Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Madahali,Ahmad Bakhtafrouz
محسن مداح علی (استاد راهنما) احمد بخت افروز (استاد مشاور)
 
STUDENT
Maryamossadat Amiri Naeini
مریم السادات امیری نائینی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Design and Analysis of Graphene Ring Periodic Structures and Implementation of an Absorber
Recently, Graphene has attracted researchers' attention because of its exclusive thermal, mechanical and electromagnetical properties . Investigating the plasmons ' behavior in Graphene shows its potential to be a good substitute for noble metals i n plasmonics specially due to its controllable conductivity which provides more freedom in designing procedure for engineers. As a result, Graphene p eriodic arrays are very useful structures in frequency selective surfaces, Faraday rotators, polarizers, filters and so on. The absorbers which are very beneficial structures have been also affected by these new findings. Here we purpose to design and analyze Graphene terahertz absorbers using a lumped element equivalent circuit model . T he idea of presenting equivalent nano-circuits for plasmonic nano - particles was first proposed in 2005. A nano -particle behaves as an inductor or capacitor based on the sign of the real part of its permittivity to be negative or positive respectively. The imaginary part of the permittivity causes the losses and acts as a resistor. Thus , a nano-particle with a complex permittivity, could be modeled as an $ RC $ or $ RL $ lumped circuit . The permittivity of materials depends on frequency in some cases and we can approximate their behavior as an $ RLC $ circuit in which the incuctive or capacitive attitude dominates depending on the situation. Exactly the same idea can be used for a Graphene patch. This fascinating property provides us with the ability to modify the conductivity of different parts of a Graphene layer by adjusting the chemical potential in order to design arrays with desired characteristics. In this thesis , an analytical circuit model is introduced for an array of Graphene rings. To achieve the goal, the surface current density function is calculated on an isolated ring using quasi-static approximation. Then, the results are developed to a 2-D periodic array of Graphene rings by means of the first order perturbation theory. The surface boundary condition for electromagnetic waves together with the Rayleigh expansion is used to calculate the reflection coefficients and the closed form of the equations for the equivalent circuit elements , afterwards . The results are verified by comparing them with the ones derived from COMSOL software full wave analysis and the accuracy of the method is proved. Finally , we have benefited from the circuit model to design a wide-band absorber. Introducing a closed form for the equivalent lumped circuit of a Graphene periodic array as a function of its structural and geometric parameters, helps us to design or improve them for more desirable results, more facilely. This will be helpful in designing absorbers as well. Absorbers are very useful structures in sensing , imaging, photodetection and cloaking applications . Graphene , Periodic Arrays , Absorbers , Lumped Element Equivalent Circuit
در سال‌های اخیر گرافن به عنوان ماده‌ای با خاصیت‌های حرارتی ، مکانیکی و الکترومغناطیسی منحصر به فرد خود توجه بسیاری از محققان را جلب نموده است. نگاه دقیق به رفتار پلاسمون‌ها در گرافن نشان می‌دهد که این ماده می‌تواند جایگزین مناسبی برای فلزات در علم پلاسمونیک باشد. به خصوص آن که قابلیت کنترل پذیری رسانندگی آن آزادی عمل بیشتری را برای مهندسان در مرحله طراحی فراهم می‌سازد. آرایه‌های متناوب گرافنی به دلیل وجود همین ویژگی ساختارهایی بسیار پرکاربرد برای استفاده در افزاره‌های مختلف همچون سطوح انتخاب‌گر فرکانسی ، چرخاننده‌های فارادی ، قطبی‌کن‌ها و فیلترها هستند. جاذب‌ها نیز به عنوان ساختارهایی بسیار پر کاربرد در آشکارسازها ، حس‌گرها ، تصویر بردارهای پزشکی و موارد دیگر از این یافته‌های جدید مستثنی نبوده‌اند. در این پایان‌نامه هدف ، طراحی و تحلیل جاذب‌های تراهرتز گرافنی به روش تحلیلی و با استفاده از یک مدار معادل فشرده است. ایده ارائه نانومدارهای معادل برای نانوذرات پلاسمونیکی، اولین بار در سال 2005 مطرح شد . یک نانوذره براساس اینکه علامت بخش حقیقی گذردهی‌اش مثبت یا منفی باشد؛ به ترتیب رفتار خازنی یا سلفی از خود نشان می‌دهد. بخش موهومی گذردهی باعث تلفات می‌شود و ذرات با گذردهی مختلط در رفتار خود خاصیت تلفاتی شبیه یک مقاومت را در بر دارند. بنابراین یک نانوذره با گذردهی نسبی مختلط ، مشابه یک مدار RC یا RL رفتار می‌کند. در برخی موارد با توجه به آنکه گذردهی نسبی یک نانوذره می‌تواند تابع فرکانس کاری باشد ، رفتار آن را می‌توان با یک مدل مداری RLC تقریب زد که بسته به فرکانس کاری ، رفتار سلفی یا خازنی آن غالب خواهد شد. استفاده از ایده‌ای دقیقا مشابه برای یک وصله گرافنی نیز امکان‌پذیر است. این خاصیت شگفت‌انگیز به ما این امکان را می‌دهد که با تنظیم مناسب پتانسیل شیمیایی و به تبع آن رسانندگی قسمت‌های مختلف یک صفحه گرافن بزرگ، به طراحی آرایه‌هایی برای دستیابی به افزاره‌های با کارایی‌های مطلوب بپردازیم. در این پایان‌نامه ، یک مدل مداری تحلیلی برای یک آرایه متناوب از حلقه‌های گرافنی ارائه می‌شود. برای رسیدن به این هدف ، تابع چگالی جریان سطحی روی یک وصله منفرد با استفاده از تقریب شبه ایستا ، محاسبه شده است و پس از آن نتایج به دست آمده به کمک تئوری اختلال به یک آرایه دو بعدی از حلقه‌های گرافنی تعمیم داده شده است. برای به دست آوردن ضرایب بازتاب ساختار و به دست آوردن صورت بسته برای رابطه عناصر مدار معادل فشرده ، از شرایط مرزی استاندارد روی سطح آرایه و بسط رایلی استفاده نموده‌ایم. نتایج به دست آمده برای مدار معادل ، با نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های تمام موج در نرم‌افزار کامسول مقایسه و دقت روش تا حد قابل قبولی اثبات شده است. در انتهای پایان‌نامه از مدار معادل ارائه شده برای طراحی تحلیلی یک جاذب پهن باند بهره گرفته شده است. ارائه یک مدار معادل به صورت بسته و بر حسب پارامترهای ساختاری و هندسی سطوح متناوب گرافنی ، روند طراحی و دستکاری آنها را برای رسیدن به افزاره‌هایی با پاسخ‌های مطلوب‌تر ، ساده‌تر و کارآمدتر خواهد کرد. این مهم در جاذب‌ها نیز به عنوان ساختارهایی پرکاربرد در انواع افزاره‌ها ، بسیار حائز اهمیت است. 1 - گرافن، 2 - آرایه‌های متناوب ، 3 - جاذب‌ها، 4- مدار معادل فشرده.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی