بالاي آنها مرد علاقهي پژهشگران است. براي تحقق این امر باید ابعاد افزارههاي نر کچک شد. پراش نر کچک سازي را با مشکل ماجه کرده است.[1] استفاده از پلاسمن پلاریتن سطحی که از بر همکنش مج الکترمغناطیسی با سطح مشترك فلز دي الکتریک به جد میآید مج را در ابعاد کچک محصر میکند براي کچک سازي افزارههاي نري مقابله با پراش نر مناسب است []. مطالعه بر ري حزهي تراهرتز به دلیل کاربرد در زمینههاي نیمه رسانا پزشکی دفاعی مخابراتی حسگرها اسپکترسکپی مرد علاقه محققان بده است[ 5-3 ]. بررسی انتشار اماج پلاسمن در گرافین نشان میدهد گرافین گزینه مناسبی براي استفاده در افزارههاي پلاسمنی در حزهي تراهرتز است [7 6]. گرافین الین بار در سال بهصرت آزمایشگاهی به دست آمد. گرافین یک ماده د بعدي از اتمهاي کربن است که در ساختار لانه زنبري به هم پیند داده شدهاند. در فرکانسهاي کچکتر از فرکانس فنن نري گرافین آلاییده شده میتاند پلاسمنها را با اتلاف کم انتقال دهد تلفات پلاسمنها که بیشتر ناشی از گذارهاي بین باندي است تسط آلایش گرافین از بین میرند.[8] بدلیل تلفات ذاتی فلز طل انتشار مج در ادات پلاسمنی بر پایه فلز کم است. ادات بر پایه گرافین میتانند این مشکل را حل کنند همچنین تراز فرمی گرافین با تغییر قابلیت تنظیمپذیري دارد این عامل باعث شده تا گرافین عملکرد بهتري در ساخت ادات نري در مقایسه با فلزات داشته باشد.[9] تغییر معملا با اضافهکردن ناخالصی به گرافین یا اعمال لتاژ به آن صرت میگیرد. اخیرا گیتهاي منطقی پلاسمنی بر پایه تشدید کننده هاي نان دیسک گرافین گیتهاي منطقی آبشاري (cascade) مرد مطالعه قرار گرفتهاند [1-10]. در این مقاله ما گیت منطقی AND را با استفاده از یک مجبر شده میپردازیم. در شکل (1) ساختار مجبر پلاسمنی مشاهده میشد. د پشش ناهمسانگرد بهصرت بلر فتنی یکبعدي ) Graphene ( Si / در د طرف هستهي MF با ضریب گذردهی دي الکتریکی از جنس = 1.88 ε قرار داده شده است. پشش مجبر با تجه به d راستاي مج فردي رفتار متفاتی از خد نشان میدهد. شکل 1: ساختار مجبر پلاسمنی با پشش ناهمسانگرد نحهي اعمال لتاژ به لایههاي گرافین تراز فرمی در گرافین میگیرد. خالص در محل نقاط دیراك قرار اما ماردي چن آلایش میدان مغناطیسی همچنین اعمال لتاژ میتاند این تراز را به سمت بالا یا پایین جابجا کند. با اعمال لتاژ گیت ) انرژي فرمی بهصرت میشد که V ( به گرافین E = ν πc V V F F Dirac V Dirac فرمی به نقطهي دیراك مقدار لتاژ مرد نیاز براي رساندن تراز C n s خازن گیت چگالی الکترنها هستند[ 15 ]. بهترتیب مقدار بر اساس فرمل کب [13] در رسانایی گرافین د قسمت گذارهاي درن باندي بین باندي شرکت دارند. براي مقادیري از فرکانس که در این مقاله مد نظر است قسمت گذارهاي بین باندي رسانایی گرافین بسیار کچک است رسانایی باندي است. گرافین ناشی از گذارهاي درن طراحی شبیهسازي گرافین پلاسمنی مبتنی بر میکنیم. - فیزیک مجبر در این قسمت ابتدا به بررسی مجبر پلاسمنی پیشنهاد 51

3 6 تا 8 بهمن ماه 139 دانشگاه یزد ekt B σ = i π ( ω+ i Γ) µ µ kbt + ln e + 1 k BT (1) در این معادله ω فرکانس k B پلانک Γ نرخ پراکندگی حاملها µ تابت بلتزمن ثابت گرافین e بار الکترن T دما است. با در نظر گرفتن یک ضخامت مثر براي گرافین ضریب گذردهی الکتریکی به اندازهي گرافین d ε = 1 + i ( ση / k d) 0 0 آرد بدست میتان را بهصرت [9] که 377 η0 امپدانس ها است. Ω براي راستاي مازي لایههاي متناب گرافین-سیلیکن پشش داراي ضریب گذردهی الکتریکی ) x ( ε براي راستاي عمد بر لایههاي متناب گرافین-سیلیکن پشش داراي ضریب گذردهی الکتریکی ) z ( ε است. با استفاده از رش تي ري محیط م ثر براي ساختاري با د لایهي متفات میتان ضریب گذردهی مازي عمد را بهصرت معادلهي زیر بدست آرد [1]. ε = ε f + ε (1 f ) x si ε = z f ε 1 (1 f ) + ε si () که در این معادله f کسري از پرشدگی گرافین نسبت به یک درهي تناب در ساختار ناهمسانگرد پشش است. در اینجا ضخامت مثر گرافین 5 نانمتر در نظر گرفته ε شد است. ضریب گذردهی الکتریکی ε Si گرافین ضریب گذردهی سیلیکن است. طل انتشار مج پلاسمن در این مجبر با تجه قسمت مهمی بردار مج در محاسبه میشد. k 1 راستاي x بهصرت = L k قسمت مهمی بردار مج است. 3- گیت ھای منطقی AND ابتدا به بررسی گیت منطقی AND میپردازیم. براي طراحی ساختار کچک بدن ابعاد طل انتشار بالا بطر همزمان مد نظر است. با بررسی تغییر ابعاد ساختار گیت AND فیزیکی را بهصرت زیر شبیهسازي میکنیم شکل : گیت منطقی پلاسمنی AND طراحی گیت در AND براي داشتن طل انتشار بهتر MF هستهاي با ضریب گذردهی الکتریکی کم از جنس با ضخامت 50 نانمتر درصد پرشدگی سیلیکن به گرافین معادل = 0.7 f در نظر میگیریم. همانطر که از شکل پیداست د مجبر پلاسمنی در کنار هم قرار MF از جنس هسته با داده شدهاند با یک لایه ضخامت 10 نانمتر از هم جدا شده اند. یک پرت ردي براي رد مج پلاسمن یک پرت خرجی براي دریافت مج پلاسمن در نظر گرفته شده است. طل هر مجبر 3/5 میکرمتر است با تغییر پتانسیل لایههاي گرافین مجد در مجبر سمت راست چپ میتان رفتار گیت منطقی AND را مشاهده کرد. در جدل (1) رفتار گیت به ازاي گرافین آرده شده است. جدل 1: لایههاي گرافین پشش براي حالت خامش رشن گیت AND حالت رشن حالت خامش گرافین مجبر سمت چپ (ev) گرافین مجبر سمت راست (ev) 1/ 9 9 1/ 5 درصد مج خرجی به ردي 5

4 بیست دمین کنفرانس اپتیک فتنیک ایران هشتمین کنفرانس مهندسی فناري فتنیک ایران در شکل (3) پرفایل میدان گیت AND نشان داده شده / درصد مج پلاسمن است. براي حالت 6 ردي به پرت خرجی رسیده است. براي حالت /5 درصد مج پلاسمن ردي به پرت 3 / درصد خرجی رسیده است. براي حالت 10 6 مج پلاسمن ردي به پرت خرجی رسیده است. براي حالت درصد مج پلاسمن ردي به پرت خرجی رسیده است. براي طراحی گیت منطقی ساختار زیر پیشنهاد میشد شکل : گیت منطقی پلاسمنی حالت رشن حالت خامش /0 گرافین مجبر سمت چپ (ev) /0 گرافین مجبر سمت راست (ev) درصد مج خرجی به ردي 1/ 9 9 1/ 5 جدل : لایههاي گرافین پشش براي حالت خامش رشن گیت شکل 3: الف) گیت منطقی AND حالت ب) حالت ج) حالت 10 د) حالت 11 لازم به ذکر است که در طراحی گیت نیز کچک بدن ابعاد طل انتشار بالا بطر همزمان مد نظر است. 53

5 6 تا 8 بهمن ماه 139 دانشگاه یزد در این خصص با بررسی تغییر ابعاد فیزیکی ساختار - گیت را بهصرت شکل شبیهسازي میکنیم [11]. شکل 5: الف) گیت منطقی حالت ب) حالت ج) حالت 10 د) حالت 11 MF با ضخامت 50 در گیت هسته را از جنس نانمتر درصد پرشدگی ديالکتریک پشش به گرافین را در نظر میگیریم با تجه به شکل () f = 0.7 ردي گیت با یک پرت خاص مج پلاسمن را به درن ساختار انتشار میدهد با تغییر گرافین مجد در بازهاي ساختار /0 ev منطقی براي یک / ev براي صفر منطقی میتان رفتار گیت منطقی را مشاهده کرد. در شکل (5) پرفایل میدان الکتریکی براي حالات مختلف گیت براي حالت مشاهده میشد. /1 درصد مج پلاسمن ردي 9 به پرت خرجی رسیده است. براي حالت درصد مج پلاسمن ردي به پرت خرجی رسیده 9 است. براي حالت 10 درصد مج پلاسمن ردي به پرت خرجی رسیده است. براي حالت 11 1/ 5 خرجی رسیده است. درصد مج پلاسمن ردي به پرت نتیجھگیری در این مقاله تسط ساختار آرایهي متناب گرافین-سیلیکن یک مجبر پلاسمنی در فرکانس تراهرتز طراحی کردیم. خصصیت یژه گیتهاي منطقی AND مقاله بررسی شدهاند گرافن-سیلیکن تغییر که در این تنظیمپذیري ضریب گذردهی لایههاي با تغییر تراز فرمی گرافین است که باعث طل انتشار مج پلاسمن اساس گیتهاي منطقی میشد. در نتیجه بر این در فرکانس 30 تراهرتز AND طراحی شدهاند. با تجه به مقدار عبر مج پلاسمن در حالت خامش رشن گیت این ساختار براي طراحی گیتهاي منطقی مناسب به نظر میآید. مشاهده شد که نسبت عبر مج در حالت رشن (11) به حالت خامش () براي گیت AND بهترتیب 31/9 9/6 است. مراجع [1] S. A. Maier, M. L. Bronersma, P. G. Kik, S. Meltzer, A. A. Requicha and H. A. Atwater, PlasmonicsÐA Route to Nanoscale Optical Devices, Adv. Mater, Vol. 13, No. 19, pp. -6, 1. [] W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Surface plasmon subwavelenth optics, Nature, Vol., No. 6950, pp , 3. [3] M. Brucherseifer, M. Nael, P. H. Bolivar, H. Kurz, A. Bosserhoff, and R. Buttner, Label-free probin of the bindin state of DNA by timedomain terahertz sensin, Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No., pp , 0. [] T. Kleine-Ostmann and T. Naatsuma, A review on terahertz communications research, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 3, No., pp , 1. [5] H. Chen, R. Kerstin, and G. C. Cho, Terahertz imain with nanometer resolution, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 15, pp , 3. [6] A. Ferreira, N. M. R. Peres, and A. H. C. Neto, Confined manetooptical waves in raphene, Phys. Rev. B, Vol. 85, No. 0, p. 056,. [7] A. Vakil and N. Enheta, One-atom-thick reflectors for surface plasmon polariton surface waves on raphene, Optics Communications, Vol. 85, No. 16, pp ,. [8] S. H. Lee, M. Choi, T.-T. Kim, S. Lee1, M. Liu, X. Yin, H. K. Choi, S. S. Lee, C.-G. Choi, S.-Y. Choi, X. Zhan and B. Min, Switchin terahertz waves with ate-controlled active raphene metamaterials, Vol. 11, No. 11, pp ,. [9] A. Vakil and N. Enheta, Transformation optics usin raphene, Science, Vol. 33, No. 6035, pp , 1. [10] G. Wan, H. Lu, X. Liu, D. Mao, and L. Duan, Tunable multichannel wavelenth demultiplexer based on MIM plasmonic nanodisk resonator at telecommunication reime, Opt. Express, Vol. 19, No., pp , 1. [11] K. J. Ooi, H. S. Chu, P. Bai and L. K. An, Electro-optical raphene plasmonic loic ates, Optics letters, Vol. 39, No. 6, pp ,. [1] H. Wei, Z. Wan, X. Tian, M. Käll and H. Xu, Cascaded loic ates in nanophotonic plasmon networks, Nature communications, Vol., p. 387, 1. [13] C. Xu, Y. Jin, L. Yan, J. Yan, and X. Jian, "Characteristics of electro-refractive modulatin based on Graphene OxideSilicon waveuide," Optics express, Vol. 0, No. 0, pp ,. [1] B. Wood, J. B. Pendry, and D. P. Tsai, Directed subwavelenth imain usin a layered metal-dielectric system, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., Vol. 7, No. 11, pp. 1 8, 6. [15] P. Dietl, Numerical Studies of Electronic Transport throuh Graphene Nanoribbons with Disorder, Karlsuhe Institute of Technoloy, 9. 5