SUPERVISOR
محمود شاه آبادی (استاد راهنما) محسن مداح علی (استاد راهنما)
STUDENT
Parisa Karimi
پریسا کریمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Analysis of Graphene-based Periodic Structures in Presence of Magnetic Field
Graphene is a 2D material which is consisted of carbon atoms arranged in hexagonal lattice and because of special electrical, thermal and mechanical characteristics is attracted a lot of attention in recent years. Graphene, due to the supporting surface plasmons propagation, is used in design and fabrication of many microelectronic and nanoelectronic devices such as waveguides, transistors, filters, absorbers and antennas in terahertz. Most impoatant feature of graphene, in comparison to metals, is its tunability. The surface conductivity of graphene is tunable with the aid of electric bias field and on the other hand, it turns into tensor in the precense of static magnetic field. For this reason, graphene shows gyrotropic and nonreciprocity effects and causes Faraday rotation in transmitted wave. The nonreciprocity of graphene can be used in design of circulators and isolators. Faraday rotation is almost independent of frequency in microwave and is about of a few tens of degrees. On the other hand, it is low in terahertz and increasing of it, is a challenge in this area. Using graphene in design of different devices needs to suitable numerical methods for its analysis. There are two ways for graphene modeling. In the first way, graphene is considered as a dielectric by very small thickness. This method needs to fine meshing which increased the requirement memory and simulation time and so, it is not suitable from point of view of computational resources. In the second way, the thickness of graphene is assumed zero and effect of graphene is taken into account in boundary conditions. In the present, most of commercial EM solvers cannot analyze magnetically biased graphene while the others model the graphene using dielectric approach. Using graphene in periodic structures can be result in design of tunable devices for controling the reflection, transmission and polarization of electromagnetic waves. Therefore, in this thesis, for the first time, a transmission-line formulation which is a Fourier-based numerical method is used to diffraction analysis of magnetically-biased periodic structures. To increase convergence rate, true Fourier expansion which is inverse rule is recognized based on Li’s factorization rules. The surface conductivity is zero in some area of unit cell and the true Fourier expansion is not applicable. So, the approximate boundary condition which is proposed for analysis of unbiased graphene arrays, is expanded. Using the implemented numerical method, some of available structures in papers are simulated to verify the high accuracy and speed of method. Moreover, a wideband absorber is designed and simulated by this method. The high attention is devoted to analyze Faraday rotation effect and its challenges in terahertz regime. In according with the applications of Faraday rotation and its challenges, more exact investigation and exploiting new structures to increase this effect are proposed for future researches. Key Words : 1- Graphene, 2- Plasmonics, 3- Transmission Line Formulation, 4-Periodic Structures, 5- Non-reciprocal Devices, 6- Faraday Rotation.
گرافن، مادهای دوبعدی است که از کنار هم قرار گرفتن اتمهای کربن در شبکهای ششضلعی تشکیل شده و به دلیل ویژگیهای خاص الکتریکی، گرمایی و مکانیکی آن در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. گرافن به دلیل ایجاد امکان انتشار امواج پلاسمون سطحی، در طراحی و ساخت بسیاری از وسایل میکرو و نانوالکترونیکی از جمله موجبر، ترانزیستور، فیلتر، جاذب و آنتنهای تراهرتز به کار رفته است. مهمترین ویژگی گرافن در مقایسه با فلزات، قابلیت کنترلپذیری آن است. رسانایی سطحی گرافن با تغییر میدان الکتریکی بایاس قابل کنترل است و از طرف دیگر، در حضور میدان مغناطیسی، تانسور میشود. به همین دلیل، گرافن از خود خاصیت ناهمپاسخی و ژیروتروپی نشان میدهد و میتواند سبب ایجاد چرخش فارادی در موج انتقالی شود. از خاصیت ناهمپاسخی گرافن میتوان در ساخت چرخانندهها و جداسازها استفاده نمود. میزان چرخش فارادی در فرکانسهای مایکروویو، تقریبا مستقل از فرکانس و در حدود چند ده درجه است. از طرف دیگر، در فرکانسهای تراهرتز، میزان چرخش فارادی کم است و افزایش آن، یکی از چالشهای مهم در این حوزه است. استفاده از گرافن در طراحی افزارههای مختلف، نیازمند روشهای عددی مناسب برای تحلیل آن است. برای مدلسازی گرافن در شبیهسازیهای عددی، دو روش کلی وجود دارد. روش اول، در نظر گرفتن گرافن به صورت عایقی با ضخامت بسیار کم است که به دلیل نیاز به خانهبندی ریز، سبب افزایش حافظه مورد نیاز و طولانیشدن شبیهسازی میگردد و بنابراین از لحاظ محاسباتی بهینه نیست. روش دوم، مدلسازی گرافن به کمک امپدانس سطحی است. در این روش، ضخامت گرافن صفر فرض شده و تاثیر آن در شرایط مرزی مساله لحاظ میشود. در حال حاضر، بسیاری از نرمافزارهای تجاری شبیهساز الکترومغناطیسی، قادر به تحلیل گرافن در حضور میدان مغناطیسی نیستند و حتی آنهایی هم که گرافن را در این حالت تحلیل میکنند، معمولا آن را به صورت عایق مدلسازی مینمایند که از نظر محاسباتی بهینه نیست. استفاده از گرافن در ساختارهای متناوب میتواند منجر به طراحی افزارههای مختلف و قابل کنترلی به منظور کنترل بازتاب، انتقال و قطبش امواج الکترومغناطیسی شود. بنابراین، در این پایاننامه برای اولین بار، به منظور آنالیز تفرق ساختارهای متناوب گرافنی در حضور میدان مغناطیسی از روش فرمولبندی خطوط انتقال که روشی مبتنی بر سری فوریه است، استفاده کرده و به منظور افزایش سرعت همگرایی روش، براساس قوانین لی، روش درست بسط فوریه را تعیین کردهایم. با توجه به صفر بودن رسانایی در بخشی از سلول واحد، بسط درست فوریه برای شرایط مرزی دقیق مساله قابل استفاده نیست. از این رو، شرط مرزی تقریبی که قبلا برای تحلیل گرافن بدون بایاس مغناطیسی پیشنهاد شده بود، تعمیم داده شده است. با استفاده از روش عددی پیادهسازی شده، تعدادی از افزارههای طراحی شده در مقالات شبیه سازی و بررسی شدهاند تا دقت و سرعت روش اثبات گردد. همچنین، به کمک روش عددی پیادهسازی شده، جاذب پهنباندی طراحی و شبیهسازی شده است. چرخش فارادی نیز به طور گسترده در شبیهسازیها مورد توجه قرار گرفته و چالشهای آن در حوزه تراهرتز مطرح گردیده است. با توجه به کاربردهای چرخش فارادی در گرافن و چالشهای موجود در این بحث، بررسی دقیقتر و پیشنهاد ساختارهایی به منظور افزایش این اثر، به عنوان پیشنهادهایی برای ادامه کار مطرح شده است. واژههای کلیدی: 1- گرافن، 2- پلاسمونیک، 3- روش فرمولبندی خط انتقال، 4- ساختارهای متناوب، 5- افزارههای ناهمپاسخ، 6- چرخش فارادی