پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC

word
99
3 MB
32192
1393
کارشناسی ارشد
قیمت: ۹,۹۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC

    پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-مخابرات

    چکیده

    تولید و تقویت بسامد های رادیویی[1] قلب مخابرات ماهواره­ای و کاربردهای الکترونیک نوری است. صنعت مخابرات به­دنبال تقویت کننده­های بسامد رادیویی در مقیاس کوچک­تر و موثرتر در بسامد­های بالاتر است. نانوساختارها به­دلیل ویژگی­های منحصربه­فردشان این نیازها را برآورده می­کنند. در این پایان­نامه ویژگی­های ساختار گرافین و نحوه شکل­گیری 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 به­دلیل 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 نانولوله­ های کربنی بایاس­شده، معادله بولتزمن، رسانایی تفاضلی منفی.

    1-1-دیباچه

    نانولوله­های کربنی[1] برای اولین بار توسط ایجیما[2] در سال 1991 کشف شدند و پس از آن تلاش­های بسیاری برای پیش­بینی ساختار الکترونیک آن­ها انجام شده است. به­دلیل 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 شکل­گیری آن­ها را توضیح داده، مباحث فیزیکی بسیار مهم در نانوساختارها را بیان می­کنیم. همچنین ساختار تقویت­کننده لوله­ای موج رونده[3] 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 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 است که هیچ­گونه برخوردی با هسته ندارند. اتصال­های s در گرافین و نانولوله­های کربنی خصوصیت­های مکانیکی قوی را ایجاد می­کنند. به­عبارت دیگر رسانایی الکترون به­طور گسترده از طریق اتصال­های π است. با توجه به­شکل (‏1‑1) می­توان به­این خصوصیت پی برد. همان­طور که دیده می­شود هیچ­گونه صفری[4]‌ در اوربیتال­های اتصال π نیست، الکترون­ها آزادانه اطراف شبکه حرکت می­کنند که اصطلاحا غیرمحلی شده[5] 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 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[6] گرافین درشکل (‏1‑3) به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].

    شبکه فضای k گرافین. ناحیه­ی بریلوین به­رنگ خاکستری نشان داده شده است [1].

    مدل اتصال محکم[7] به­طور 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 می­شود. 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[8]) باید تئوری بلاخ را که به­شکل زیر داده شده برآورده کند:

    (‏1‑5)                                                                                                                  

     بردار شبکه براوایس[9] 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 می­شود

    (فرمول ها در فایل اصلی موجود است)

    Abstract

    Radio frequency (RF) generation and amplification is at the heart of telecommunication, satellite and optoelectronics applications. The electronics industry is in constant search for RF amplifiers with smaller size, more efficient, and operating at higher frequencies. Nano materials with unique properties promise to fulfill these characteristics.

    In this thesis, we represent the properties of graphene structure and the way of forming carbon nanotube (CNT) by graphene. We investigate the similarities and differences between traveling wave tube (TWT) and CNT and compare the physical mechanism of amplification in them. We use Boltzmann equation for CNTs under DC and AC fields and analyze the negative differential conductivity (NDC).

    Due to the inherent impedance mismatch between carbon nanotube and the macro world through which they are probed, we designed a proper structure to solve this mismatch. In our design we use tapered coplanar waveguide (TCPW) because of some properties of CPW such as: guidance of much higher frequencies compared to other planar structures and easy design and fabrication with feature sizes less than one micrometer.

    A gap in the central strip allows the CNTs to be aligned across for characterization and transmission measurements. Furthermore, the width of the strip is tapered down to achieve more reduction of mismatch. The impedance mismatch reduction is depicted.

    Keywords: Carbon nanotubes (CNTs), Carbon nanotube amplification, Boltzmann equation, Negative differential conductivity 

  • فهرست و منابع پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC

    فهرست:

    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 استفاده 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 فارسی به­انگلیسی.. 77

    واژه­نامه انگلیسی به­فارسی.. 79

    منبع:

     

    M. Dagher, N. Chamanara, D. Sounas, R. Martel, and C. Caloz, “Theoretical investigation of traveling- wave amplification in metallic carbon nanotubes biased by a dc field,” IEEE Trans. Nanotechnol. Vol. 11, pp. 463-471, 2012.

    http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=161

    B.G. Streetman and S. Banerjee, Solid state electronic devices, Prentice Hall, 2009.

    C. Kittle, Introduction to solid state physics, Wiley, 1996.

    E. Jodar, A.P. Garrido, and F. Rojas, “Bloch oscillations in carbon nanotubes,” J. Phys. Condens. Matter, Vol. 21, pp. 1-5, 2009.

    https://www.cst.com/Applications/Article/Ku-Band+Traveling+Wave+Tube.

    M. Shahinpoor and S. Hans-Jörg, Intelligent Materials, Royal Society of Chemistry, 2008.

    S.S. Abukari, K.W. Adu, S.Y. Mensah, N.G. Mensah, K.A. Dompreh, A.K. Twum, and M. Rabiu, “Amplification of terahertz radiation in carbon nanotubes,” Eur. Phys. J. B, Vol. 86, pp. 1-5, 2013.

    Z. Aksamija, Boltzmann transport equations for nanoscience applications, Report, Electrical and Computer Engineering Dept. University of Wisconsin-Madison, 2008.

    L. Esaki and R. Tsu, “Superlattice and negative differential conductivity in semiconductors,” IBM J. Research and Development, Vol. 14, pp. 61–65, 1970.

    P.J. Burke, “Luttinger liquid theory as a model of the gigahertz electrical properties of carbon nanotubes,” IEEE Trans. NanoTechnol. Vol. 1, pp. 129-145, 2002.

    Q. Liu, G. Luo, R. Qin, H. Li, X. Yan, C. Xu, L. Lai, J. Zhou, S. Hou, E. Wang, Z. Gao, and J. Lu, “Negative differential resistance in parallel single walled conductivity in carbon nanotubes,” Phys. Rev. Lett. Vol. 83, pp. 155442 (1-7), 2011.

    A.S. Maksimenko and G.Y. Slepyan, “Negative differential conductivity in carbon nanotubes,” Phys. Rev. Vol. 84, pp. 362-365, 2000.

    http://wcalc.sourceforge.net/cgi-bin/coplanar.cgi.

    G.W. Hanson, “Fundamental transmitting properties of carbon nanotube antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag. Vol. 53, pp. 3426-3435, 2005.



تحقیق در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, مقاله در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, پروپوزال در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, تز دکترا در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, پروژه درباره پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, گزارش سمینار در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC, رساله دکترا در مورد پایان نامه تحلیل و شبیه سازی تقویت امواج عبوری از نانو لوله های کربنی فلزی با بایاس DC

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس