Tunable Nanomaterials and their Applications for Terahertz Devices
Carbon Nanotubes and Silver Nanowires
Tid: Må 2021-06-07 kl 10.00
Plats: zoom link for online defense (English)
Respondent: Serguei Smirnov , Mikro- och nanosystemteknik
Opponent: Professor Hartmut Roskos, Goethe-Universität Frankfurt am Main
Handledare: Docent Dmitri Lioubtchenko, Mikro- och nanosystemteknik; Professor Joachim Oberhammer, Mikro- och nanosystemteknik
Abstract
Intresset för terahertz (THz) -teknologi ökar både i den akademiska världen och inom industrin. Design av elektroniska komponenter i THz-frekvenser är relevanta för applikationsområden som telekommunikation, radar, materialspektroskopi och medicinsk bildbehandling och diagnostik. Även om högpresterande THz-instrumentering blir mer tillgängligt finns systemen ofta inte utanför laboratoriemiljöer. Forskare har nyligen demonstrerat en plattform baserad på dielektriska vågledare (DRWs) som är lämplig för att integrera THz-elektronik. De elektromagnetiska vågorna sprids inuti en lågförlustdielektrisk struktur, ett koncept som liknar den optiska fibern. DRW har sett många framsteg för THz-elektronik på senare år. Plattformen saknar dock fortfarande väsentliga aktiva och passiva komponenter för att bygga kompletta system.
Denna avhandling undersöker olika sätt att integrera avstämbara nanomaterial till dielektriska vågledare för att designa nya terahertzenheter. Först undersöks rektangulära kisel-DRWs vid frekvenserna 75 GHz till 500 GHz. I synnerhet används elektromagnetiska simuleringar för att efterlikna gränssnittet mellan mätinstrumentet och de avsmalnande övergångarna till de ihåliga metalliska vågledarna. Dessutom utforskas sätt för att implementera fasväxlare och dämpare med hjäp av tunna lager av nanometrial som modelleras av en impedansyta i simuleringarna.
Sedan studeras även flera nanomaterial genom optisk spektrofotometri, Ramanspektroskopi och terahertztidsdomän- och frekvensdomänspektroskopi. Tunna lager av silvernanotrådar tillverkas med ökande densiteter, allt från enskilda nanotrådar till nanotrådsnät vid perkolationströskeln, till tjockare halvkontinuerliga lager. Denna teknik möjliggör tillverkning av optiskt transparenta prover med en avstämbar THz-konduktivitet. Dessutom undersöks tunna lager av enkelväggiga kolnanorör. Deras dielektriska egenskaper påvisas vara avstämbara med belysning, vilket även stöds av mätningar vid låga frekvenser och i terahertz-omfånget.
Slutligen designas, tillverkas och karakteriseras inställbara THz-enheter baserade på dielektriska vågledare. Tunna lager av kolnanorör integreras med DRW och används som ytimpedans för att ändra vågutbredningen i vågledaren. De presenterade fasskiftarna kan ställas in med hjälp av ljus med bredbandsoperationer vid sub-THz och potentiellt högre frekvenser, även ytterligare enhetsoptimeringar föreslås.