منبع پایان نامه : پایان نامه برق (مخابرات): تحلیل و شبیه¬سازی تقویت امواج عبوری از نانولوله¬های¬ کربنی فلزی با بایاس DC

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی گردد

پايان‌نامه دوره کارشناسي ارشد مهندسي برق-مخابرات

 

تحلیل و شبیه­سازی تقویت امواج عبوری از نانولوله­های­ کربنی فلزی با بایاس DC

 

 

 

استاد راهنما:

دکتر نصرت­ا… گرانپایه

 

 

زمستان 1393

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکيده

تولید و تقویت بسامدهای رادیویی[1] قلب مخابرات ماهواره­ای و کاربردهای الکترونیک نوری می باشد. صنعت مخابرات به­دنبال تقویت کننده­های بسامد رادیویی در مقیاس کوچک­تر و موثرتر در بسامد­های بالاتر می باشد. نانوساختارها به­دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان این نیازها را برآورده می­کنند. در این پایان­نامه ویژگی­های ساختار گرافین و نحوه شکل­گیری نانولوله­های کربنی از آن را اظهار می­کنیم، شباهت­ها و تفاوت­های ساختار نانولوله کربنی[2] و تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[3] را مطالعه 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 مطالعه می­کنیم و به­تحلیل فیزیکی رسانایی تفاضلی منفی[4] ایجادشده در نمودارهای به­دست آمده می­پردازیم. با در نظر داشتن­عدم تطبیق امپدانسی که در بهره گیری از نانولوله­های کربنی در دنیای واقعی رخ می­دهد بایستی بستر مناسبی برای کاهش عدم تطبیق امپدانس طراحی کنیم. در این طراحی از موج­بر هم­صفحه به­دلیل مزایایی که دارد مانند ظرفیت بسامد بالا، قابلیت ساخت در ابعاد زیر میکرو و… بهره گیری می­کنیم. در مسیر عبور سیگنالِ موج­بر هم­صفحه یک فضای خالی برای جاسازی نانولوله کربنی ایجاد می­کنیم، کوشش بر­این می باشد 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 گردید.

کليد­واژه: 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 پایان­نامه 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 گیری 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-  نتیجه­گیری­ها و پیشنهادها 71

6-1- نتیجه­گیری­ها 73

6-2- پیشنهادها 74

مرجع­ها……. 75

واژه­نامه فارسي به­انگليسي 77

واژه­نامه انگليسي به­فارسي 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 می باشد [1]. 4

شکل (‏1‑3) شبکه فضای k گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده می باشد [1]. 5

شکل (‏1‑4) دیاگرام پاشندگی انرژی گرافین [1]. 7

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

شکل (‏1‑5) گرافین یک صفحه تک­اتمی از گرافیت می باشد. نانولوله کربنی از لوله کردن گرافین به­شکل استوانه توخالی ایجاد می­گردد [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 می باشد [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

شکل (‏1‑9) شبکه فضای k 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 می باشد [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 ابرشبکه­ها (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 ابرشبکه­ها (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 بهره گیری 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 می­گردد. 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 مطالعه عبور موج از درون نانولوله کربنی [14]. 64

شکل (‏5‑2) ساختار پیشنهادی برای مطالعه 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 گیری 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 کوشش­های بسیاری برای پیش­بینی ساختار الکترونیک آن­ها انجام شده می باشد. به­دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان مانند :رسانایی بالا، انعطاف­پذیری، استحکام و سختی بسیار مورد توجه قرار گرفتند [1]. در این فصل به­مطالعه ساختار نانولوله­های کربنی و نحوه ساخت آن­ها از گرافین می­پردازیم. انواع نانولوله­های کربنی و نحوه شکل­گیری آن­ها را توضیح داده، مباحث فیزیکی بسیار مهم در نانوساختارها را اظهار می­کنیم. همچنین ساختار تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[7] را مورد مطالعه قرار می­دهیم.

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

گرافین یک تک­لایه از گرافیت می باشد. همان­گونه که در شکل (‏1‑1) نشان داده شده می باشد، اتصال کربن-کربن در گرافین توسط اوربیتال­های پیوندی، 2sp، اتصال­های s را تشکیل می­دهند 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 می باشد که هیچ­گونه برخوردی با هسته ندارند. اتصال­های s در گرافین و نانولوله­های کربنی خصوصیت­های مکانیکی قوی را ایجاد می­کنند. به­عبارت دیگر رسانایی الکترون به­گونه گسترده از طریق اتصال­های π می باشد. با در نظر داشتن­شکل (‏1‑1) می­توان به­این خصوصیت پی برد. همان­گونه که دیده می­گردد هیچ­گونه صفری[8]‌ در اوربیتال­های اتصال π نیست، الکترون­ها آزادانه اطراف شبکه حرکت می­کنند که اصطلاحا غیرمحلی شده[9] گفته می­شوند و یک شبکه متصل تشکیل می­دهند که نحوه­ی 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 می باشد. سلولِ واحد گرافین از دو اتم مجزا با فاصله­ی درون­اتمی تشکیل شده می باشد. بردارهای واحدِ آن به­شکل زیر هستند:

(‏1‑1)                           

که در آن ثابت­شبکه می باشد. سلول واحد از دو بردار شبکه تشکیل شده می باشد، که در شکل (‏1‑2) به­رنگ خاکستری می باشد [1].

شکل (‏1‑2) شبکه فضای حقیقی گرافین. سلول واحد به­رنگ خاکستری می باشد [1].

 

شبکه دوبعدی فضای k در شکل (‏1‑3) نشان داده شده می باشد. بردارهای واحد هم­پاسخ 1b و 2b توسط معادله زیر قابل دست­یابی هستند:

(‏1‑2)                                      

که dij دلتای کرونِکر می باشد. در نتیجه:

(‏1‑3)

ثابت شبکه هم­پاسخ می باشد. اولین ناحیه­ی بریلوین[10] گرافین درشکل (‏1‑3) به­رنگ خاکستری نشان داده شده می باشد [1].

شکل (‏1‑3) شبکه فضای k گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده می باشد [1].

مدل اتصال محکم[11] به­گونه معمول برای دست­یابی به­شکل تحلیلی پاشندگی انرژی الکترونی و یا ساختار باند E گرافین به­کار می­رود. زیرا حل معادله شرودینگر عملا در سامانه­های بزرگ غیرممکن می باشد مدل­های تقریبی زیادی با افزایش یافتن پیچیدگی موجود می باشد. تقریب اتصال محکم به­عنوان یکی از ساده­ترین روش­ها شناخته شده می باشد. در این قسمت به­توضیحی مختصر درمورد چگونگی دست­یابی به­ارتباط پاشندگی الکترونی گرافین پرداخته می­گردد. چند فرض اولیه زیر را در نظر می­گیریم:

  • برهم­کنش الکترون-الکترون را نادیده می­گیریم. این یک مدل تک­الکترونی می باشد.
  • تنها اتصال­های π در رسانایی تاثیر دارند.
  • ساختار گرافین، بینهایت بزرگ، کاملا متناوب و هیچ­گونه نقصی ندارد.

برای رسیدن به­تابع پاشندگی گرافین بایستی معادله شرودینگر برای یک الکترون مورد اعمال پتانسیلِ شبکه، مانند زیرحل گردد:

(‏1‑4)           

H همیلتونینِ شبکه، U پتانسیل شبکه،m جرم الکترون، jE تابع ویژه وYj انرژی ویژه برای j­امین باند با بردار موج k می باشد. زیرا این یک مسئله متناوب می باشد، تابع ویژه (یا تابع بلاخ[12]) بایستی تئوری بلاخ را که به­شکل زیر داده شده برآورده کند:

(‏1‑5)

بردار شبکه براوایس[13] می باشد، r1 و r2 عددهای صحیح هستند [1]. پس تابع موج در فضای هم­پاسخ با بردار شبکه هم­پاسخ متناوب می باشد که q1 و q2 عدد صحیح هستند:

(‏1‑6)

در نهایت ساختار باند گرافین به­شکل زیر تقریب زده می­گردد [1]:

(‏1‑7)

پارامتر انتقال g0 با محاسبه­های فرض اولیه[14] حدود 7/2 الکترون­ولت تخمین زده می­گردد. همان­گونه که انتظار می­رود مقدار­های انرژی مثبت و منفی به­ترتیب به­باند رسانایی و ظرفیت تصریح دارد. پاشندگی گرافین در شکل (‏1‑4) نشان داده شده می باشد. دیده می­گردد که گرافین هیچ­گونه باند توقفی ندارد و نیمه­رسانا با باند توقف صفر می باشد. اگرچه کلمه رسانا به­گرافین یا نانولوله­ی کربنی با باند توقف صفر تصریح دارد. نقاطی که از انرژی فرمی عبور می­کنند 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 می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

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

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

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

موجود می باشد

تعداد صفحه :113

Categories: مهندسی برق

Tagged as: , , , , , ,