فایل شماره 5528 |
نوسانهای بلاخِ بستههای موج الکترونی زمانیکه الکترون مورد تاثیر یک میدان الکتریکی در پتانسیل متناوب (یک کریستال) است اتفاق میاُفتد. این نوسانها بهخاطر بازتاب براگ[۲۵] در لبه ناحیهی بریلوین است، دامنه و تناوب نوسانهای بلاخ بهشکل زیر است [۵]:
(۱‑۲۱)
(۱‑۲۲)
که در آنها d تناوب پتانسیل (ثابت شبکه) است، δ عرض باند انرژی، زمانیکه الکترون در حال حرکت است، F میدان الکتریکی اعمالی است. بسامد زاویهای بلاخ، است، که رابطه خطی با میدان الکتریکی دارد. شکل (۱‑۱۴) احتمال اشغال الکترون بر حسب زمان را برای ۲ میدان اعمالی مختلف (الف) و (ب) را برای نانولوله کربنی مبلی (۶،۶) با ۱۸۰ سلول واحد نشان میدهد. با گذر زمان شاهد تغییر رنگ از سیاه بهقرمز خواهیم بود و بههر میزان میدان الکتریکی اعمالی را بیشتر کنیم نوسانهای قویتری خواهیم داشت [۵].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
(الف)
(ب)
شکل (۱‑۱۴) احتمال اشغال الکترون برای دو میدان اعمالی (الف) و (ب) [۵].
تقویتکننده لولهای موج رونده
تقویتکننده های لولهای موج رونده[۲۶] بهعنوان تقویت کننده های مبتنی بر خلا بسیار موفق بوده اند. مطابق شکل (۱‑۱۵) ساختار تقویتکننده لولهای موج رونده بهشکل مارپیچ است، که باعث می شود سرعت سیگنالِ بسامد رادیویی[۲۷] واردشده بهآن را کاهش داده و بهسرعت الکترونهای در حال حرکت درون استوانهتوخالیِ درون ساختار مارپیچ برساند. زمانیکه سرعت فاز و سرعت گروه برابر شدند تقویت سیگنال رادیویی ورودی را شاهد خواهیم بود [۱].
شکل (۱‑۱۵) ساختار تقویتکننده لولهای موج رونده [۶].
تولید و تقویت سیگنال رادیویی در تقویتکننده های لولهای موج رونده موفقیتآمیز بوده است، به طوری که امروزه در برخی کاربردها بهتقویت کننده های حالت جامد ترجیح داده میشوند [۱].
با توجه بهاینکه سرعت الکترونها در نانولولههای کربنی به صورت تئوری ۱۰۵×۸ است، که سرعت فاز سیگنالهای رادیویی منتشره در طول نانولوله کربنی بههمین میزان کاهش مییابد، تشابه خاصی بین تقویتکننده لولهای موج رونده و نانولولههای کربنی وجود دارد. در نگاه اول بهنظر میرسد نانولولههای کربنی بهدلایل زیر معادل کاملی از تقویتکننده های لولهای موج رونده در مقیاس نانو هستند:
-
- ساختار موج آرام: تقویتکننده های لولهای موج رونده از ساختار مارپیچ برای کند کردن موج استفاده می کنند، که نانولولههای کربنی به دلیل ضخامت و قطر بسیار ریزشان ذاتا این ویژگی را دارند.
-
- الکترونهای سریع: تقویتکننده های لولهای موج رونده، یک پرتو از الکترونها را در خلا شتاب می دهند، در حالیکه در نانولولههای کربنی الکترونها بهمیزان اندکی متفرق میشوند و در نتیجه سرعت جابجایی بالایی خواهند داشت.
-
- همگامسازی سرعت موج و الکترون: در نانولولههای کربنی ذاتا بین این دو سرعت تطابق وجود دارد، در حالیکه در تقویتکننده های لولهای موج رونده برای رسیدن بهاین مقصود از ساختار دقیقی باید استفاده کرد.
-
- محدودیت پرتو الکترون: الکترونها محدود بهسطح نانولولههای کربنی هستند، درحالیکه در تقویتکننده های لولهای موج رونده از آهنربای حجیم برای محدود کردن پرتو در خلا استفاده می کنند [۱].
در نانولولههای کربنی، برخی مواقع که سرعتهای الکترون و سیگنال رادیویی ورودی با هم برابر نیستند، تقویت رخ میدهد، بنابراین نمی توان همیشه علت فیزیکی عامل تقویت در تقویتکننده لولهای موج رونده را بهنانولولههای کربنی نسبت داد. در این مواقع که برابری سرعت وجود ندارد باید عامل فیزیکی دیگری در تقویت امواج رادیویی در عبور از درون نانولولههای کربنی وجود داشته باشد. این عامل فیزیکی نوسانهای بلاخ است که در بخش پیشین بیان شد [۱].
کاربرد نانولولههای کربنی
نانولولههای کربنی ویژگیهای بسیار جالبی دارند که میتوان بهموارد زیر اشاره کرد:
بسیار محکم، دارای رسانای گرمایی بسیار خوب، میتوانند متناسب با نحوه لوله کردن صفحه گرافین فلز یا شبهفلز باشند [۱].
نانولولههای کربنی را میتوان در موارد زیر بهکار برد:
ترانزیستور اثر میدانی[۲۸] بسامد بالا، نانو آنتنها، نانو موجبرها [۱]، حسگرها، اتصالگرها[۲۹]، پالایهها[۳۰] [۵].
ساختار پایان نامه
به دلیل شباهت عملکرد نانولوله کربنی با تقویتکننده لولهای موج رونده، توجهها بهسمت استفاده از نانولولههای کربنی بهعنوان تقویت کننده جلب شد و وجود رسانایی تفاضلی منفی[۳۱] در چنین ساختارهایی ویژگی تقویتکنندگی را اثبات کرد، اما علت فیزیکی تقویت در نانولولههای کربنی و تقویت کننده های لولهای موج رونده متفاوت است. ساختار کریستالی و متناوب نانولولههای کربنی باعث به وجود آمدن نوسانهای بلاخ شده که علت اصلی رسانایی تفاضلی منفی و تقویت در ساختار نانولوله کربنی است [۱]. در فصل دوم بهبررسی رسانایی تفاضلی منفی و ویژگی تقویتکنندگی در چنین ساختارهایی میپردازیم و چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب میدان DC نرمالیزهشده اعمالی در طول نانوله کربنی را با بهره گرفتن از معادله بولتزمن بهدست میآوریم. در فصل سوم موجبر همصفحه را معرفی کرده و با بهره گرفتن از آن ساختار مناسب به کارگیری نانولولهکربنی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس را معرفی میکنیم. در فصل چهارم بهشبیهسازی نانولولههای کربنی با بایاس DC پرداخته و حالت بلاخ را بهدست میآوریم و با بهره گرفتن از معادله بولتزمن که برای نانولوله کربنی مورد اعمال همزمان میدان DC و AC حل شده است، چگالی جریان نرمالیزهشده برحسب میدان DC نرمالیزهشده را شبیهسازی نموده و بهبررسی رسانایی تفاضلی منفی در آن میپردازیم. در فصل پنجم ساختار مناسب به کارگیری نانولولههای کربنی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس را شبیهسازی میکنیم. فصل پایانی نتیجه گیری و ارائه پیشنهاد برای کارهای آینده است.
معادله بولتزمن
دیباچه
در الکترونیک، مقاومت منفی که برخی مواقع رسانایی منفی نیز نامیده می شود، از ویژگی برخی از مدارهای الکترونیک و قطعههایی است که افزایش ولتاژ در طول دوسر پایانه سامانه منجر بهکاهش جریان عبوری از آن می شود. این ویژگی در تضاد با مقاومتهای رایج است که از قانون اهم پیروی می کنند و افزایش ولتاژ منجر بهافزایش متناظر جریان در آنها می شود و مقاومت مثبت نامیده میشوند. در این فصل بهبررسی رسانایی تفاضلی منفی میپردازیم و با حل معادلهبولتزمن، معادله جریان-ولتاژ نانولولههای کربنی با بایاس همزمان AC و DCرا بهدست میآوریم و بهتحلیل فیزیکی شکلهای بهدستآمده از آن میپردازیم.
رسانایی تفاضلی منفی
مقاومت مثبت توان جریانی را که از درونش میگذرد مصرف می کند، ولی مقاومت منفی توان تولید می کند. در شرایط خاص مقاومت منفی می تواند توان سیگنال خروجی را افزایش دهد و آن را تقویت کند. مقاومت منفی یک ویژگی غیرمعمول است که در برخی عناصر الکترونیک غیرخطی رخ میدهد [۷].
عبارت مقاومت منفی بهمقاومت تفاضلی منفی، ، دلالت می کند. به طور کلی مقاومت تفاضلی منفی یک عنصر دوپایانهای است که می تواند بهمنظور تقویت (تبدیل سیگنال DC ورودی بهتوان AC خروجی با تقویت سیگنال AC اعمالشده بههمان پایانه ها) بهکاربرده شود. مقاومت منفی در نوسانسازهای الکترونیک و تقویتکنندهها به ویژه در بسامد مایکروویو میتوانند بهکار گرفته شوند. علت تجاری نشدن مقاومت تفاضلی منفی بهعنوان تقویتکننده، سختی استفاده از ترکیبهای آلی با مقاومت تفاضلی منفی در دمای اتاق است و ادوات تجاری که برای تقویت بهکاربرده میشوند معمولا ۳ پایانه (ترانزیستور پیوند دوقطبی و ترانزیستور اثر میدانی) و یا ۴ و ۵ پایانه هستند [۷].
معادله بولتزمن
به دلیل محدودیت حرکت عرضی الکترونها و ماهیت بسیار نازک دیواره نانولولههای کربنی، انتقال الکترونها توسط مکانیزمی کوانتومی تعریف می شود و معادله دینامیک کلاسیک در توصیف این پدیده ناتوان است. بنابراین دقیقترین روش برای توصیف مسئله استفاده ازفرض اولیه[۳۲] است، ولی استفاده از این روش پیچیده و نیازمند محاسبههای عددی زیادی است. در حال حاضر استفاده از روش دینامیک شبهکلاسیک برای دستیابی بهماهیت مسئله کافی است. در این روش الکترون را ذرهای کلاسیک در حال حرکت در درونِ پتانسیلی با ساختار باند E که توسط مکانیک کوانتوم محاسبه می شود در نظر گرفته، تابع توزیع آن، f و جریان آن،J را توسط روش بولتزمن محاسبه می کنند [۸].
دلایل استفاده از معادلههای بولتزمن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
-
- به دلیل طول زیاد نانولوله کربنی، موقعیت الکترون در طول آن ثابت است و بسته موج الکترون بهعنوان ذره کلاسیک با انرژی مشخص در نظر گرفته می شود.
-
- تراکم الکترونها بسیار کم است و در نتیجه ارتباط آنها بهشکل مناسبی در معادلههای بولتزمن در نظر گرفته نمی شود.
فرم در حال بارگذاری ...
[یکشنبه 1401-04-05] [ 08:48:00 ب.ظ ]
|