متن کامل خبر


 
جلسه دفاع از پایان‏ نامه: مصطفی قربان‌زاده، گروه مهندسی الکترونیک

خلاصه خبر:

  • عنوان: کنترل میکرو و نانوذرات با استفاده از نیروهای نوری میدان‌نزدیک
  • ارائه‌کننده: مصطفی قربان‌زاده
  • استاد راهنما: دکتر محمدکاظم مروج‌ فرشی
  • استاد ناظر خارجی: دکتر سید شمس‌الدین مهاجرزاده (دانشگاه تهران) و دکتر سید نادر سید ریحانی (دانشگاه شریف)
  • استاد ناظر داخلی: دکتر وحید احمدی و دکتر رضا پورصالحی
  • استاد مشاور: دکتر سارا درباری
  • مکان: سالن جلسات دانشکده برق و کامپیوتر (710/6)
  • تاریخ: 1395/8/9
  • ساعت: 17

چکیده: هدف از این رساله طراحی و شبیه‌سازی افزاره‌هایی می‌باشد که با استفاده از میدان‌های محوشونده و پلاسمونهای سطحی، میکروذرات و نانوذرات فلزی و دی‌الکتریک را کنترل و آشکارسازی نمایند. در این تحقیق با استفاده از امواج پلاسمونی چهار سامانه را پیشنهاد داده و عملکرد آن‌ها را بررسی نموده‌ایم که به ترتیب در ذیل می‌آید: (i) سامانه پیشنهادی اول یک سامانه اپتوفورسیسِ مبتنی بر پلاسمون‌های سطحی می‌باشد که می‌تواند ذرات فلزی و یا دی‌الکتریک میکرومتری و نانومتری را به تله انداخته و به‌طور هم‌زمان در یک ساختار مایکروفلوئیدیک ساده شمارش و جداسازی نماید. اصول عملکرد این سامانه بر پایه مدولاسیون متفاوت نیروی نوری و توان انتقال‌یافته به آشکارساز توسط ذرات با خواص ذاتی متفاوت می‌باشد. در سامانه پیشنهادی کنترل ذرات بر پایه نیروهای نوری میدان نزدیک، اعمال‌شده توسط مدهای پلاسمونی نشتی، بر بستری از نوار طلا می‌باشد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که حداکثر حساسیت عمق پتانسیل به شعاع ذره به تله افتاده پلی‌استایرن/طلا برابر ~ 0/03 / 0/09 (kBT / nm) می‌باشد. همچنین حداکثر حساسیت توان انتقالی به تغییرات شعاع ذره پلی‌استایرن و طلا برای هردو ذره برابر ~0/01% بر نانومتر می‌باشد. علاوه‌براین نشان داده‌شده که تغییر اندک ±1% در ضریب شکست ذره دی‌الکتریک 250 نانومتری، به ترتیب منجر به ±0/26 kBT و ∓0/13% تغییر در عمق پتانسیل و توان انتقالی می‌شود. سامانه پیشنهادشده علاوه بر امکان پیاده‌سازی ساده و هزینه کم از توان مصرفی پایین سود برده و با توجه به سطح مقطع کوچک می‌تواند در افزاره‌های آزمایشگاه-روی-تراشه به‌طور یکپارچه به کار گرفته شود. این ویژگی‌ها پتانسیل امیدبخش این سامانه در کاربردهای زیستی بدون نیاز به برچسب‌گذاری را نشان می‌دهد. (ii) دومین سامانه پیشنهادی بر پایه دو پلاسمون سطحی متقابل می‌باشد که کارایی چندگانه‌ای را شامل به تله‌اندازی سه‌بعدی، کنترل دوجهتی، جداسازی کنترل‌شده و آشکارسازی درجا، موجب شده است. در این سامانه به تله‌اندازی، کنترل و جداسازی ذرات بر اساس موازنه دو نیروی پلاسمونی پراکنشیِ متقابل صورت پذیرفته است. علاوه بر این در این سامانه از رفتار عدسی‌گونه ذره و اثرات لبه نوار طلا بهره برده‌ایم تا آشکارسازی خواص ذاتی ذره (مشابه سامانه اول) و مانیتورینگ مکان ذره به‌صورت درجا را محقق سازیم. (iii) در سامانه سوم با استفاده از مزایای ساختار کرشمن-ریتر، یک سوئیچ نیروی پلاسمونی طراحی نموده‌ایم. این سامانه از یک پشته منشور/طلا/اکسید سیلیکون و یک صفحه گرافن کنترل‌شده با گیت تشکیل‌شده است. ما نشان داده‌ایم که با تغییر اندک ولتاژ گیت، نیروهای نوری اعمال‌شده به ذره هدف توسط پلاسمون‌های سطحی و متقابلاً سرعت ذرات می‌تواند سوئیچ شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با تغییر پتانسیل الکتروشیمیایی گرافن در محدوده اندک ~65 meV، معادل ~4/3 V، پلاسمون‌های سطحی گرافن می‌توانند با تحلیل پلاسمون‌های طلا نیروی پلاسمونی اعمال‌شده به ذرات هدف را با نسبت بیش‌تر ازON/OFF=20 خاموش نماید. نتایج شبیه‌سازی همچنین نشان می‌دهند که حداکثر حساسیت سرعت ذرات به پتانسیل الکتروشیمیایی گرافن ~1136 µm/eV-s می‌باشد. سوئیچ نیروی نوری پلاسمونی منفعل پیشنهادشده، در مقایسه با دو سامانه پیشنهادی فعال قبلی، فرصت‌های جدیدی را در توسعه افزاره‌های کنترل نوری روی تراشه با کارایی موازی چندگانه و توان مصرفی پایین ارائه می‌دهد. (iv) در سال‌های اخیر روزنه‌های ایجادشده توسط جفت نانوحفره (DNH) نَوردشده در لایه طلا، به‌طور وسیعی به‌منظور به تله‌اندازی و آشکارسازی نانوذرات مورداستفاده قرارگرفته است. با استفاده از شبیه‌سازی عددی نشان داده‌ایم که شکل مخروطی DNH، ایجادشده با پرتو یونی متمرکزشده، که مشخصه ذاتی فرایند ساخت می‌باشد، نقش مهمی را در قابلیت حسگری DNH داشته و در کاربردهای حسگری و به تله‌اندازی نانوذرات مؤثر می‌باشد. درواقع در سامانه چهارم، ساختاری گوه مانند به‌جای ساختار سابق استوانه‌ای پیشنهاد داده‌ایم که علاوه بر تسهیل فرایند ساخت مشخصه‌های به تله‌اندازی و آشکارسازی نانوذرات را بهبود می‌بخشد. در این ساختار شیب گوه مانند فلزی، در DNH طراحی‌شده، منجر به نانومتمرکزسازی دوبعدی پلاسمون‌های سطحی گپ (GSP) و جفت‌شدگی آن‌ها با پلاسمون-پولاریتون‌های گوه‌ای و درنهایت ایجاد نقاط داغ در مجاورت سطح پایینی فصل مشترک شیشه/طلا می‌شود. این نقاط داغ مشخصه کارآمدی در به تله‌اندازی و آشکارسازی ذرات دارند. تغییر توان انتقالی در حضور ذرات پلی‌استایرن به شعاع 11±1 نانومتر، به تله افتاده با استفاده از DNH طراحی‌شده، در طول‌موج نزدیک نوسان مد گوه‌ای به‌طور تجربی اندازه‌گیری شده که با نتایج تئوری انطباق قابل قبولی را دارد. همچنین حساسیت DNH مخروطی مورد بررسی به تغییرات شعاع ذره پیرامون r =10 nm برابر S ≡ δ(ΔT)/Δr≅1/74% nm−1 می‌باشد که در مقایسه با دو سامانه اول حداقل بیش از دو دهه بزرگ‌تر می‌باشد. معتقدیم که این مشاهدات حساسیت بالای ساختارهای به تله‌اندازی مبتنی بر روزنه را، به‌خصوص ساختار DNH، توجیه می‌نماید. این دستاورد می‌تواند مسیر جدیدی به‌منظور طراحی و بهینه‌سازی ساختارهای روزنه‌ای در کاربردهای تجاری به تله‌اندازی و حسگری ارائه نماید.

کلمات کلیدی: نیروهای نوری، کنترل نوری، پلاسمونهای سطحی، میکرو و نانوذرات، گرافن، آزمایشگاه-روی-تراشه، حسگر، اپتوفورسیس

11 آبان 1395 / تعداد نمایش : 700