Θεωρητική μελέτη φωτοανιχνευτή γραφενίου στο μέσο υπέρυθρο βασιζόμενο στο φωτοθερμοηλεκτρικό φαινόμενο (PTE)
Φόρτωση...
Ημερομηνία
Συγγραφείς
Πανάρετος, Θεοφάνης
Panaretos, Theofanis
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Περίληψη
Τύπος
Είδος δημοσίευσης σε συνέδριο
Είδος περιοδικού
Είδος εκπαιδευτικού υλικού
Όνομα συνεδρίου
Όνομα περιοδικού
Όνομα βιβλίου
Σειρά βιβλίου
Έκδοση βιβλίου
Συμπληρωματικός/δευτερεύων τίτλος
Περιγραφή
Το γραφένιο είναι ένα πολλά υποσχόμενο υποψήφιο υλικό για φωτοανίχνευση από το υπεριώδες
ως και το THz φάσμα ακτινοβολίας, καθώς απορροφά σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων.Πρόκειται για ένα
μονοατομικού πάχους κυψελοειδές πλέγμα άνθρακα, το οποίο παρουσιάζει μια καθολική γραμμική
οπτική απορρόφηση α = 2.3% που εκτείνεται από το ορατό στο μακρινό υπέρυθρο.Το εμπόδιο της
χαμηλής απορρόφησης του μπορεί να ξεπεραστεί με τον εμπλουτισμό του,είτε χημικά όπως στους συ-
νήθεις ημιαγωγούς, είτε απλά εφαρμόζοντας μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στο γραφένιο και έναν
άλλον αγωγό.Αποτέλεσμα του εμπλουτισμού και της ενεργειακής διασποράς του γραφενίου είναι η
εμφάνιση πλασμονίων επιφανείας (SPPs), στα οποία λόγω της μεγάλης ευκινησίας των φορέων και
της δισδιάστατης φύσης του υλικού, προσδίδονται πολύ καλύτερες ιδιότητες από τα αντίστοιχα των
μετάλλων. Κατασκευάζοντας διατάξεις με βάση το γραφένιο μας δίνεται η δυνατότητα να ελέγξουμε
τις συχνότητες στις οποίες θα εμφανιστούν τα πλασμόνια,τόσο μέσω των γεωμετρικών χαρακτηρι-
στικών της διάταξης όσο και μέσω του εμπλουτισμού του γραφενίου.
Στη παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε μία φωτοανιχνευτική διάταξη με βάση το
γραφένιο. Η διάταξη μας αποτελείται από ένα φύλλο γραφενίου ανάμεσα από δύο στρώματα hBN
(hexagonal Boron Nitrade) τοποθετημένα πάνω από ένα υπόστρωμα CaF2 που στην κορυφή του
υπάρχουν πύλες (gratings) από χρυσό (Au).Σκοπός της εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση του
φωτοθερμοηλεκτρικού φαινομένου στην απόκριση του ανιχνευτή μετά από ενίσχυση της απορρό-
φησης μέσω των πλασμονίων του γραφενίου.Συγκεκριμένα θα διερευνηθεί η συμπεριφορά της από-
κρισης σε σχέση με κάποιων παραμέτρων της διάταξης, όπως για παράδειγμα το μήκος κύματος της
προσπίπτουσα ακτινοβολίας στην περιοχή λ ∈ [5, 22] μm, το επίπεδο Fermi (εμπλουτισμό) του γρα-
φενίου, τις θέσεις των gratings του χρυσού κ.ά.Η αλληλεπίδραση της ακτιβολίας με τη συσκευή μας
θα μελετηθεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) και
μέσω των αλγορίθμων μας θα καθορίσουμε την τοπική αύξηση των φορέων αγωγιμότητας, η οποία
οδηγεί σε ένα εξερχόμενο ηλεκτρικό σήμα σύμφωνα με το φαινόμενο Seebeck.
Τελικώς, επειδή τα συμπεράσματα που μπορούν να εξαχθούν από μια κατανομή απορρόφησης δεν
είναι πολλά, μέσω μίας convolution μεθόδου θα μελετηθεί η δυνατότητα μέσα από το παραγώμενο
φωτορεύμα να μπορέσουμε να αναγνωρίσουμε πως συνεισφέρει κάθε περιοχή του γραφενίου στην
απορρόφηση που οδήγησε στο ρεύμα που πήραμε, έχοντας σα δεδομένο την κατανομή της απορρό-
φησης από οπτικές μετρήσεις.
Graphene is a promising candidate material for ultraviolet to THz light detection,as it absorbs ina a wide range of frequencies.It is a single atom layer honeycombe structure of carbon, which has a universal linear optical absoprtion of α=2.3% spanning visible to far infrared light. The barrier of its low absorption can overcome do to his doping, either by chemical doping, as in common semiconductors or doping by gating, with the appliance of a potential difference between graphene and a backgate.Due to the tranfer of carriers in the conduction band and graphene’s unique energy dispersion, surface plasmon polaritons (SPPs) arise, in which because of graphene’s large mobility combined with the 2D nature of this material, can lead to surface plasmons with much better features than those in metallic nanostructures. In devises based on graphene ,we are allowed to control the frequencies of plasmonic resonance occurence, both by selecting the device’s geometrical features and by controlling graphene’s doping level. In this dissertation we will study a graphene based photodetection device. Our device consists of a layer of graphene, sandwiched by two layers of hexagonal Boron Nitrade (hBN) ,placed over a substrate of CaF2 which in his top are placed gratings of gold (Au). Our goal is to investigate the influence of the photothermoelectric (PTE) effect in the photodector’s responsivity, after absorption enchancement through plasmonic resonance in the graphene channel. Specifically, we will investigate the behavior of the responsivity in relation to some parameters of the device,such as the wavelenght of the incedent radiation in the region λ ∈ [5, 22] μm, the Fermi level within the graphene channel after doping, the position of the Au gratings, etc. The interaction of radiation with our device will be studied using the finite difference time domain method (FDTD) and through our algorithms we shall determine the charge’s carriers local increase in temperature, which leads to an output electrical signal according to the Seebeck effect. Finally,because the results we can extract from an absorption distribution are few, through a convolution method will be studied the potentiality through the output photocurrent, to recognise the spatial contribution in the absorption along the graphene channel, which lead to the output photocurrent, having as data the absorption distribution from optical measurements.
Graphene is a promising candidate material for ultraviolet to THz light detection,as it absorbs ina a wide range of frequencies.It is a single atom layer honeycombe structure of carbon, which has a universal linear optical absoprtion of α=2.3% spanning visible to far infrared light. The barrier of its low absorption can overcome do to his doping, either by chemical doping, as in common semiconductors or doping by gating, with the appliance of a potential difference between graphene and a backgate.Due to the tranfer of carriers in the conduction band and graphene’s unique energy dispersion, surface plasmon polaritons (SPPs) arise, in which because of graphene’s large mobility combined with the 2D nature of this material, can lead to surface plasmons with much better features than those in metallic nanostructures. In devises based on graphene ,we are allowed to control the frequencies of plasmonic resonance occurence, both by selecting the device’s geometrical features and by controlling graphene’s doping level. In this dissertation we will study a graphene based photodetection device. Our device consists of a layer of graphene, sandwiched by two layers of hexagonal Boron Nitrade (hBN) ,placed over a substrate of CaF2 which in his top are placed gratings of gold (Au). Our goal is to investigate the influence of the photothermoelectric (PTE) effect in the photodector’s responsivity, after absorption enchancement through plasmonic resonance in the graphene channel. Specifically, we will investigate the behavior of the responsivity in relation to some parameters of the device,such as the wavelenght of the incedent radiation in the region λ ∈ [5, 22] μm, the Fermi level within the graphene channel after doping, the position of the Au gratings, etc. The interaction of radiation with our device will be studied using the finite difference time domain method (FDTD) and through our algorithms we shall determine the charge’s carriers local increase in temperature, which leads to an output electrical signal according to the Seebeck effect. Finally,because the results we can extract from an absorption distribution are few, through a convolution method will be studied the potentiality through the output photocurrent, to recognise the spatial contribution in the absorption along the graphene channel, which lead to the output photocurrent, having as data the absorption distribution from optical measurements.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Φωτοανιχνευτής γραφενίου, Επιφανειακό πλασμόνιο, Φωτοθερμοηλεκτρικό φαινόμενο, Graphene photodetector, Surface plasmon, Photothermoelectric effect (PTE)
Θεματική κατηγορία
Γραφένιο, Graphene
Παραπομπή
Σύνδεσμος
Γλώσσα
el
Εκδίδον τμήμα/τομέας
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Όνομα επιβλέποντος
Λοιδωρίκης, Ελευθέριος
Εξεταστική επιτροπή
Λοιδωρίκης, Ελευθέριος
Παναγιωτόπουλος, Ιωάννης
Καλφαγιάννης, Νικόλαος
Παναγιωτόπουλος, Ιωάννης
Καλφαγιάννης, Νικόλαος
Γενική Περιγραφή / Σχόλια
Ίδρυμα και Σχολή/Τμήμα του υποβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Πίνακας περιεχομένων
Χορηγός
Βιβλιογραφική αναφορά
Ονόματα συντελεστών
Αριθμός σελίδων
65
Λεπτομέρειες μαθήματος
item.page.endorsement
item.page.review
item.page.supplemented
item.page.referenced
Άδεια Creative Commons
Άδεια χρήσης της εγγραφής: CC0 1.0 Universal