تولید و تقویت بسامدهای رادیویی[1] قلب مخابرات ماهواره­ای و کاربردهای الکترونیک نوری است. صنعت مخابرات به­دنبال تقویت کننده­ های بسامد رادیویی در مقیاس کوچک­تر و موثرتر در بسامد­های بالاتر است. نانوساختارها به­ دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان این نیازها را برآورده می­ کنند. در این پایان نامه ویژگی­های ساختار گرافین و نحوه شکل­ گیری نانولوله­های کربنی از آن را بیان می­کنیم، شباهت­ها و تفاوت­های ساختار نانولوله کربنی[2] و تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[3] را بررسی کرده و علت فیزیکی تقویت در این دو ساختار را مقایسه می­کنیم. معادله بولتزمن که برای نانولوله­های کربنی با بایاس همزمان AC و DC به­کارمی­رود را بررسی می­کنیم و به­تحلیل فیزیکی رسانایی تفاضلی منفی[4] ایجادشده در نمودارهای به­دست آمده می­پردازیم. با توجه به­عدم تطبیق امپدانسی که در استفاده از نانولوله­های کربنی در دنیای واقعی رخ می­دهد باید بستر مناسبی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس طراحی کنیم. در این طراحی از موج­بر هم­صفحه به­ دلیل مزایایی که دارد مانند ظرفیت بسامد بالا، قابلیت ساخت در ابعاد زیر میکرو و… استفاده می­کنیم. در مسیر عبور سیگنالِ موج­بر هم­صفحه یک فضای خالی برای جاسازی نانولوله کربنی ایجاد می­کنیم، سعی بر­این است که این فضای خالی تا حد امکان کوچک باشد تا تعداد نانولوله­های کربنی به­کار رفته کاهش یابد. ساختار پیشنهاد شده باعث کاهش عدم تطبیق امپدانس شد.
کلید­واژه: نانولوله­های کربنی، تقویت در نانولوله­های کربنی بایاس­شده، معادله بولتزمن، رسانایی تفاضلی منفی.
 

فهرست مطالب

فصل 1-  معرفی نانولوله­های کربنی 1
1-1- دیباچه 3
1-2- گرافین و نحوه ساخت نانولوله­های کربنی از گرافین 3
1-3- انواع نانولوله­های کربنی 9
1-3-1-   نانولوله کربنی زیگزاگ … 13
1-3-2-   نانولوله کربنی مبلی … 14
1-4- مباحث فیزیکی 15
1-4-1-   ناحیه­ی بریلوین 15
1-4-2-   حالت بلاخ 15
1-4-3-   نوسان­های بلاخ 16
1-5- تقویت­کننده لوله­ای موج رونده 17
1-6- کاربرد نانولوله­های کربنی 19
1-7- مطالب پایان نامه 19
فصل 2-  معادله بولتزمن 21
2-1- دیباچه 23
2-2- رسانایی تفاضلی منفی 23
2-3- معادله بولتزمن 24
2-4- معادله جریانِ رسانایی بر حسب میدان اعمالی 24
فصل 3-  ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله­های کربنی 33
3-1- دیباچه 35
3-2- مدل مداری نانولوله­های کربنی 35
3-3- عدم تطبیق امپدانس 37
3-4- ساختار کلی موج­بری الکترومغناطیسی و روش برقراری اتصال 38
فصل 4-  شبیه­سازی نانولوله کربنی با بایاسDC و AC 41
4-1- دیباچه 43
4-2- شبیه­سازی نانولوله کربنی با بایاس DC 43
4-3- شبیه­سازی با بهره گرفتن از معادله­های بولتزمن و با درنظر گرفتن بایاس DC و AC 49
4-3-1-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (0،12) 49
4-3-2-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (10،0) 54
4-3-3-   نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ با ضریب مشخصه (100،0) 56
فصل 5-  شبیه­سازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله­های کربنی 61
5-1- دیباچه 63
5-2- شبیه­سازی ساختار مناسب برای تطبیق امپدانس نانولوله کربنی 63
فصل 6-  نتیجه ­گیری­ها و پیشنهادها 71
6-1- نتیجه ­گیری­ها 73
6-2- پیشنهادها 74
مرجع­ها……. 75
واژه­نامه فارسی به­انگلیسی 77
واژه­نامه انگلیسی به­فارسی 79



فهرست شکل‌‌ها
شکل (‏1‑1) اوربیتال­های اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1]. 4
شکل (‏1‑2) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد به­رنگ خاکستری است [1]. 4
گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1]. 5
شکل (‏1‑4) دیاگرام پاشندگی انرژی گرافین [1]. 7
شکل (‏1‑5) گرافین یک صفحه تک­اتمی از گرافیت است. نانولوله کربنی از لوله کردن گرافین به­شکل استوانه توخالی ایجاد می­ شود [1]. 8
شکل (‏1‑6) ساختار شش­گوشه در صفحه مختصات گرافین [2]. 9
شکل (‏1‑7) صفحه مختصات گرافین. مسیر مبلی به­رنگ نارنجی، مسیر نامتقارن به­رنگ سبز و مسیر زیگزاگ به­رنگ آبی است [2]. 10
شکل (‏1‑8) شبکه و سلول واحد فضای واقعی نانولوله کربنی (الف) از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. 12
و ناحیه بریلوین (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3) [1]. 12
شکل (‏1‑10) دیاگرام پاشندگی الکترونی (الف) نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (3،0) و (ب) نانولوله کربنی از نوع مبلی (3،3). ناحیه سایه­خورده زیرِ انرژی فرمی، منطبق با باند ظرفیت است [1]. 14
شکل (‏1‑11) احتمال اشغال الکترون برای (الف) (ب) [5]. 17
شکل (‏1‑12) ساختار تقویت­کننده لوله­ای موج رونده [6]. 17
شکل (‏2‑1) چگالی جریان نرمالیزه­شده برحسب بسامد زاویه­ای برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطه­چین قرمزرنگ) و ابرشبکه­ ها (سیاه­رنگ) [8]. 29
شکل (‏2‑2) چگالی جریان نرمالیزه­شده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (سبزرنگ) و مبلی (نقطه­چین قرمزرنگ) و ابرشبکه­ ها (سیاه­رنگ) [8]. 30
شکل (‏2‑3) مشخصه رسانایی تفاضلی نرمالیزه­شده برحسب میدان الکتریکی DC اعمالی [8]. 31
شکل (‏3‑1) مدل مداری نانولوله کربنی [1]. 37
شکل (‏3‑2) نمایش عدم تطبیق امپدانس بین نانولوله کربنی و دنیای مقیاس بزرگ [1]. 38
شکل (‏3‑3) ساختار موج­بر هم­صفحه (الف) نمای بالا (ب) نمای کنار [1]. 38
شکل (‏3‑4) ساختار موج­بر هم­صفحه مورد استفاده و نحوه کاهش دادن عرض ناحیه میانی، محلی که نانولوله کربنی قرار خواهد گرفت [1]. 39
شکل (‏4‑1) سلول واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 45
شکل (‏4‑2) با گزینش سلولِ واحد نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0)، 4 بار تکرار می­ شود. 46
شکل (‏4‑3) حالت بلاخ نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 46
شکل (‏4‑4) اعمال بایاس DC به­نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0) با . 47
شکل (‏4‑5) نمودار I-V به­دست آمده برای نانولوله کربنی با .    48
شکل (‏4‑6) رسانایی تفاضلی منفی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (6،0). 49
شکل (‏4‑7) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 50
شکل (‏4‑8) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 51
شکل (‏4‑9) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 51
شکل (‏4‑10) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 53
شکل (‏4‑11) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 53
شکل (‏4‑12) بخش حقیقی رسانایی تفاضلی نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (12،0) با . 54
شکل (‏4‑13) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 55
شکل (‏4‑14) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 55
شکل (‏4‑15) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (10،0) با . 56
شکل (‏4‑16) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 57
شکل (‏4‑17) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 58
شکل (‏4‑18) جریان نرمالیزه­شده برحسب ولتاژ DC نرمالیزه­شده اعمالی برای نانولوله کربنی از نوع زیگزاگ (100،0) با . 58
شکل (‏5‑1) ساختار موج­بر هم­صفحه برای بررسی عبور موج از درون نانولوله کربنی [14]. 64
شکل (‏5‑2) ساختار پیشنهادی برای بررسی تطبیق امپدانس. 64
شکل (‏5‑3) نحوه قرارگیری نانولوله کربنی (مسیر آبی­رنگ) درون ساختار پیشنهادشده با بزرگ­نمایی محل قرارگیری نانولوله کربنی درون شکافِ شکل (5-2) 65
شکل (‏5‑4) نحوه زمین کردن رسانای کناری در موج­بر هم­صفحه. 66
شکل (‏5‑5) خطوط میدان الکتریکی (الف) مد زوج (ب) مد فرد [1]. 66
شکل (‏5‑6) قسمت حقیقی و موهومی رسانایی دینامیکی نانولوله کربنی از نوع مبلی [15]. 67
شکل (‏5‑7) تطبیق امپدانس ایجادشده با بهره گرفتن از ساختار شبیه سازی­شده برای کاهش عدم تطبیق امپدانس. 68
شکل (‏5‑8) سیگنال ورودی (قرمز رنگ) سیگنال خروجی (نارنجی رنگ). 69

شکل (‏5‑9) نمایش تقویت سیگنال. با بزرگ­نمایی کردن شکل (‏5‑8). 69
 
 

فصل 1-        معرفی نانولوله­های کربنی

1-1-         دیباچه

نانولوله­های کربنی[5] برای اولین بار توسط ایجیما[6] در سال 1991 کشف شدند و پس از آن تلاش­ های بسیاری برای پیش ­بینی ساختار الکترونیک آن­ها انجام شده است. به­ دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان مانند :رسانایی بالا، انعطاف­پذیری، استحکام و سختی بسیار مورد توجه قرار گرفتند [1]. در این فصل به­بررسی ساختار نانولوله­های کربنی و نحوه ساخت آن­ها از گرافین می­پردازیم. انواع نانولوله­های کربنی و نحوه شکل­ گیری آن­ها را توضیح داده، مباحث فیزیکی بسیار مهم در نانوساختارها را بیان می­کنیم. همچنین ساختار تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[7] را مورد بررسی قرار می­دهیم.

1-2-         گرافین و نحوه ساخت نانولوله­های کربنی از گرافین

گرافین یک تک­لایه از گرافیت است. همان­طور که در شکل (‏1‑1) نشان داده شده است، اتصال کربن-کربن در گرافین توسط اوربیتال­های پیوندی، 2sp، اتصال­های s را تشکیل می­ دهند و باقیمانده اوربیتال­ها، zp، اتصال­های π را تشکیل می­دهند. اتصال­های π و s به­صورت زیر تعریف می­شوند:
s اتصال­های درون صفحه­ای را تشکیل می­دهد، در حالی­که اتصال­های π، از نوع اتصال­های بیرون صفحه­ای است که هیچ­گونه برخوردی با هسته ندارند. اتصال­های s در گرافین و نانولوله­های کربنی خصوصیت­های مکانیکی قوی را ایجاد می­ کنند. به­عبارت دیگر رسانایی الکترون به­ طور گسترده از طریق اتصال­های π است. با توجه به­شکل (‏1‑1) می­توان به­این خصوصیت پی برد. همان­طور که دیده می­ شود هیچ­گونه صفری[8]‌ در اوربیتال­های اتصال π نیست، الکترون­ها آزادانه اطراف شبکه حرکت می­ کنند که اصطلاحا غیرمحلی شده[9] گفته می­شوند و یک شبکه متصل تشکیل می­ دهند که نحوه­ رسانایی گرافین و نانولوله­های کربنی را توضیح می­دهد [1].
شکل (‏1‑1) اوربیتال­های اتمی اتصال کربن-کربن در صفحه گرافین [1].
شبکه فضای حقیقی دو-بعدی گرافین در شکل (‏1‑2) نشان داده شده است. سلولِ واحد گرافین از دو اتم مجزا با فاصله­ی درون­اتمی تشکیل شده است. بردارهای واحدِ آن به­شکل زیر هستند:
(‏1‑1)                           
که در آن ثابت­شبکه است. سلول واحد از دو بردار شبکه تشکیل شده است، که در شکل (‏1‑2) به­رنگ خاکستری است [1].
شکل (‏1‑2) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد به­رنگ خاکستری است [1].
 
شبکه دوبعدی فضای k در شکل (‏1‑3) نشان داده شده است. بردارهای واحد هم­پاسخ 1b و 2b توسط معادله زیر قابل دست­یابی هستند:
(‏1‑2)                                      
که dij دلتای کرونِکر است. در نتیجه:
(‏1‑3)
ثابت شبکه هم­پاسخ است. اولین ناحیه­ی بریلوین[10] گرافین درشکل (‏1‑3) به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].
شکل (‏1‑3) شبکه فضای k گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].
مدل اتصال محکم[11] به­ طور معمول برای دست­یابی به­شکل تحلیلی پاشندگی انرژی الکترونی و یا ساختار باند E گرافین به­کار می­رود. چون حل معادله شرودینگر عملا در سامانه­های بزرگ غیرممکن است مدل­های تقریبی زیادی با افزایش یافتن پیچیدگی موجود است. تقریب اتصال محکم به­عنوان یکی از ساده­ترین روش­ها شناخته شده است. در این قسمت به­توضیحی مختصر درباره چگونگی دست­یابی به­رابطه پاشندگی الکترونی گرافین پرداخته می­ شود. چند فرض اولیه زیر را در نظر می­گیریم:

• برهم­کنش الکترون-الکترون را نادیده می­گیریم. این یک مدل تک­الکترونی است.

• تنها اتصال­های π در رسانایی تاثیر دارند.

• ساختار گرافین، بینهایت بزرگ، کاملا متناوب و هیچ­گونه نقصی ندارد.

برای رسیدن به­تابع پاشندگی گرافین باید معادله شرودینگر برای یک الکترون مورد اعمال پتانسیلِ شبکه، مانند زیرحل شود:
(‏1‑4)           
H همیلتونینِ شبکه، U پتانسیل شبکه،m جرم الکترون، jE تابع ویژه وYj انرژی ویژه برای j­امین باند با بردار موج k است. چون این یک مسئله متناوب است، تابع ویژه (یا تابع بلاخ[12]) باید تئوری بلاخ را که به­شکل زیر داده شده برآورده کند:
(‏1‑5)
بردار شبکه براوایس[13] است، r1 و r2 عددهای صحیح هستند [1]. بنابراین تابع موج در فضای هم­پاسخ با بردار شبکه هم­پاسخ متناوب است که q1 و q2 عدد صحیح هستند:
(‏1‑6)
در نهایت ساختار باند گرافین به­شکل زیر تقریب زده می­ شود [1]:
(‏1‑7)
پارامتر انتقال g0 با محاسبه­های فرض اولیه[14] حدود 7/2 الکترون­ولت تخمین زده می­ شود. همان­طور که انتظار می­رود مقدار­های انرژی مثبت و منفی به­ترتیب به­باند رسانایی و ظرفیت اشاره دارد. پاشندگی گرافین در شکل (‏1‑4) نشان داده شده است. دیده می­ شود که گرافین هیچ­گونه باند توقفی ندارد و نیمه­رسانا با باند توقف صفر است. اگرچه کلمه رسانا به­گرافین یا نانولوله­ی کربنی با باند توقف صفر اشاره دارد. نقاطی که از انرژی فرمی عبور می­ کنند نقاط kگویند و با لبه­های شش­گوشه[15] برخورد دارند. بیشترین مشخصه­های رسانایی الکترونیک با بایاس کم توسط نواحی اطراف نقاط k تعیین می­شوند [1].
[1] Radio frequencies: RFs
[2] Carbon nanotube: CNT
[3] Traveling wave tube: TWT
[4] Negative differential conductivity: NDC
[5] Carbon nanotubes: CNTs
[6] Ijima
[7] Traveling wave tube: TWT
[8] Null
[9] Delocalized
[10] Brillouinz one: BZ
[11] Tight binding
[12] Bloch
[13] Bravais
[14] First principle
[15] Hexagon
ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است