تاریخ آخرین ویرایش : شنبه،22-9-1399
تعداد بازدید :136

تبدیل بهینه نور به الکترومغناطیس با گرافن

اگر بتوان نور را در مقیاس نانو کنترل و مدیریت کرد، می توان وسایل و ابزارهای فوق العاده فشرده ای ساخت که قابلیت تبدیل انرژی نوری و ذخیره آن را داشته باشند. پژوهشگران برای متمرکز کردن نور در چنین مقیاس کوچکی، تابش های نوری را به پلاسمون ـ پولاریتون‌های سطحی تبدیل می کنند. پلاسمون ـ پولاریتون‌های سطحی، امواج الکترومغناطیسی مادون قرمز یا امواجی با فرکانس مرئی هستند که در یک سطح فلزی عایق یا سطح هوا ـ فلز حرکت می کنند. به عبارتی دیگر، پلاسمون ـ پولاریتون های سطحی نوساناتی هستند که در امتداد خط تماس بین دو ماده با ضریب شکست بسیار متفاوت منتشر می شوند. این دو ماده به طور خاص یک فلز و یک ماده دی‌الکتریک یا هوا هستند. ماده دی الکتریک یک عایق الکتریکی است که اگر در معرض میدان مغناطیسی قرار گیرد، قطبی می شود. در یک ماده دی الکتریک برخلاف یک ماده رسانا، هنگام قرارگیری در معرض میدان مغناطیسی، بار الکتریکی جریان پیدا نمی کند.
درجه تمرکز موج سطحی بسته به ماده انتخاب شده تغییر می‌کند. بیشترین میزان تمرکز موج سطحی زمانی به دست می آید که نور روی ماده ای تنها به ضخامت یک اتم متمرکز شده باشد، چون این گونه مواد دو بعدی ضریب شکست بسیار بالایی دارند.
بازده طرح های موجود که تا کنون برای تبدیل نور به پلاسمون ـ پولاریتون سطحی ارائه شده اند حداکثر ۱۰ درصد است. امکان افزایش این میزان با استفاده از مبدل های سیگنال واسطه وجود دارد. مبدل ها، نانو اشیائی با ترکیبات شیمیایی و اشکال هندسی متنوع هستند.
مبدل های واسطه ای که پژوهشگران «مؤسسه فیزیک و فناوری مسکو» و «دانشگاه ایالتی ولادیمیر» انتخاب کردند، «نقاط کوانتومی»(quantum dots) نیم رسانا در ابعاد ۵ تا ۱۰۰ نانومتر هستند که از ترکیبی مشابه ترکیب نیم رساناهای جامد ساخته شده‌اند. هدف آنها از کاربرد نقاط کوانتومی این بود که ثابت کنند می توانند با بازده ۹۰ درصد، انرژی نوری را روی یک سطح گرافنی به امواج سطحی تبدیل کنند. آنها برای این کار از طرح تبدیل انرژی نور لیزری و رزونانس انبوه استفاده کردند.
خواص نوری یک نقطه کوانتومی به طرز چشمگیری وابسته به اندازه آن است. بنابراین پژوهشگران می توانند با تغییر ابعاد یک نقطه کوانتومی آن را با طول موج مورد نظرشان تنظیم کنند. اگر به گروهی از نقاط کوانتومی که اندازه های مختلفی دارند نور طبیعی تابانده شود، هر نقطه کوانتومی به طول موج متفاوتی واکنش نشان می دهد.
نقاط کوانتومی، نانوساختارها یا نانوبلورهایی نیم رسانا هستند که از مواد نیم رسانا ساخته شده اند و به قدری کوچک هستند که خواص مکانیک کوانتومی را از خود نشان می دهند. نقاط کوانتومی اَشکال متنوعی دارند که می توانند استوانه ای، هرمی، کروی و غیره باشند و از لحاظ ترکیب شیمیایی نیز دارای انواع مختلفی هستند. در مطالعه حاضر، پژوهشگران روسی از نقاط کوانتومی بیضی شکل به قطر ۴۰ نانومتر استفاده کردند. نقاط به عنوان پراکنده ساز نور در بالای سطح گرافنی قرار داده شدند و نور مادون قرمز با طول موج ۵۵ر۱ میکرومتر به گرافن تابانده شد. یک حائل از جنس ماده ای دی الکتریک با ضخامت چند نانومتر نیز انتخاب شد تا ورقه گرافنی از نقاط کوانتومی مجزا شود و تماسی با آنها نداشته باشد.
کاربرد نقاط کوانتومی به عنوان پراکنده ساز ایده تازه ای نیست. در برخی از مطالعات پیشین که روی گرافن انجام شدند نیز از آنها استفاده شد، بدین صورت که نقاط در بالای ورقه دو بعدی قرار گرفته بودند و در آن واحد هم با نور و هم با امواج الکترومغناطیسی سطحی تعامل برقرار می کردند که طول موج هر دوی آنها یکسان بود. این امر به این دلیل امکان پذیر شد که اندازه نقطه کوانتومی دقیق و درست انتخاب شده بود.
علی رغم این که تطابق چنین سیستمی با یک رزونانس معین آسان بود، همیشه احتمال خاموشی نور و تبدیل انرژی نوری به گرما در آن وجود داشت. اِشکال دیگری که ممکن بود در آن ظاهر شود پراکنده شدن وارونه نور بود. در نتیجه بازده تولید پلاسمون ـ پولاریتون سطحی با این روش هرگز از ۱۰ درصد فراتر نرفته است.
با ایده جدید، اکنون اشکالات موجود رفع شده است. پژوهشگران طرحی را انتخاب کردند که در آن نقطه کوانتومی قرار گرفته در بالای ورقه گرافن هم با نور تابانده شده و هم با موج الکترومغناطیسی سطحی وارد تعامل می شود، با این تفاوت که این دو تعامل با فرکانس های متفاوتی صورت می گیرند. نقطه کوانتومی با نور در طول موج ۵۵ر۱ میکرومتر تعامل برقرار می کند و با پلاسمون ـ پولاریتون سطحی در طول موج ۵ر۳ میکرومتر وارد تعامل می شود. این تفاوت با طرح تعامل هیبریدی (دوگانه) میسر شده است.
اساس طرح تعامل هیبریدی این است که به جای استفاده از دو سطح انرژی بالا و پایین، یک سطح میانی نیز برای آن در نظر گرفته می شود. به بیانی دیگر، تیم پژوهشی از یک ساختار پرانرژی مشابه ساختار لیزر استفاده کردند. فایده سطح انرژی میانی این است که رابطه نیرومندی بین نقطه کوانتومی و نور الکترومغناطیسی سطحی ایجاد می کند. نقطه کوانتومی در اثر برخورد طول موج لیزری که به آن تابیده می شود تحریک و برانگیخته می شود اما امواج سطحی با طول موجی پدید می آیند که حاصل رزونانس نقطه کوانتومی و موج پلاسمون ـ پولاریتون سطحی است.
آنها برای ساختن نقاط کوانتومی مواد زیادی را مورد آزمایش قرار دادند و انواع مختلفی از گرافن را امتحان کردند. علاوه بر گرافن خالص، نوع دیگری از گرافن به نام گرافن ناخالص وجود دارد که عناصر شیمیایی مجاور در جدول تناوبی به درونش وارد شده اند. پتانسیل شیمیایی گرافن متناسب با نوع ناخالصی موجود در آن تغییر می کند. آنها پارامترهای نقطه کوانتومی از جمله ترکیب شیمیایی، شکل هندسی و نیز نوع گرافن را بهینه سازی کردند تا بازده فرآیند تبدیل انرژی نوری به امواج پلاسمون ـ پولاریتون های سطحی را به بالاترین میزان برسانند. سرانجام برای رسیدن به هدف خود گرافن ناخالصی دار را انتخاب کردند و ایندیم آنتیمونید را نیز به عنوان ماده تشکیل دهنده نقطه کوانتومی برگزیدند.
علی رغم این که انرژی وارد شده به گرافن از طریق واسطه نقطه کوانتومی بازده زیادی داشت، قدرت امواج تولید شده بسیار کم بود. در نتیجه، لازم بود تعداد زیادی نقطه کوانتومی با آرایش خاصی در بالای لایه گرافن قرار گیرند. برای این منظور، آنها باید هندسه مناسب و دقیق را پیدا می کردند؛ یعنی باید نقاط کوانتومی را با فاصله درستی از یکدیگر قرار می دادند تا سیگنال تقویت شود. سرانجام آرایش هندسی درست را پیدا کردند و سیگنالی را در گرافن اندازه‌گیری کردند که بسیار قدرتمندتر از سیگنال حاصل از نقاط کوانتومی بدون آرایش هندسی بود.
بازده تبدیل انرژی در طرح پیشنهادی جدید بین ۹۰ تا ۹۵ درصد است. حتی با در نظر گرفتن همه عواملی که روی این طرح تأثیر منفی می گذارند، باز هم بازده نهایی ۵۰ درصد خواهد شد؛ یعنی چندین برابر بیشتر از هر سیستم رقیب دیگری.
شاید در آینده بتوان پولاریتون ها را انباشته کرده و در نهایت یک باتری فوق العاده باریک طراحی کرد که فقط از چند لایه اتم تشکیل شده باشد. همچنین می توان از این سیستم تبدیل انرژی در مبدل های انرژی سبک مثل سلول های خورشیدی بهره گرفت، با این تفاوت که بازده آنها چند برابر افزایش می یابد. کاربرد دیگر مبدل جدید می تواند شناسایی نانو اشیاء باشد.

روزنامه اطلاعات



نظرات:

برای ارسال نظر جدید ابتدا باید وارد سایت شوید