آموزش کامسول مدل سازی گرافن در الکترومغناطیسی فرکانس بالا
مدل سازی گرافن و سایر مواد دوبعدی به دلیل ویژگی‌های امیدوارکننده‌ای که دارند، کانون تحقیقات و علاقه‌های کاربردی بسیاری هستند. در این پست وبلاگ، ما قصد داریم از مثال یک جاذب کامل فرامواد THz مبتنی بر گرافن Graphene استفاده کنیم تا نحوه مدل‌سازی مواد دو بعدی را با دقت و کارآمد در الکترومغناطیسی با فرکانس بالا نشان دهیم. تکنیک‌های مورد بحث به همان اندازه برای مدل‌سازی لایه‌های نازک دیگر، مانند پوشش‌های روی دستگاه‌های نوری، کاربرد دارند.
شبیه سازی مدل
گرافن ماده ای است که تنها از یک لایه اتم کربن تشکیل شده است که در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته اند. فیزیکدانان مدتهاست که وجود ماده ای با یک لایه اتمی را فرض کرده اند. دهه‌ها پیش، عموماً این باور وجود داشت که موادی مانند گرافن به دلیل ناپایداری ترمودینامیکی نمی‌توانند در طبیعت وجود داشته باشند. در سال 2004، تیمی از فیزیکدانان به رهبری کنستانتین نووسلوف و آندره گیم از دانشگاه منچستر برای اولین بار وجود گرافن را به صورت تجربی نشان دادند.
این ماده در سطح جهانی توسط فیزیکدانان، دانشمندان علم مواد و مهندسان مورد مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این، مواد تک لایه بیشتر و بیشتری مانند نیترید بور شش ضلعی، فسفر سیاه، دی سولفید تنگستن و غیره به طور مداوم در طول سال ها کشف شده اند. امروزه، تقاضا برای دستگاه‌هایی که حاوی این مواد دو بعدی هستند همچنان در حال افزایش است، از این رو نیاز به مدل‌سازی چندفیزیکی این مواد وجود دارد.
در اینجا، ما قصد داریم روش‌های مختلفی را برای مدل‌سازی مواد بسیار نازک مانند گرافن در الکترومغناطیسی با فرکانس بالا مورد بحث قرار دهیم. اگر به مدل‌سازی دستگاه‌های اپتوالکترونیک یا فوتونیک با مواد دو بعدی یا سایر لایه‌های نازک علاقه دارید، احتمالاً از تکنیک‌های مورد بحث در زیر سود خواهید برد.
آموزش comsol رسانایی نوری گرافن
به دلیل پراکندگی خطی انرژی-ممنتوم، الکترون‌ها در گرافن طوری رفتار می‌کنند که انگار جرم ندارند، که منجر به خواص نوری و الکترونیکی بسیار منحصربه‌فردی می‌شود. پاسخ الکترومغناطیسی یک لایه گرافن را می توان با رسانایی سطحی دوبعدی آن مشخص کرد. هر دو انتقال الکترونیکی درون باند و بین باند به رسانایی کل کمک می کنند.
در ساختار جاذب که در زیر نشان داده شده است، یک الگوی تور ماهی ساخته شده از دو لایه گرافن در پس زمینه پلیمری تعبیه شده است. یک صفحه زمین فلزی در پایین قرار داده شده است تا به عنوان یک بازتابنده عمل کند. سطح زمین و گرافن به طور موثر تشدید کننده فابری-پروت را تشکیل می دهند. به راحتی می توان متوجه شد که سلول واحد دارای دو تقارن آینه ای است. بنابراین، ترکیبی از شرایط مرزی رسانای الکتریکی کامل و رسانای مغناطیسی کامل را می توان به عنوان صفحات متقارن استفاده کرد به طوری که تنها یک چهارم سلول واحد نیاز به مدل سازی دارد. این زمانی قابل اعمال است که ما بروز طبیعی تابش THz را در نظر بگیریم، که در این مدل وجود دارد.
به‌طور پیش‌فرض، شرط مرزی انتقال، انتشار عادی در لایه نازک را فرض می‌کند، که در مدل ما انجام می‌شود، در حالی که هنوز فرض می‌کنیم که لایه دارای ضخامت محدود است. ضخامت (موثر) گرافن را می توان روی هر مقدار دلخواه کوچکی مانند 1 نانومتر تنظیم کرد، تا زمانی که رسانایی سه بعدی به نسبت . از آنجایی که در این مدل خاص دو لایه گرافن وجود دارد، ما رسانایی سه بعدی را به عنوان ضخامت در تنظیمات شرط مرزی انتقالی محاسبه می کنیم (لطفاً مدل مرتبط را که در انتهای این پست وبلاگ پیوند داده شده است، برای جزئیات ببینید). به عنوان یک نکته جانبی، تفاوت متمایز بین دو لایه گرافن مجزا که نزدیک به هم قرار گرفته اند و یک گرافن دولایه وجود دارد. هنگامی که دو گرافن مجزا، لایه هایی نزدیک به هم قرار می گیرند (مانند این مدل)، رسانایی هر لایه بدون تغییر است. از سوی دیگر، گرافن دولایه دو لایه گرافن است که توسط نیروی واندروالسی محدود شده‌اند. این مرزبندی می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی ویژگی‌های گرافن را بسته به عوامل بسیاری، مانند ترتیب روی هم چیدن، زاویه پیچش و غیره تغییر دهد. یعنی هنگام مدل‌سازی گرافن دولایه یا گرافن سه‌لایه، رسانایی باید متفاوت محاسبه شود.
آموزش کامسول مدل سازی گرافن
تکنیک‌هایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، بر مدل‌سازی گرافن با استفاده از شرایط مرزی خاص تمرکز می‌کنند و از مدل‌سازی صریح لایه گرافن با حجم سه‌بعدی اجتناب می‌کنند. به این ترتیب سرعت شبیه سازی و استفاده از رم تا حد زیادی بهبود می یابد. در اصل، ما می توانیم گرافن را به صورت سه بعدی نیز مدل سازی کنیم. برای واقعی‌تر ساختن آن تا حد ممکن، یک گزینه مدل‌سازی گرافن به‌عنوان یک دال سه‌بعدی با ضخامت 0.34 نانومتر است. با این حال، در این مدل خاص، ما با تابش THz سروکار داریم، که در آن طول موج در حد 100 میکرومتر است. تا زمانی که ضخامت گرافن بسیار کوچکتر از طول موج باشد، تفاوت عملی از نظر پاسخ نوری آن ایجاد نمی کند. باز هم، با توجه به این که رسانایی سه بعدی با ضخامت موثر به طور مناسب مقیاس بندی شده است. برای نشان دادن، ما از ضخامت موثر 100 نانومتر در شبیه سازی خود استفاده کردیم (نتایج را می توان در نمودار پراکندگی زیر مشاهده کرد). می‌توانیم ببینیم که حتی اگر از یک ضخامت به ظاهر غیر واقعی استفاده کنیم. همچنین میتوانید برای آموزش کامسول آنلاین اقدام بفرمایید.
نتیجه هنوز هم عمدتاً با مقدار صحیح یکسان است. توانایی استفاده از ضخامت موثر بزرگتر مطلوب است زیرا به تولید مش کمک می کند و از بیش از حد مش بندی جلوگیری می کند. با این حال، نیاز به زمان CPU و RAM هنوز به طور قابل توجهی بیشتر از روش های قبلی است.
