ساختارهای سد دوگانه - چاه کوانتومی به واسطه ویژگی ها و کاربردهای بسیاری که در زمینه های مختلف علم و تکنولوژی دارند، اخیراً توجه زیادی به خود جلب کرده اند. دیودهای تونل زنی تشدیدی یکی از وسایلی هستند که از این ساختارها استفاده می کنند. با توسعه چنین وسایلی مطالعه تئوری و بررسی خصوصیات و ویژگی های این ساختارها امری ضروری به نظر می رسد. همچنین با توجه به محدودیت امکانات آزمایشگاهی و البته محدودیت انجام آزمایش در شرایط خاص، استفاده از تکنیک های شبیه سازی به درک صحیح ساختار و محاسبه کمیت های مورد نظر کمک بسیاری می کند. در این رساله هدف شبیه سازی مشخصه جریان - ولتاژ دیود تونل زنی تشدیدی alxga1-xas/gaas می باشد. برای شبیه سازی، به ضریب عبور سیستم نیاز است که می توان با استفاده از دو روش، (الف) ماتریس انتقال و (ب) تقریب ونتزل – کرامرز - بریلوئن آن را محاسبه نمود. از بین این دو، روش (الف) خطای کمتری نسبت به جواب بدست آمده از حل تحلیلی دارد. بنابراین برای محاسبه جریان گذرنده از دیود که ناشی از تونل زنی الکترون هاست، ضریب عبور بدست آمده از روش ماتریس انتقال را به کار بردیم. محاسبه مشخصه جریان - ولتاژ دیود با استفاده از دو روش غیرخودسازگار (حل معادله شرودینگر با فرض افت یکنواخت ولتاژ در ناحیه فعال) و خودسازگار (حل همزمان معادله شرودینگر و پواسون) صورت گرفته و با نتایج تجربی منتشر شده در مقالات مقایسه شده است. آنچه از این مقایسه برمی آید این است که نتایج حاصل از روش محاسبات خودسازگار به نتایج تجربی بسیار نزدیک تر است.

در این پایان نامه به مطالعه چشمه های تک- فوتونی پرداخته و انواع مختلف چشمه های تک- فوتونی همچون سیستم های برانگیخته، اتم ها، یون ها در فاز گاز، ملکول های آلی، مراکز رنگی، نانوبلور های نیمرسانا، نقاط کوانتومی خودآراء و ساختارهای نامتجانس را به صورت جداگانه و اجمالی مورد بررسی قرار می دهیم. نقاط کوانتومی خودآرا را در حالت کلی به عنوان چشمه تک- فوتونی در فصل اول مورد بحث قرار داده ایم. انواع مختلف نانوکاواک ها را معرفی نموده و معادلات حاکم و شرایط وقوع تشدید در آنها را در حالت کلی شرح می دهیم. نقطه کوانتومی منفرد inas/gaas را به صورت خاص به عنوان چشمه تک- فوتونی در نظر گرفته و فوتون های گسیل شده از آنها را از نظر آماری مورد توجه قرار می دهیم. ضمن معرفی تابع همبستگی مرتبه اول و دوم، شرایط گسیل تک- فوتون ها را مشخص می کنیم و طول موج تابشی نقطه کوانتومی منفرد inas/gaas که پارامتر مهمی در انتخاب ابعاد نانوکاواک برای ایجاد شرایط تشدید است را با استفاده از مدل نوسانگر هماهنگ دو بعدی محاسبه کرده و در نهایت با قرار دادن نقطه کوانتومی در یک نانوکاواک، آمار فوتون هایی را که از سیستم ساطع می شود، با ترسیم تابع همبستگی مرتبه دوم تحت برانگیختکی یک موج پیوسته و شرایط گسیل تک فوتون ها، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته شده است.

در این تحقیق برای بهبود کارائی یک آشکارساز نوری مادون قرمز چاه کوانتومی ایده‏ی‏ استفاده از تونل‏زنی تشدیدی بکار گرفته شده است. بدین منظور طرحی از یک آشکارساز نوری مادون قرمز چاه کوانتومی مورد بررسی قرار گرفته که در آن یک ساختار تونل‏زنی تشدیدی سد دوگانه به هر لایه‏ی چاه کوانتوم اتصال یافته است. ساختار تونل‏زنی تشدیدی سد دوگانه به عنوان یک فیلتر، جریان نوری را از جریان تاریک تفکیک می‏کند. چنین ساختاری را آشکارساز نوری مادون قرمز چاه کوانتومی تونل‏زنی تشدیدی گویند. در چنین آشکارسازی، زمانی یک جریان نوری تولید می شود که الکترونها گذاری از حالت پایه چاه به یک حالت برانگیخته که با حالت تشدیدی سیستم سد دوگانه جفت شده (سطح تراز انرژی یکسانی دارند) انجام دهند. در این وضعیت حاملهای برانگیخته به دیگر ترازها که در جریان تاریک سهیم هستند بوسیله همین سدها مسدود می‏شوند. آشکارساز مادون قرمز چاه کوانتومی تونل‏زن تشدیدی مورد بررسی در این تحقیق، در هر دوره شامل یک ساختار تونل‏زنی تشدیدی سد دوگانه‏ی alas/algaas/alas است که در مجاورتِ یک چاه کوانتوم منفرد با ساختار gaas/algaas قرار گرفته است. در این پایان نامه حالتهای الکترونی آشکارساز و همچنین فرآیند جذب پالس مادون قرمز بوسیله الکترونهای موجود در این حالتها، شبیه‏سازی شده است. به علاوه احتمال تونل‏زنی الکترونها از سیستم سد دوگانه را بوسیله شبیه‏سازی ساختار تونل‏زنی تشدیدی سد دوگانه محاسبه کرده‏ایم. در نهایت تاثیر پارامترهای ساختاری آشکارساز ذکر شده روی حالتهای الکترونی‏ و قدرت نوسانگر مربوط به گذار بین زیرنوارهای ساختار، بررسی شده است. آنگاه با استفاده از نتایج بدست آمده مناسب‏ترین ساختار برای این آشکارساز ارائه شده که در آن تراز انرژی مربوط به قله جذب با تراز انرژی تشدید سیستم سد دوگانه جفت شده است.

ترکیبات pbse و pbs نیمرساناهایی با گاف نواری باریک می باشند و به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. نقاط کوانتومی نیمرسانای iv-vi مثل pbse به علت شعاع بوهر بزرگ شان، محبوس شدگی کوانتومی قوی و خواص نوری منحصربه فردی دارند. به همین دلیل، این ماده برای کاربرد در حوزه های مختلف نوری و الکتریکی، از جمله ساخت ادوات فوتونیکی مثل آشکارسازهای نوری، مناسب است. با توجه به اینکه خواص نوری این نانوبلورها از ساختار الکترونی آن ها نشأت می گیرد، در این تحقیق ساختار الکترونی این مواد مطالعه شده است. برای محاسبه ساختار الکترونی نانوبلورهای pbse، روش چهارباندی به کار برده شد. در این روش هامیلتونی حل مسئله جفت شدگی نوار هدایت و ظرفیت را شامل می شود، بنابراین هامیلتونی مذکور به صورت یک ماتریس 4 4 می باشد. با انجام تبدیلات مناسب، این هامیلتونی به شکل چهارمعادله دیفرانسیل جفت شده در می آید. برای حل، معادلات دیفرانسیل مربوطه را با روش تفاضل متناهی بسط داده شده است. در نهایت حل مسئله به پیداکردن مقادیر ویژه و بردارهای ویژه منجر می شود که توابع موج و حالت های انرژی الکترونی را می دهد. سپس با استفاده از این حالت های انرژی به دست آمده، ترازهای انرژی را برای چندین نانوذره با ابعاد مختلف بدست آورده و در هر حالت گاف انرژی محاسبه شده است. از محاسبات انجام شده، نتیجه گرفتیم که با کوچک شدن اندازه نانوذره، گاف انرژی افزایش پیدا می کند و ترازهای انرژی از هم شکافته می شوند. همچنین گاف انرژی را با تغییر ابعاد ذره در راستای طولی و عرضی به طور جداگانه، محاسبه و تاثیر این دو حالت روی گاف انرژی را با هم مقایسه کرده و نتیجه گرفتیم که تاثیر تغییر اندازه نانوذره در راستای طولی روی گاف انرژی بیشتر است. در ادامه، تابع موج را برای چند تراز رسم کرده، به گونه ای که نتایج نشان می دهند، تابع موج هر تراز به طور قابل ملاحظه ای از نوارهای دیگر تاثیر می پذیرد.

در این تحقیق در ابتدا با استفاده از تئوری مای و معادلات ماکسول، برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با نانوذرات مورد بررسی قرار گرفته است و در ادامه به بیان و توضیح روش تقریب دوقطبی های گسسته پرداخته شده است، در این راستا از کد دی دی اسکت که برپایه ی این روش است برای بررسی خواص نانوذرات فریت نیکل – روی که یک نوع فریت نرم هستند، استفاده قرار گرفته است. یکی از کاربردهای مهم ترکیبات فریت نیکل- روی در تولید پوشش های ضد راداری است که در گستره ی فرکانسی مایکروویوی مورد استفاده قرار می گیرند، در این گستره مهم ترین عاملی که باعث برهمکنش و تشدید می گردد، چرخش دوقطبی ها با تغییر میدان الکترومغناطیسی خارجی است، هرچه ماده دارای این توانایی باشد که تحت تغییرات میدان الکترومغناطیسی خارجی دوقطبی هایش سریع تر چرخش کنند، در گستره ی فرکانسی مایکروویو دارای قدرت جذب بیشتری است، بنابراین فریت های نرم یکی از بهترین گزینه ها به منظور جاذب های مایکروویوی هستند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهند که نانوذرات کوچک مثلثی شکل (در حدود 40 نانومتر) در گستره ی فرکانسی 2 تا 12 گیگاهرتز دارای کمترین شدت پراکندگی و نانوذرات بزرگ کروی (در حدود 70 نانومتر) در این گستره فرکانسی دارای بیشترین شدت جذبی هستند. به منظور داشتن پوششی با قدرت جذب بالا می توان از مخلوط نانوذرات کوچک مثلثی شکل و نانوذرات بزرگ کروی استفاده کرد و یا از محصولاتی که در آن نانوذرات بزرگ کروی با تعداد معینی از نانوذرات کروی دیگر به هم پیوسته شده اند، استفاده کرد.

نانوبلورهای نیمرسانای pbse به روش شیمیایی تهیه شدند. سپس نانوبلورهای تهیه شده توسط دستگاه-های، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز(ft-ir)، دستگاه پراش سنج اشعه ایکس(xrd) و میکروسکوپ الکترونی روبشی(sem)مشخصه یابی شدند. اطلاعات بدست آمده از ft-ir حاکی از این است که سه قله جذب در 1-cm38/2955، 1-cm73/2918و1-cm31/2849 مربوط به اولئیک اسید هستند. الگوی xrd اندازه، گاف انر‍ژی و ثابت شبکه این نانوبلورها را به ترتیب nm9/10، ev47/0 و ?120/6 نشان می دهد. تصاویر sem، نانوبلورهایی را نشان می دهد که روی همدیگر انباشته شده و تشکیل کریستال داده اند. در نهایت، طیف ها و محاسبات انجام شده بر روی این نانوذرات بلوری بودن آن ها را مورد تائید قرار می دهد.