عنوان پایان‌نامه
انتقال گرمای تابشی بین یک نانوذره و سطح Sic
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 55078
- تاریخ دفاع
- ۰۶ تیر ۱۳۹۱
- دانشجو
- حامد فارانی ثانی
- استاد راهنما
- میر فائز میری
- چکیده
- در این پایان نامه، ما به بررسی انتقال انرژی گرمایی بین یک نانوذره و نیم فضا، در رژیم میدان-نزدیک می-پردازیم. هدف ما بررسی اثر ناهمواری نیم¬فضا و شکل نانو ذره بر انتقال انرژی است. هنگامی که فاصله دو جسم کمتر از طول موج مشخصه گرمایی ?_T=c?/k_B T باشد، به سبب وجود امواج میرا و تونل زنی فوتون‌ها، انتقال انرژی میدان- نزدیک چند مرتبه بزرگی بیشتر از انتقال انرژی بین دو جسم سیاه است. همچنین حضور مدهای سطحی باعث افزایش چشم¬گیر میدان الکترومغناطیسی نزدیک جسم می¬شود. برای محاسبه میزان انتقال انرژی، میدان¬های الکتریکی و مغناطیسی ناشی از جریان¬های افت و خیز کننده در دی¬الکتریک را در تمام فضا محاسبه می¬کنیم. این محاسبه را می¬توان با استفاده از تابع گرین دیادیک به پیش برد. اگر سطح نیم¬فضا کاملا هموار باشد، تنها مدهای سطحی با قطبش p وجود دارند و مدهای سطحی با قطبش s برانگیخته نمی¬شوند. به عبارت دیگر تنها مدهای سطحی با قطبش p در انتقال انرژی بین سطح صاف و نانوذره نقش دارند. ناصافی سطح موجب برانگیختگی همزمان مدهای سطحی s و p می¬شود. بنابراین انتقال انرژی بین نیم فضا و نانو ذره افزایش پیدا می¬کند. هر سطحی در عمل ناصاف است. این دو نکته، اهمیت بررسی اثر ناهمواری بر انتقال انرژی را نشان می¬دهد. در اکثر مدل سازی¬ها سنسور گرمایی یا نوک آشکار ساز است که با یک نانو ذره کروی تقریب زده می¬شود. اما نوک این آشکارسازها شباهت بیشتری به بیضوی دارند. به همین دلیل ما به بررسی تاثیر شکل نانو ذره بر انتقال انرژی در رژیم میدان-نزدیک پرداختیم. اگر نانوذره و سطح از جنس SiC باشند که فونون پلاریتون سطحی را مجاز می¬دارد، میزان انتقال انرژی بین نیم فضا و نانو ذره بیضوی بیشتر از انتقال انرژی بین نیم فضا و نانو ذره کروی است. اگر نانو ذره و سطح از جنس طلا باشند که پلاسمون سطحی را مجاز می¬دارد، بسته به جهت قرارگیری نانو ذره بیضوی شکل، افزایش و یا کاهش انتقال انرژی نسبت به انتقال انرژی بین نیم¬فضا و نانو ذره کروی را مشاهده می¬کنیم. ما همچنین یک سطح ناصاف متناوب در نظر گرفتیم به طوری که در هر سلول واحد، یک قله گوسی شکل وجود داشته باشد. با محاسبه انتقال انرژی به صورت اختلالی بر حسب دامنه ناهمواری، تغییر انتقال انرژی چند درصدی نسبت به حالت مسطح را می-توان مشاهده کرد. تصحیح وابسته به ناهمواری انتقال انرژی را می¬توان به دو مولفه تقسیم نمود. سهمی از انتقال انرژی که به مکان نانو ذره وابسته است، و سهمی که مستقل از مکان نانو ذره است و صرفا به قله¬های ناهمواری¬ها از هم وابسته است. با تغییر پارامترها می¬توان انتقال انرژی را ماکزیمم کرد. کلید واژه: انتقال انرژی گرمایی ، امواج میرا ، جریان¬های افت و خیز کننده، فونون پلاریتون، پلاسمون سطحی.
- Abstract
- In this thesis we examine the thermal energy transfer between a nanoparticle and a half space, in the near field regime. Our goal is to evaluate the effect of half space roughness and the shape of nanoparticle on the energy transfer. When the distance between two objects is less than the thermal characteristic wavelength ?_T=c?/k_B T, due to the evanescence waves and tunneling photons, energy transfer in near-field is several orders of magnitude greater than the energy transfer between two black bodies. Moreover surface modes enhance electromagnetic field near the object. To evaluate the amount of energy transfer, we calculated electric and magnetic fields induced by fluctuating current in the dielectric. This calculation is performed by using the dyadic Green's function. If the surface is completely smooth surface modes with s polarization are not excited and only surface modes with p polarization exist. In other words, only the p polarized surface modes involve in energy transfer between the surface and the nanoparticle. Surface roughness causes exiting of surface modes with s and p polarization. Thus the energy transfer between the half space and nanoparticle increases. In practice every surface is rough. These two facts show the effects of the roughness on the energy transfer. In modeling the thermal sensor or the head of detector are approximated as a spherical nanoparticle. But the tips of the detectors are more like elliptical particles. Inspired by these facts, we discuss the effects of the nanoparticle shape on energy transfer in the near-field regime. If the nanoparticle and surface are made of SiC wich allow surface phonon-polariton modes, the amount of energy transfer between the half space and the elliptical nanoparticle is more than that of a spherical nanoparticle. If the nanoparticle and surface are made of gold that allow surface plasmons, we can observe increase or decrease in energy transfer, depending on the orientation of the elliptical nanoparticle. We also considered a periodic patterned surface such that there is a Gaussian bump in each unit cell. Calculating the energy transfer with perturbation technique in terms of the roughness amplitude, we observe a few percent change in the energy transfer in comparision to the flat surface. Roughness correction can be split into two terms. Part of the energy transfer depends on the location of the nanoparticle and the other terms which is independent of nanoparticle location and just depends on the peaks of roughneses. Energy transfer can be maximized with changing the parameters. KeyWords: Thermal energy transfer, Evanescence, Fluctuating current, Phonon-Polariton, Surface Plasmons
