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
فهرست شکلها
شکل (1‑1) اوربیتالهای اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1]. 4
شکل (1‑2) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد بهرنگ خاکستری است [1]. 4
گرافین. ناحیهی بریلوین بهرنگ خاکستری نشان داده شده است [1]. 5
شکل (1‑4) دیاگرام پاشندگی انرژی گرافین [1]. 7
شکل (1‑5) گرافین یک صفحه تکاتمی از گرافیت است. نانولوله کربنی از لوله کردن گرافین بهشکل استوانه توخالی ایجاد میشود [1]. 8
شکل (1‑6) ساختار ششگوشه در صفحه مختصات گرافین [2]. 9
شکل (1‑7) صفحه مختصات گرافین. مسیر مبلی بهرنگ نارنجی، مسیر نامتقارن بهرنگ سبز و مسیر زیگزاگ بهرنگ آبی است [2]. 10
شکل (1‑8) شبکه و سلول واحد فضای واقعی نانولوله کربنی (الف) از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. 12
و ناحیه بریلوین (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. 12
شکل (1‑10) دیاگرام پاشندگی الکترونی (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3). ناحیه سایهخورده زیرِ انرژی فرمی، منطبق با باند ظرفیت است [1]. 14
شکل (1‑11) احتمال اشغال الکترون برای (الف) (ب) [5]. 17
شکل (1‑12) ساختار تقویتکننده لولهای موج رونده [6]. 17
شکل (2‑1) چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب بسامد زاویهای برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطهچین قرمزرنگ) و ابرشبکهها (سیاهرنگ) [8]. 29
شکل (2‑2) چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطهچین قرمزرنگ) و ابرشبکهها (سیاهرنگ) [8]. 30
شکل (2‑3) مشخصه رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی [8]. 31
شکل (3‑1) مدل مداری نانولوله کربنی [1]. 37
شکل (3‑2) نمایش عدم تطبیق امپدانس بین نانولوله کربنی و دنیای مقیاس بزرگ [1]. 38
شکل (3‑3) ساختار موجبر همصفحه (الف) نمای بالا (ب) نمای کنار [1]. 38
شکل (3‑4) ساختار موجبر همصفحه مورد استفاده و نحوه کاهش دادن عرض ناحیه میانی، محلی که نانولوله کربنی قرار خواهد گرفت [1]. 39
شکل (4‑1) سلول واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 45
شکل (4‑2) با گزینش سلولِ واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0)، 4 بار تکرار میشود. 46
شکل (4‑3) حالت بلاخ نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 46
شکل (4‑4) اعمال بایاس DC بهنانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0) با . 47
شکل (4‑5) نمودار I-V بهدست آمده برای نانولوله کربنی با . 48
شکل (4‑6) رسانایی تفاضلی منفی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 49
شکل (4‑7) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 50
شکل (4‑8) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 51
شکل (4‑9) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 51
شکل (4‑10) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 53
شکل (4‑11) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0)
با . 53
شکل (4‑12) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 54
شکل (4‑13) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 55
شکل (4‑14) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 55
شکل (4‑15) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 56
شکل (4‑16) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 57
شکل (4‑17) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 58
شکل (4‑18) جریان نرمالیزهشده برحسب ولتاژ DC نرمالیزهشده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 58
شکل (5‑1) ساختار موجبر همصفحه برای بررسی عبور موج از درون نانولوله کربنی [14]. 64
شکل (5‑2) ساختار پیشنهادی برای بررسی تطبیق امپدانس. 64
شکل (5‑3) نحوه قرارگیری نانولوله کربنی (مسیر آبیرنگ) درون ساختار پیشنهادشده با بزرگنمایی محل قرارگیری نانولوله کربنی درون شکافِ شکل (5-2) 65
شکل (5‑4) نحوه زمین کردن رسانای کناری در موجبر همصفحه. 66
شکل (5‑5) خطوط میدان الکتریکی (الف) مد زوج (ب) مد فرد [1]. 66
شکل (5‑6) قسمت حقیقی و موهومی رسانایی دینامیکی نانولوله کربنی از نوع مبلی [15]. 67
شکل (5‑7) تطبیق امپدانس ایجادشده با استفاده از ساختار شبیه سازیشده برای کاهش عدم تطبیق امپدانس. 68
شکل (5‑8) سیگنال ورودی (قرمز رنگ) سیگنال خروجی (نارنجی رنگ). 69
شکل (5‑9) نمایش تقویت سیگنال. با بزرگنمایی کردن شکل (5‑8). 69
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 dij 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 وYj 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. اگرچه کلمه رسانا بهگرافین یا نانولولهی کربنی با باند توقف صفر اشاره دارد. نقاطی که از انرژی فرمی عبور میکنند نقاط kگویند و با لبههای ششگوشه[15] برخورد دارند. بیشترین مشخصههای رسانایی الکترونیک با بایاس کم توسط نواحی اطراف نقاط k تعیین میشوند [1].
[1] Radio frequencies: RFs
[2] Carbon nanotube: CNT
[3] Traveling wave tube: TWT
[4] Negative differential conductivity: NDC
[5] Carbon nanotubes: CNTs
[6] Ijima
[7] Traveling wave tube: TWT
[8] Null
[9] Delocalized
[10] Brillouinz one: BZ
[11] Tight binding
[12] Bloch
[13] Bravais
[14] First principle
[15] Hexagon
***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***
متن کامل را می توانید دانلود نمائید
چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)
ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه
با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند
موجود است