پژوهش حاضر شامل دو بخش تجربی و محاسباتی است. در بخش تجربی آن، قالب اکسید آلومینیوم نانومتخلخل به وسیله آندایزینگ دو مرحله ای بر روی فویل هایی با خلوص 997/99 و 92/99 درصد و نیز فویل های معمولی صنعتی تهیه شدند. برای دستیابی به نظم بلندبرد و کاهش مرزدانه های فویل آلومینیوم، عملیات حرارتی بر روی فویل ها تا دمای ?c500 و به مدت 5 ساعت انجام گرفت. پولیش الکتروشیمیایی فویل ها نیز با هدف رسیدن به سطحی صاف و صیقلی، قبل از انجام آندایزینگ صورت گرفت که تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی این مهم را تایید کردند. آندایزینگ آلومینیوم درون یک سلول سرد و به وسیله الکترولیت اسید اکسالیک و نیز اسید فسفریک صورت پذیرفت. آندایزینگ در ولتاژها، غلظت ها و زمان های مختلف صورت گرفت تا اثر پارامترهای آندایزینگ روی خصوصیات ظاهری حفره ها و هم چنین روی طیف فوتولومینسانس آن ها بررسی شود. در ادامه خصوصیات ظاهری حفره ها به وسیله تصاویر sem بررسی شد. اثر عملیات حرارتی نیز روی طیف فوتولومینسانس یکی از نمونه ها که تا دمای 500 درجه سانتیگراد درون کوره و تحت اتمسفر نیتروژن حرارت داده شده بود، مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های طیف فوتولومینسانس نیز تاثیر پارامترهای آندایزینگ بر ساختار الکترونی غشاهای تولید شده را نمایش داد. در بخش محاسباتی پژوهش حاضر، شبیه سازی کامپیوتری فاز گاماآلومینا با استفاده از نرم افزار wien2k و بر اساس نظریه تابعی چگالی انجام شد، تا اولین تلاش برای تحلیل داده های قبلی باشد. ثابت های شبکه و نیز مقدار گاف انرژی با رهیافت های مختلف از جمله رهیافت mbj به‏ دست آمد، که نزدیک ترین مقدار گاف انرژی به مقدار تجربی و نیز بهترین مقدار گاف انرژی را نسبت به نتایجی که تا کنون از روش های محاسباتی برای فاز گاماآلومینا گزارش شده است، به‏ دست آوردیم.

ساختار ?-al2o3، یک ساختار اسپینلی معیوب با تهی جاهای کاتیونی می باشد، که به عنوان یک اکسید فلزی متخلخل محسوب می شود. در این پایان نامه، ویژگی های ساختاری والکترونی ساختار انبوهه و نانولایه ی ترکیب ?-al2o3 مورد بررسی قرار گرفته-اند. محاسبه ها بر مبنای نظریه ی تابعی چگالی با استفاده از روش امواج تخت بهبود یافته خطی به علاوه ی اوربیتال های موضعی (lo+apw ) و استفاده از پتانسیل تبادلی بکه-جانسون اصلاح شده ( mbj) با کد محاسباتی wien2k انجام گرفته اند. ما ویژگی های ساختاری ترکیب ?-al2o3 را با استفاده از رهیافت pbe-gga مورد بررسی قرار داده ایم. در محاسبه ی پارامترهای ساختاری مانند ثابت های شبکه ی محاسباتی، مدول حجمی و مشتق آن، به نتایج قابل قبولی در توافق با مقادیر تجربی دست یافتیم، اما این رهیافت در محاسبه ی ساختار الکترونی موفق نبود و نشان دادیم که پتانسیل تبادلی mbj به عنوان یک روش شبه موضعی، می تواند گاف نواری ترکیب ?-al2o3 را در توافق بسیار خوبی با مقدار تجربی پیش بینی کند. ما همچنین، توجیه فیزیکی سازوکار این پتانسیل تبادلی در پیش بینی نتایج مطلوب ساختار الکترونی ترکیب ?-al2o3 را با رسم جمله های مختلف پتانسیل تبادلی mbj، به طور کاملاً واضح مورد بحث قرار دادیم. به دلیل حجم سنگین محاسبات ساختار نانولایه ی ?-al2o3 ، مطالعات بر روی نانولایه ی این ترکیب را فقط در دو راستای [001] و [110] محدود کردیم. به منظور بررسی پایداری نانولایه ها، انرژی تشکیل این نانو لایه ها محاسبه شدند و نتایج نشان دادند که نانولایه ی [110]، پایداری بیشتری نسبت به نانولایه ی [001] دارد. محاسبه ی ساختار الکترونی نانولایه ها را با رهیافت-های pbe-gga و gga-ev انجام دادیم و نتایج نشان دادند که رهیافت gga-ev، ساختار الکترونی را در مقایسه با رهیافت gga و کار دیگران، بهتر پیش بینی می کند. در گام بعد به منظور تحلیل بهتر داده های تجربی موجود برای ترکیب ?-al2o3 ، عیوب ذاتی اکسیژن و آلومینیوم خنثی و باردار را در این ترکیب وارد کردیم، که این منجر به ایجاد زیرترازهای دهنده و پذیرنده ای درون گاف نواری اصلی شد. تغییرات ساختار الکترونی ناشی از این عیوب ذاتی را با استفاده از پتانسیل تبادلی mbj ، محاسبه کردیم و نشان دادیم که نتایج حاصل از آن ها در توافق بسیار خوبی با مقدار تجربی و در مقایسه با کار دیگران می باشد. ما همچنین ساختار الکترونی ترکیب ?-al2o3 را در حضور یک میدان الکتریکی خارجی بررسی کردیم. نتایج نشان دادند که گاف نواری این ترکیب بعد از اعمال میدان الکتریکی خارجی کاهش پیدا می کند، ولی انرژی کل و نیروی وارد بر اتم ها افزایش می یابند. تغییرات طول و زوایای پیوند نسبت به تغییرات چگالی الکترونی در ناحیه ی پیوندی در اثر واهلش اتم ها، بیشتر است که این را به صورت جابه جایی زیر شبکه ی آنیون نسبت به زیر شبکه ی کاتیون، توصیف کردیم. در بخش تجربی این پایان نامه، توانستیم غشای اکسید آلومینیوم در فاز گاما را با موفقیت سنتز کنیم. بررسی و تحلیل نتایج حاصل از آنالیزهای تحریک ماورای بنفش و طیف فوتولومینسانس از نمونه های سنتز شده و بررسی گذارهای بین نواری ایجاد شده توسط نقص های نقطه ای خنثی و باردار، همخوانی بسیار خوبی با نتایج محاسباتی و شبیه سازی داشتند.

اکسید آلومنیوم (al2o3) یا آلومینا، به عنوان یک ماده ی اپتیکی و سرامیکی کاربردهای صنعتی متنوعی دارد. در این پایان نامه، ویژگی های نوری و الکترونی حالت انبوهه و نانولایه های ?-al2o3، به صورت تجربی و محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته اند. محاسبه ها بر مبنای نظریه ی تابعی چگالی و با استفاده از کد محاسباتی wien2k انجام گرفته اند. در بخش تجربی، پس از سنتز ترکیب ?-al2o3، ویژگی های اپتیکی آن را با گرفتن طیف بازتابندگی و آنالیز فوتولومینسانس بررسی کردیم. نتایج حاصل از آنایز فوتولومینسانس، وجود نقص های ذاتی را در این ترکیب نشان داد. با شبیه سازی تهی جاهای اکسیژن در این ترکیب، تاثیر این نقص ها را بر ویژگی های نوری آن بررسی کردیم. ثابت دی الکتریک استاتیکی و ضریب شکست متعارف محاسبه شده توافق مطلوبی با نتایج تجربی داشتند. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان داد که وجود نقص های ذاتی در این ساختار موجب افزایش ثابت دی الکتریک استاتیک و ضریب شکست آن می گردد. به طور کلی در پاسخ ماده به نور تابش شده دو نوع گذار الکترونی سهیم هستند. گذارهای الکترونی درون نواری که بیشتر در فلزها اهمیت دارند و گذارهای بین نواری که در نارسانا ها و نیم رساناها مهم می باشند. در این پژوهش, به کمک چگالی حالت های الکترونی جزیی و بخش موهومی تابع دی الکتریک محاسبه شده با پتانسیل تبادلی mbj، گذارهای بین نواری را برای ساختارهای ایده آل و معیوب ?-al2o3 با تهی جاهای اکسیژن بررسی کردیم. نانولایه های ?-al2o3 در راستای ]001[ با ضخامت های مختلف را شبیه سازی کردیم. به منظور بررسی پایداری نانولایه ها، انرژی تشکیل این نانو لایه ها محاسبه شد و نتیجه ها نشان داد که نانولایه ی با ضخامت 29 بوهر، پایداری بیشتری نسبت به دیگر نانولایه ها دارد. نتیجه های حاصل از محاسبه ی ساختار نواری برای نانولایه ی با ضخامت 29 بوهر توافق مطلوبی با تجربه داشتند. همچنین نانولایه ی ?-al2o3 همراه با زیرلایه ی al را شبیه سازی نموده و ویژگی های الکترونی آن را بررسی کردیم.

سیم پیچ های القایی از ساده ترین و قدیمی¬ترین نوع حسگرها برای اندازه گیری دقیق میدان های مغناطیسی متناوب می باشند که البته برای محدوده بسیار گسترده ای از بسامد های زیرهرتز تا مگاهرتز طراحی، تولید و استفاده می شوند. با توجه به حساسیت بالا، این حسگرها در سال های گذشته کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف به ویژه صنایع دقیق نظامی یافته اند. هم چنین به دلیل مصرف پایین انرژی، در ماهواره ها و فضاپیماها برای ردیابی تغییرات محیطی بسیار کوچک میدان مغناطیسی زمین و سیارات، مورد استفاده قرار گرفته اند. بنابراین لازم است طراحی این نوع حسگرها به گونه¬ای انجام شود که علاوه بر بالا بودن حساسیت حسگر به میزان مطلوب، شدت نوفه دریافتی کم و نسبت نشانک به نوفه آن زیاد باشد، در عین حال وزن آن تا حد امکان کم و ابعاد آن کوچک باشد. محاسبات نشان دادند که می¬توان هندسه¬ی حسگر را به گونه¬ای طراحی نمود که شدت نوفه گرمایی که سهم عمده¬ای در دامنه نوفه نهایی دارد، کمینه شود. هم¬چنین راه¬کاری برای افزایش نسبت نشانک به نوفه نیز معرفی شده است. علاوه بر این، بررسی نتایج به دست آمده نشان داد که وجود یک هسته¬ی فرومغناطیس در یک میدان مغناطیسی یکنواخت، بزرگی میدان را به شدت تقویت می¬کند اما یکنواختی آن را از بین می¬برد به طوری که شدت میدان در مرکز هسته مقدار بیشینه خود را دارد اما با نزدیک شدن به لبه¬ها بزرگی میدان افت می¬کند. با اضافه کردن دو دیسک فرومغناطیس (که متمرکزکننده مغناطیسی نامیده می¬شود) به دو طرف هسته، دیده شد که این متمرکز کننده¬ها، علاوه بر این که یکنواختی میدان مغناطیسی را تصحیح می¬کند، مقدار میدان بیشینه را نیز تا 150 درصد افزایش می¬دهد. سپس جنس¬های مختلف متمرکز کننده¬ها نیز مورد بررسی قرار گرفت. این راهکار باعث افزایش چگالی شار عبوری از هسته حسگر و در نتیجه افزایش حساسیت حسگر شد. برای آشکارسازی خروجی حسگر که همان ولتاژ القا شده در حسگر است از تقویت کننده عملیاتی نوفه پایین ad620 استفاده شد و مدارهای الکترونیکی مناسب جهت استفاده از این تقویت کننده طراحی و ساخته شد.

چکیده ندارد.