طراحی یک فوتوکاتد ارتقاء‌یافته ترکیبی بر پایه نانوتوری‌های پلاسمونیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز علم و فناوری لیزر و اپتیک دانشگاه امام حسین(ع)

2 گروه فوتونیک دانشگاه جامع امام حسین(ع)

3 گروه جنگ نوین دانشگاه جامع امام حسین(ع)

4 پژوهشگر فوتونیک دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده

مهم­ترین و تأثیرگذارترین بخش هر آشکارساز نوری، قطعه حسگر آن است. در روند توسعه فوتوکاتدها از مواد و ساختار متنوعی استفاده شده و در سال‌های اخیر ساختار‌های ترکیبی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش به‌منظور ارتقای بازدهی پاسخ اپتیکی فوتوکاتد از پدیده پلاسمونیک استفاده شده و بر اساس روش تفاضل محدود حوزه زمان (FDTD) فوتوکاتد جدیدی طراحی و شبیه­سازی شده است. با تعبیه طرحی از نانوتوری تناوبی بر روی سطح، ساختاری ارائه شده است که با ایجاد امکان تزویج نور فرودی به یک موج چگالی الکترونی در سطح، تشدید پلاسمونی در محدوده طول موج مورد نظر  به­وجود آمده و شدت میدان افزایش بسیار زیادی پیدا می­کند. به این طریق فلز-نیم‌هادی تبدیل به یک جاذب عالی می­شود. برای این منظور ابتدا فوتوکاتدهای با ساختار مسطح و غیرمسطح (نانوتوری) متشکل ازGaAs  و Au به‌طور مجزا شبیه‌سازی شدند. سپس ساختار نانوتوری پلاسمونیک متشکل از مواد ترکیبی Au-GaAs شبیه‌سازی و با ساختار نانوتوری پلاسمونیک طلا مقایسه شد، به‌طوری که میزان جذب ساختار 1/16 درصد افرایش یافت. ساختار نانوتوری پلاسمونیک متشکل از مواد Au-GaAs در بازه طیف مرئی به‌دلیل جذب بیشتر، عملکرد بهتری در افرایش بازده فوتوکاتد خواهد داشت. ساختار ارائه‌شده برای فوتوکاتد، دارای مزیت فیلتراسیون نور فرودی با دقت و کیفیت بسیار خوبی است. قابلیت مهم دیگر ایجاد چندین فرکانس تشدید هم‌زمان با ایجاد هندسه تکراری است.

کلیدواژه‌ها


[1]     S. O. Flyckt, “Photomultiplier tubes: principles and applications,” Photonis, 2002.##
[2]     K. K. Hamamatsu, “Photomultiplier tube handbook,” Electron Tube Division, 2006.##
[3]     C. Feng, Y. Zhang, J. Liu, Y. Qian, X. Liu, F. Shi, and H. Cheng, “Effect of graded bandgap structure on photoelectric performance of transmission-mode Al x Ga  1-x As/GaAs photocathode modules,” Applied Optics, vol. 56, pp. 9044-9049, 2017.##
[4]     K. Matsuoka, “Expression for the angular dependence of the quantum efficiency of a thin multi-alkali photocathode and its optical properties,” Progress of Theoretical and Experimental Physics, vol. 12, p. 123H0, 2018.##
[5]     S. Xia, L. Liu, and Y. Kong, “Research on quantum efficiency and photoemission characteristics of       negative-electron-affinity GaN nanowire arrays photocathode,” Optical and Quantum Electronics, vol. 48, p. 306, 2016.##
[6]     X. Zhangyang, L. Liu, Z. Lv, F. Lu, and J.  Tian, “Efficient light trapping in GaN inclined nanorod and nanohole arrays for photocathode applications,” Optical Materials, vol. 101, p. 109747, 2020.##
[7]     L. Liu, F. Lu, J. Tian, X. Zhangyang, and Z.  Lv, “The effective light harvesting performance of graded compositional AlxGa1− xN nanocone arrays photocathode for ultraviolet detector—A numerical investigation and simulation,” International Journal of Energy Research, vol. 44, pp. 5779-5790, 2020.##
  [8]     J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, “Plasmonics for extreme light concentration and manipulation,” Nature materials, vol. 9, pp. 193-204, 2010.##
[9]     J. Zhang, L. Zhang, and W Xu, “Surface plasmon polaritons: physics and applications,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 45, p. 113001, 2012.##
[10]  A. Polyakov, K. Thompson, C. Senft, S. Dhuey, B. Harteneck, X. Liang, and H. A. Padmore, “Photocathode performance improvement by plasmonic light trapping in nanostructured metal surfaces,” In Nanophotonic Materials, vol. 8094, p. 809407, 2011. ##
[11]  R. C. Word, T. Dornan, and Könenkamp, “Photoemission from localized surface plasmons in fractal metal nanostructures,” Applied Physics Letters, vol. 96, p. 251110, 2010.##
[12]   R. K. Li, H. To, G. Andonian, J. Feng, A. Polyakov, C. M. Scoby, and P. Musumeci, “Surface-plasmon          resonance-enhanced multiphoton emission of                high-brightness electron beams from a nanostructured copper cathode,” Physical review letters, vol. 110, p. 074801, 2013.##
[13]  S. Foroutan, H. Z. Dizaji, and A. Riahi, “Plasmon resonance-enhanced photocathode by light trapping in periodic concentric circular nanocavities on gold surface,” Optik, vol. 138, pp. 223-228, 2017.##
[14]  Y. Shahamat, A. Ghaffarinejad, and M. Vahedi, “Plasmon induced transparency and refractive index sensing in two nanocavities and double nanodisk resonators,” Optik, vol. 202, p. 163618, 2020.##
[15]  Prangsma, “Local and dynamic properties of light interacting with subwavelength holes,” PhD, Twente, Enschede, 2009.##
[16]  S. Vassant, et al., “Optical control of THz reflectivity with surface waves,” Terahertz Emitters, Receivers, and Applications II, International Society for Optics and Photonics, vol. 8119, 2011.##
[17]  A. Derkachova, K. Kolwas, and I. Demchenko, “Dielectric function for gold in plasmonics applications: size dependence of plasmon resonance frequencies and damping rates for nanospheres,” Plasmonics, vol. 11, pp. 941-951, 2016.##
[18]  T. Iqbal, S. Khalil, M. Ijaz, K. N. Riaz, M. I. Khan, M. Shakil, and S. Afsheen, “Optimization of 1D plasmonic grating of nanostructured devices for the investigation of plasmonic bandgap,” Plasmonics, vol. 14, pp. 775-783, 2019.##
[19]  K. Eyvazi and M. A. Karami, “Optimizing Plasmonic Color Filter for Imaging Sensor,” Journal of Applied Electromagnetism, vol. 7, pp. 105-112, 2019. (In Persian)##
[20]  J. Qiao, X. Li, J. Niu, and Y. Gao, “Quantum Yield of Reflection Mode Varied Doping GaN Photocathode,” In Matec Web of Conferences, EDP Sciences,vol. 67, p. 02019, 2016.##