توسط نرم افزار و پایان نامه

دانلود پایان نامه

شکل ‏31: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکستهای ارائه شده توسط پالیک[11, 35] و جانسون-کریستی [10] میباشد.
شبیهسازیهای نمایش تحریک پلاسمونها توسط نرم افزار کامسول انجام میشود. برای سادهسازی شبیهسازی از ساختار دو بعدی استفاده میشود. ساختار کرشمن مطابق شکل (شکل ‏32) در محیط نرمافزار پیادهسازی میشود. با توجه به این شکل برای اینکه تطبیق کامل در شرایط مرزی بیرونی برقرار شود و شبیهسازی به محیط عملی آزمایش نزدیک شود از لایه تطبیق دهنده کامل (PML) استفاده شده است.
شکل ‏32: ساختار کرشمن پیادهسازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن.
با توجه به اینکه بیم تابشی برای تحریک پلاسمونها بایستی TM باشد و بهطور مایل به سطح مشترک منشور-نقره تابش شود همانطور که در شکل (شکل ‏32) نشان داده شده است، موج تختی با طول موج 830 nm از ضلع منشور تابانده شد. همچنین برای کاهش حجم ساختار و کم شدن حافظه مورد نیاز و در نتیجه کاهش زمان شبیه سازی طول لایه نازک نقره در شبیه سازی 600nm انتخاب شده است.
البته در آزمایش عملی با توجه به اینکه در ساختار کرشمن بین لایه فلزی و منشور گپ هوایی وجود ندارد و در عمل از روغن تطبیق فاز برای پر کردن این فاصله هوایی استفاده میشود. این روغن میتواند ضریب شکست های مختلف داشته داشته باشد. در این شبیه سازی و ساخت و آزمایش از روغن با ضریب شکست نزدیک به 1.608 استفاده میشود.
در شبیه سازیهای متعدد دیده شد که در تحلیل حالت پایدار لایه PML چندان درست عمل نمی کرد و با تابش موج به این لایه بازتابش وجود داشت (فلسفه وجود لایه PML نداشتن بازتابش از مرز آن است). بههمین دلیل در شکل (شکل ‏32) برای اینکه بازتابش حاصل از مرز لایه PML بر روی فیلم نازک نقره بیاثر باشد مرزی از هادی مغناطیسی کامل در ساختار قرار داده شد.
شکل (شکل ‏33) نتایج شبیه سازی مولفه z میدان مغناطیسی را در حالتهای مختلف و تحریک SPP را نشان میدهد. شکل (شکل ‏33-a) نتیجه شبیهسازی بدون مرز هادی مغناطیسی کامل را نشان میدهد. شکل (شکل ‏33-b) نیز نتیجه را با حضور مرز هادی کامل نشان میدهد. در شکل (3-3-b) اطراف لایه نازک نقره از هوا پرشده است و ساختار کاملا متقارن IMI است.
شکل ‏33: مولفه z میدان مغناطیسی (a) ساختار کرشمن بدون مرز PMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان .
ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا)
ساختارهای IMI همانطور که قبلا گفته شد نیاز به وجود لایه نازک فلز نجیب در بین دو عایق دارد. در آزمایشهای این پایان نامه از فلز نقره با ضخامت های نانومتری استفاده شده است. برای لایه نشانی نقره از روش تبخیر گرمایی استفاده شد. دستگاه لایه نشانی ساخت شرکت Edwards است. این دستگاه با استفاده از دو پمپهای خلا، درون محفظه را خلا میکند. این خلا با استفاده از پمپ چرخشی به و با کمک پمپ نفوذی به میرسد. سپس با استفاده از جریان الکتریکی ماده مورد نظر را تبخیر میکند تا به روی سطح مورد نظر نشانده شود. ضخامت لایه نشانده شده نیز توسط یک ضخامت سنج کریستالی با دقت درون محفظه خلا و در زمان عملیات لایهنشانی ، اندازهگیری میشود.
در آزمایشهای اولیه لایهنشانی نقره بر روی زیر لایه های مختلفی مانند فیلم پلیمری و شیشه آمورف انجام شد. ولی با کم بودن چسبندگی بین نقره و این زیر لایه ها دقت و مرتبه انجام آزمایش، پایین بود. به همین خاطر سراغ زیرلایه ویفر سیلیکن-سیلیکا رفتیم. این ویفر شامل یک زیرلایه با ضخامت نزدیک به 1mm است که بر روی آن، یک لایه نازک سیلیکا با ضخامت 200nm لایه نشانی شده است. البته باز هم برای افزایش چسبندگی لایه نقره با لایه سیلیکا مرسوم است که ابتدا یک لایه چند نانومتری کروم بر روی زیر لایه، لایه نشانی میشود و سپس بر روی لایه کروم، لایه غیر چسبنده را لایه نشانی کنند. کروم در طول موج بکار رفته دارای ضریب شکست 48/3j+21/3 است [35]. این ضریب شکست با توجه به مقدار ترم حقیقی و موهومی آن در تحریک پلاسمونهای سطحی خللی وارد نمیکند.
در روش ساخت این موجبر نیز، ما ابتدا یک لایه 5nm کروم بر روی زیرلایه سیلیکا لایه نشانی میکنیم. سپس 40nm نقره بر روی لایه کروم قرار میدهیم. اکنون موجبر IMI (سیلیکا-نقره-هوا) به صورت صفحهای آماده است. ویفری که بر روی آن لایه نشانیها انجام شده است دارای طول و عرض است که همان ابعاد سطح موجبر صفحهای است.
تحریک پلاسمونهای سطحی در موجبر صفحهای
برای تحریک امواج پلاسمون سطحی روی یک موجبر پلاسمونیکی با ساختار IMI (سیلیکا-نقره-هوا) از چیدمانی مطابق شکل (شکل ‏34) استفاده می‌کنیم. در ساختار شکل (شکل ‏34) لیزر یا منبع پرتو الکترومغناطیسی از نوع دیودی یا نیمههادی است که در طول موج 830nm بیم ساطع میکند. صفحه چرخان موج در جلو پرتو خروجی از لیزر قرار میگیرد. صفخات چرخان موج قطعاتی هستند که نوع قطبش بیم عبوری از خود را تغییر میدهند و اصولا دو دستهاند. یکی از نوع صفحه نصف موج است که جهت قطبش نور با قطبش خطی را شیفت میدهد و دیگری صفحه یک چهارم موج است که قطبش خطی نور را قطبش دایروی تبدیل میکند و برعکس. در این چیدمان از نوع صفحه نیم موج استفاده میشود تا قطبش نور رسیده به منشور TM باشد. به کمک این صفحه چرخان، ‌روزنه، عدسی و قطبشگرِ قبل از منشور میتوان بهترین تزویج را بین پرتو لیزر و مد SPP ایجاد کرد. وجود همزمان صفحه موج و قطبشگر قبل از منشور باعث بالا رفتن دقت قطبش پرتو منشور میشود. علاوه بر این، اکنون به کمک قطبشگر میتوان شدت پرتو فرودی به منشور را کنترل کرد.
فیلم را زیر منشور قرار می‌دهیم و با مهره‌ی سفت کننده آن را در جای خود محکم می‌کنیم. مهره را نباید زیاد سفت کنیم زیرا علاوه بر ایجاد اشکال در تزویج موثر نور به موجبر، ممکن است باعث صدمه دیدن ویفر ترد سیلیکنی زیر منشور شود. ولی برای تزویج نور توسط منشور می‌بایست فیلم در نقطه‌ی بالای مهره کاملاً به فیلم بچسبد.
شکل ‏34: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمونهای سطحی با ساختار کرشمن.
منشور بر روی محور چرخانی که با دقت زیاد (حدود هزارم درجه) می‌چرخد و زاویه‌ی چرخش آن توسط رایانه کنترل می‌شود، قرار دارد. ابتدا منشور را می‌چرخانیم تا باریکه‌ لیزر که پس از عبور از قطبشگر به قاعده منشور می‌تابد، کاملاً بر منشور عمود شود. برای اطمینان از عمود بودن این پرتو بر سطح منشور می‌بایست باریکه‌ی بازتاب شده از سطح منشور دقیقاً بر روی مسیر باریکهی اصلی برگردد. در این حالت زاویه‌ بین راستای پرتو فرودی بر منشور و خط عمود بر منشور صفر است. با استفاده از کامپیوتر این وضیت را حالت مرجع با زاویه‌ی صفر تعریف می‌کنیم. حال با چرخیدن محور چرخان حامل منشور در جهت پاد ساعت گرد زاویه‌ی بین خط عمود بر منشور و پرتو لیزر رفته‌رفته زیاد می‌شود. در زوایای خاصی که شرایط مدهای هدایت شونده در موجبر وجود دارد،‌ نور به درون موجبر صفحهای IMI تزویج می‌شود.
این زوایا را می‌توان با استفاده از یک آشکارساز که در بالای فیلم نصب شده و همراه آن میچرخد، پیدا کرد (شکل ‏35). بدینگونه که در زاویه هایی که نور به درون فیلم تزویج می‌شود دیگر به صورت مد تابشی از سطح فیلم خارج نمی‌شود،‌ بلکه به صورت مد SPP هدایت شونده در موجبر صفحهای تزویج می‌شود. بنابراین یک کاهش ناگهانی در میزان نور دریافتی آشکارساز که بر فراز فیلم قرار دارد به وجود می‌آید. خروجی آشکارساز به رایانه منتقل می‌شود و به وسیله‌ی نرمافزار خاصی که محور چرخان و آشکارساز را با هم کنترل می‌کند، به صورت نمودار شدت برحسب زاویه رسم می‌شود. البته باید توجه داشت که با استفاده از قطبشگر، راستای میدان الکتریکی را به صورت افقی یا عمودی کنترل میکنیم تا زوایای تزویج را برای مدهای TM به دست آوریم.
شکل ‏35: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش.
در اثر بازتاب کامل داخلی درون منشور و تزویج پرتو لیزر به مدهای امواج SPP، در زوایای خاصی شدت پرتو آشکار شده دارای کاهش ناگهانی است. این زاویهها همانطور که در شکل (شکل ‏35) نشان داده شده است، زاویه های تزویج نور درون موجبر صفحهای میباشند که نشان دهنده تحریک مدهای مختلف امواج پلاسمون سطحی و انتشارآنها درون موجبر است.
ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها
موجبرهای کانالی برخلاف موجبرهای تخت، که موج را تنها در یک بعد محدود می‌کنند، امواج را در دو بعد محدود و در بعد سوم هدایت می‌کنند. موجبر کانالی پلاسمونیک، مانند موجبر دی‌الکتریک در مدارهای مجتمع نوری کاربرد فراوان دارد ولی تحلیل دقیق آنها ممکن نیست. برای ساخت این موجبر از روش لیتوگرافی استفاده میکنیم.
ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا)
شکل (شکل ‏36) مراحل ساخت موجبر کانالی را نشان میدهند. ویفر سیلیکنی با لایه 200nm سیلیکا را به عنوان زیرلایه، تمیز و آماده میکنیم(شکل ‏36-a). سپس آن را بر روی دستگاه لایه‌نشان چرخشی قرار می‌دهیم و با استفاده از قاشقک محلول غلیظ ماده فوتورزیست S1818 را روی همه‌ی سطح آن می‌مالیم. سعی می‌کنیم سطح زیر لایه تا حد ممکن به طور یکنواخت به ماده S1818 آغشته شود. پس از گذاشتن در پوش محفظه‌ی دستگاه لایه نشان چرخشی، آن را روشن می‌کنیم تا با چرخش سریع محلول را به طور یکنواخت بر سطح زیرلایه‌ی سیلیکا پخش کند و یک لایه‌ی نازک چند میکرونی از فوتورزیست ایجاد کند. شکل (شکل ‏37) دستگاه لایهنشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیر لایه را نشان میدهد.
زیرلایه اکنون حاوی یک لایه چند میکرونی از ماده فوتورزیست است (شکل ‏36-b). با استفاده از چیدمان موجبر نویس که در شکل (شکل ‏38) نشان داده شده است بیم باریک شده لیزر بنفش با طول موج 410nm ، با پهنای 8 میکرومتر را به آن میتابانیم (شکل(3-6-c)) و با حرکت سکوی متحرک و کنترل پذیر دستگاه موجبر نویس یک خط در طول ویفر بر روی ماده S1818 ایجاد میشود (شکل(3-6-d)).
شکل ‏36: مراحل لایهنشانی موجبر کانالی به روش لیتوگرافی (a) ویفر سیلیکن-سیلیکا.(b) لایه نشانی ماده فوتورزیست بر روی زیرلایه. (c)و (d) نوشتن موجبرکانالی به عرض 8 میکرومتر بر روی ماده فوتورزیست. (e) لایه نشانی کروم و نقره بر روی ماده فوتورزیست . (f) پاک کردن قسمتهای تحت تابش نبوده ماده فوتورزیست و باقی ماندن نوار فلزی . (g) ایجاد موجبر سیلیکا-نقره-هوا
شکل ‏37: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه.