کاهش مدت زمان تحلیل الکترومغناطیسی ساختارهای مبتنی بر گرافین

پژوهشگر دانشگاه صنعتی شریف با ارایه یک شرط مرزی تقریبی نوین برای میدان مغناطیسی، موفق به کاهش چشمگیر (چند صد برابری) زمان مورد نیاز برای تحلیل الکترومغناطیسی ساختارهای متناوب مبتنی بر گرافین شدند. این شرط مرزی می‌تواند در تحلیل ساختارهایی با ضخامت بسیار اندک همچون گرافین حایز اهمیت باشد.

کد خبر: ۱۱۶۹۴۸۵

تاریخ: ۰۵ اسفند ۱۳۹۲ - ۱۱:۲۴

به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) گرافین ساختاری با ضخامت یک اتم (یعنی چند دهم نانومتر) است که دارای خواص الکترونیکی و نوری منحصربه‌فردی است. ویژگی خاصی از گرافین که در ساختارهای مورد بررسی این تحقیقات استفاده می‌شود قابلیت آن در هدایت پلاسمون-پولاریتون‌های سطحی به ویژه در فرکانس‌های تراهرتز است.

دکتر امین خواصی، استادیار گرایش مخابرات نوری دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف، در مورد این تحقیقات گفت: «در این کار به ارایه راهکاری برای تحلیل سریع آرایه‌های متناوب از نوارهای گرافین پراداخته‌ایم. تحلیل این آرایه‌ها به کمک روش‌های مبتنی بر بسط فوریه تا حدی کند است. در این مقاله به ارایه روشی می‌پردازیم که می‌تواند زمان لازم برای تحلیل این ساختارها را تا چندصد برابر کاهش دهد.»

این محقق در این کار سرعت همگرایی روش FMM (Fourier Modal Method) را در تحلیل آرایه‌های متشکل از نوارهای گرافینی افزایش داده است. لازم به ذکر است FMM یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای تحلیل ساختارهای نوری است.

در راستای افزایش سرعت همگرایی روش FMM این محقق ابتدا به بررسی دلیل کندی FMM در تحلیل آرایه نوارهای گرافین پرداخت. خواصی توضیح داد: «در تحلیل الکترومغناطیسی ساختارهای گرافینی، بهتر است گرافین را که ضخامتی در حد چند دهم نانومتر دارد به عنوان یک سطح با هدایت سطحی مشخص در نظر بگیریم. بنابراین در آرایه نوارهای گرافین مقدار این هدایت سطحی در جاهایی که گرافین حضور ندارد برابر صفر است. از طرفی در روش FMM به منظور افزایش سرعت همگرایی، لازم است معکوس تابع هدایت سطحی را بسط فوریه بدهیم ولی به دلیل صفر شدن این تابع در برخی از نقاط (جاهایی که گرافین حضور ندارد) امکان معکوس کردن تابع وجود ندارد.»

وی در مورد ارایه راه حل برای رفع این مشکل گفت: «در این تحقیق ما موفق به ارایه راه حلی برای رفع این مشکل شدیم به این ترتیب که به جای استفاده از شرایط مرزی مرسوم میدان مغناطیسی مماسی، یک شرط مرزی تقریبی نوین پیشنهاد دادیم که به کمک آن امکان بسط فوریه معکوس تابع هدایت سطحی فراهم شد. در این شرط مرزی فرض کرده‌ایم که ضخامت مرز مقداری غیر صفر و در حد چند نانومتر دارد. سپس قانون آمپر را به این مرز با ضخامت غیر صفر اعمال نمودیم.»

آرایه‌های متناوب از گرافین می‌توانند در ساخت ادوات نوری مختلف از قبیل حسگرهای نوری، جاذب کامل نور، لنزهای با قدرت تفکیک فراتر از حد پراش و فرامواد تراهرتز کاربرد داشته باشند. طبعا داشتن ابزاری سریع برای تحلیل این ساختارها از ضروریات طراحی چنین ادواتی است.

شماتیک ساختار مورد بررسی در این تحقیقات

وی با اشاره به امکان ادامه تحقیقات در این زمینه گفت: «با توجه به پتانسیل‌های موجود به مطالعه خود بر روی این ساختارها ادامه می‌دهیم و در نتایج اخیر تحقیقات خود نیز نشان داده‌ایم که چنین ساختاری می‌تواند نقش یک عنصر مدار الکتریکی را ایفا نماید و مشخصات این عنصر را نیز استخراج نموده‌ایم. در ادامه تلاش خواهیم کرد که انواع ادوات نوری را به کمک این ساختار طراحی نماییم.»

نتایج اینکار تحقیقاتی به‌وسیله‌ دکتر امین خواصی درمجله Optics Letters (جلد 38، شماره 16، 15 آگوست 2013، صفحات 3009-3012) منتشر شده است.