تحلیل نقاط کوانتومی کوپله در آشکارسازهای تراهرتز

به دلیل کاربردهای مهم و وسیع آشکارسازهای مادون قرمز در زمینه های مختلف علم و صنعت، این قطعه ی الکترونیکی- نوری به یکی از مهم ترین ساختارهای مدنظر دانشمندان و محققان در راستای تحقیق و تفحص قرار گرفته است. طراحی آشکارسازهایی با حساسیت بالا، نویز کم، قابلیت اطمینان بالا، قیمت پایین، راندمان بهتر و عملکرد مناسب در طول موج های انتخابی همواره مورد توجه بوده و در این زمینه تلاش های زیادی برای حصول به نتایج و کیفیت بالای محصول از مدت ها پیش صورت گرفته است و کماکان ادامه دارد. در مسیر تحولی این ادوات اپتوالکترونیک با قصد رفع مشکلات موجود، بهبود پارامترهای آشکارسازی، قابلیت تجمع این عنصر با سایر ادوات نوری، برقراری تعادل بین پاسخ و آشکارکنندگی، مهندسی طیفی و نهایتاً رسیدن به پارامترهای آشکارسازی با مقدار معقول در دمای اتاق، ساختارهای پیشنهادی از حالت حجیم (کپه ای) به سمت ساختارهای کوانتومی با مقیاس نانو سوق پیدا کرده اند. در سال های اخیر، آشکارسازهای مبتنی بر ساختارهای حجیم به دلایل سرعت عملکرد پایین، دمای کارکرد پایین، پیچیدگی های ساخت، بالا بودن هزینه ی نهایی و انعطاف پذیری کم، کمتر مورد توجه محققان و مهندسان طراح این عرصه قرار گرفته است. در سال های اخیر با پیشرفت سریع و چشم گیر تجهیزات ساخت ادوات در مقیاس نانو، شاهد ظهور نسل دیگری از آشکارسازها با نام آشکارسازهای کوانتومی هستیم که از این گروه می توانیم به دو دسته ی آشکارسازهای مادون قرمز مبتنی بر چاه های کوانتومی و نقاط کوانتومی را اشاره کنیم. آشکارسازهای مادون قرمز مبتنی بر چاه های کوانتومی در زمره ی اولین آشکارسازهای مقیاس نانو می باشند که تقریباً در طی سال های 1990-2002 به حد نهایی رشد و بلوغ خود رسیده و در حال حاضر در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. در طی این فرآیند بلوغ و ظهور ادوات جدید مبتنی بر نانو ساختارها، ساختار کوانتومی دیگری با نام نقطه ی کوانتومی که از لحاظ مقیاس کوچکتر از چاه های کوانتومی می باشد بسیار مورد توجه محققان و مهندسان عرصه ی فیزیک-مهندسی قرار گرفته است. نقطه ی کوانتومی یک نانوساختار با مقیاس 1 تا چند ده نانومتر می باشد. بدلیل ویژگی های منحصر بفرد نشأت گرفته از خواص کوانتوم مکانیکی نقاط کوانتومی، ادوات مبتنی بر این نانوساختارها در مقایسه با ساختارهای چاه کوانتومی ارجحیت دارند. علیرغم تمامی تلاش های صورت گرفته در راستای ارائه و طراحی آشکارسازهایی بر پایه ی چاه کوانتومی و نقطه ی کوانتومی به منظور پوشش دادن طیف های مختلف امواج الکترومغناطیسی، هنوز هیچ کدام از ساختارهای مذکور نتوانسته اند انتظارات را در قبال آشکارسازی رنج تراهرتزیِ 3 تا 10 تحقق بخشند. آشکارسازی امواج تراهرتز مخصوصاً با محدوده ی طیفی thz 10-3 از اهمیت فوق العاده بالایی برخوردار هستند. برای آشکارسازی امواج تراهرتز با دو مشکل اساسیِ دما و مقادیر ویژه ی انرژی روبه رو هستیم. برای آشکارسازی این امواج باید اختلاف مابین ترازهای انرژی کم باشد، اما در ساختارهای نقاط کوانتومی بدلیل تحدید حامل ها در هر سه راستا، گسستگی حاصله در ترازهای انرژی زیاد است. در ساختارهای مبتنی بر چاه کوانتومی حصول چنین گسستگی در ترازهای انرژی امکان پذیر می باشد ولیکن نکته ی اساسی این است که آشکارسازهای مبتنی بر این ساختار کوانتومی شامل محدودیت ها و کاستی های می باشد که استفاده از چاه های کوانتومی برای آشکارسازی امواج تراهرتز را مخدوش می کند. بنابراین نیازمند ساختاری هستیم که هم ویژگی های خوب و منحصر بفرد نقاط کوانتومی را شامل بوده و هم واقعیت بخش آشکارسازی تراهرتز با انعطاف پذیری و مدیریت پذیری بالایی باشد. طراحی آشکارسازهایی با دمای عملیاتی بالاتر، یکی دیگر از مشکلات مهم موجود در این راه می باشد. این مشکل نشأت گرفته از نزدیکی ترازهای انرژی به منظور تحقق گذارهای نوری در امواج تراهرتز است، به همین علت معمولاً آشکارسازهای تراهرتز را در دمای عملیاتی پایین مورد استفاده قرار می دهند، چرا که در دمای معمولی اتاق، انرژی حرارتی با اندازه ی mev 25 منجر به گذارهای ناخواسته ی حامل ها مابین ترازهای انرژی می شود. با علم به مطالب بیان شده و در راستای حل مشکل اول، می توان در پایه ی ادوات از نقاط کوانتومی کوپل شده استفاده کرد. بعلت ویژگی های کوانتوم مکانیکی که نقاط کوانتومی کوپله دارند، گسستگی ای در ترازهای انرژی حاصل می-شود که تحقق گذارهای نوری در رنج تراهرتز را با مدیریت و کنترل پذیری بالایی میسر می سازد. از سویی دیگر متداول-ترین روش رشد نقاط کوانتومی روش استرانسکی- کراستانوف نام دارد که یک روش دقیق در تولید و رشد نقاط کوانتومی نیست. در نتیجه در حین رشد، شاهد توزیع ناهمگونی از نقاط کوانتومی از لحاظ شکل و اندازه هستیم. نقاط کوانتومی کوپله در حین رشد در اثر میدان های داخلی که به همدیگر وارد می کنند از لحاظ شکل و اندازه به یک توزیع یکنواخت می رسند و این یعنی بهبود در پارامترهای مختلف یک آشکارساز مبتنی بر نقاط کوانتومی کوپله. با توجه به موارد بیان شده، در این رساله موارد زیر بحث خواهند شد. فصل اول شامل بررسی مفاهیم و تعاریف اولیه، نقاط کوانتومی، نقاط کوانتومی کوپل شده و آشکارسازهای مادون قرمز خواهد بود. در فصل دوم، ساختارهای پیشنهادی مورد بحث و بررسی قرار خواهند گرفت. در مورد اول، پارامترهای مختلف یک آشکارساز مادون قرمز بر پایه ی دو نقطه ی کوانتومی کوپل شده بصورت کوانتوم- مکانیکی مورد بحث خواهد بود. به منظور بررسی دقیق تر، کوپلینگ دو نقطه ی کوانتومی با در نظر گرفتن اثرات مولفه های کشش و همچنین بررسی پتانسیل چنین ساختارهایی بعنوان پایه ی آشکارسازها در پاسخ دهی به رنج الکترومغناطیسی تراهرتز، روند عملکرد در ساختار پیشنهادی دوم خواهد بود. در ساختار مطرح شده ی سوم، آشکارساز مادون قرمزی پیشنهاد خواهد شد که مبتنی بر چاه های کوانتومی کوپل شده (ساختارهای کوانتومی آبشاری) خواهد بود که قابلیت آشکارسازی دو طول موج مختلف را بصورت همزمان در دو مسیر خروجی مجزا دارد. پیش زمینه ی ریاضی لازم برای مدل سازی عملکرد ساختارهای پیشنهادی برای هر مورد در این فصل ارائه خواهد شد. در فصل سوم نتایج شبیه سازی مربوط به ساختارهای مطرح شده ارائه و بحث خواهند شد. نهایتاً در قسمت نتیجه-گیری و پیشنهادات به بررسی اجمالی نتایج و ارائه پیشنهاداتی برای کارهای تحقیقاتی آتی خواهیم پرداخت.