مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده

معیار سنجش سلول خورشیدی چند پیوندی تطبیق شدۀ شبکه ای (QD) کوانتوم نقطه ای (MJSCs)، متشکل از InGap/ (In) Ge /GaAS یا InAS /GaASQDS می شوند که تحت روشنایی تمرکز بالا، با یک تمرکز بر دینامیک های حامل در لایه های QD زیر پیل میانه مورد بررسی قرار می گیرند. یک رویکرد رسانه ای مؤثر، برای توصیف تولید و ترکیب مجدد در سیستم QD مورد استفاده قرار می گیرد، که مشتمل بر فرار و تیراندازی حامل به واسطه حالت های QD و دیوارۀ کوانتومی محدود می باشد. در یک تمرکز 1000 خورشید، شبیه سازی ها نشان می دهد که QD MJSC ویژۀ بررسی شده، نسبت به MJSC استاندارد تا %1/1در بازدهی نسبی عملیاتی در دمای ℃25 بهتر می باشد. اگرچه، این بازدهی بدست آمده عمدتاً به پتانسیل های لایه مرطوب سازی و به همان صورت عدم انطباق جریان موجود بین زیر پیل های میانه و بالا وابسته می باشد، هنگامی که نسبتهای فرار در بین حدود لایه مرطوب سازی کاهش پیدا می کند.
کلمات کلیدی- دینامیک های حامل، فوتو ولتایی های متمرکز کننده، پیل های خورشیدی چند پیوندی (MJSCs)، کوانتوم نقطه ای (QDS)، نیمه رساناهای – V- III.
مقدمه
تحقیق موجود در ارائه سیستم های فوتو ولتایی نسل جدید با بازدهی هایی که به 50% می رسد، در انطباق با فوتو ولتایی های متمرکز شده برای تمرکز نور خورشید در بین نواحی قطعه کوچکتر می باشد. این امکان کاهش در هزینه های تولید و رشد در ارتباط با پیل های خورشیدی چند پیوندی V- III را فراهم آورد و همچنین بازدهی دستگاه را به دلیل تأثیرات تمرکزی افزایش می دهد. فناوری موجود پیل های خورشیدی با پیوند سه تایی، برای مثال دستگاه تطبیقی شبکه ای متشکل از Ino,49Ge 0. 51 Pin0 Geo, 99 Es, Ge، در حال حاضر قادر به رسیدن بازدهی بیشتر از 40% در تمرکزات 400 خورشید می باشند. اگرچه، این طراحی MJSC قادر به استخراج ترکیب ایده آلی از شکاف های نواری نیست، از آنجایی که زیر پیل Ge، جریان نوری را به اندازۀ 60% در مقایسه با دو زیر پیل بالا، بیش از حد تولید می کند. جریان نوری اضافی به صورت گرما پخش می شود، که این کاهش در برخی عملکردها منجر می شود.
یک طراحی پیشنهادی برای معماری این دستگاه با بهره گیری از رشد خود همگذاری ساختارهای ناهمگون نیمه رسانای ابعاد پایین برای مثال کوانتوم نقطه ای InAS (QDs) در یک لایه مرطوب سازی InAS (WL) در بین زیر پیل InGaAs بدست می آید. تأثیرات محدودیت ابعادی صفر در این ساختارهای نانو به منظور ایجاد انتقال های انرژی باز تولیدپذیر و کنترل شده با همپوشی کارکرد موجی قوی نشان داده شده است. به عنوان یک نتیجه گیری، این ساختارهای نانو می توانند برای مهار انرژی های فوتون زیر شکاف نواری مواد انبوه، به سایزمهندسی شده باشند، که این به توزیع مجدد جریان از پایین زیر پیل Ge تا میانه زیر پیل منجر می شود.
در ترکیب با یک شکاف نواری زیر پیل بالای بهینه شده با استفاده از تأثیرات ترتیبی زیر شبکه در InGap، چگالی جریان مدار کوتاه (Isc) کل قطع را می توان تحت روشنایی خورشیدی -1 افزایش داد. این راهبرد را می توان به طور بلقوه برای افزایش بازدهی کلی قطعه، بسته به افت در ولتاژ مدار باز (Voc) و فاکتور کامل (FE) استنتاج کرد،که این ساختارهای شکاف نواری پایین تر را در زیر پیل میانه معرفی می کند. رسیدن به ولتاژ مدار باز 1-V نزدیک برای یک پیل خورشیدی GaAS تک پیوندی مشتمل بر InAS/GaASQDS، اخیراً در ادبیات [8] نشان داده شده و یک کار برجسته و امیدوار کننده برای کاربردهای MJSC می باشد.
به منظور رسیدن به یک بهبود کلی در عملکرد، اگرچه، دینامیک های حامل نزدیک این ساختارهای ناهمگون نیمه رسانای ابعاد پایین، باید با جزئیات بیشتر ارائه شود، از آنجایی که این بر نسبتهای ترکیبی اثر می گذارد که ذاتاً Voc و FF و بنابراین بازدهی (η) را نشان می دهند. علاوه بر این، این تأثیرات باید همچنین در تمرکزی بررسی شوند که در آنجا رقابت بین نسبتهای باز ترکیب رادیااکتیو و غیر رادیااکتیو عملکرد کلی پیل را نشان می دهد. در این مقاله، ما تحقیقی را در مورد تأثیرات دینامیک های حامل در سیستم InAS/InGaAS QA در عملکرد کلی یک InGap/ InGaAS/Ge MJSC ارائه می کنیم.
این تحقیق، فعالیت پیشین ما را در ایجاد مدل عددی یک QD MJSC مطرح می کند، که بر تولید و باز ترکیب در لایه های QD متمرکز می باشد. ما نخست، پیش از اینکه بحث کنیم که چگونه با دینامیک های حامل در محیط مدل سازی عددی برخورد می شود، طرح کلی خلاصه ای از مدل را ارائه می کنیم. این مدل با استفاده از Sentaurus نوع TCAD و VG-2012-06 به واسطه Synopsys ایجاد می شود، جایی که معادلات انتقال به واسطه روش های عنصر محدود و تفاضل متناهی Device Sentaurus ارائه می شوند. عملکردQD MJSC بنابراین تحت شرایط آزمایشی استاندارد شبیه سازی می شود، پیش از آنکه عملکرد در سراسر روشنایی متمرکز مورد بررسی قرار گیرد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

The key performance metrics of quantum-dot (QD)- lattice-matched multijunction solar cells (MJSCs) composed of InGaP/(In)GaAs/Ge with InAs/GaAs QDs are explored under highconcentration illumination with a focus on the carrier dynamics in the QD layers of the middle subcell. An effective medium approach is used to describe generation and recombination in the QD system, including carrier escape and capture from the weakly con- fining quantum well and the QD states. At a concentration of 1000 suns, simulations indicate that the specific QD MJSC studied outperforms a standard MJSC by 1.1% in relative efficiency operating at 25 °C. However, this gain in efficiency is highly dependent on the confinement potentials of the wetting layer, as well as the resulting current mismatch between the top and middle subcells when carrier escape rates from within the wetting layer confinements are reduced.

THE current research avenue in developing next-generation photovoltaic devices with efficiencies reaching 50% is aligned toward concentrated photovoltaics to focus sunlight onto smaller device areas. This allows for a reduction in the growth and manufacturing costs associated with III–V multijunction solar cells (MJSCs), and also increases device efficiency due to the effects of concentration. The current state-of-the-art triplejunction solar cells, such as the lattice matched device composed of In0.49Ga0.51P/In0.01Ga0.99As/Ge, are currently capable of achieving greater than 40% efficiency at concentrations of 400 suns [1]. However, this MJSC design does not exploit the ideal combination of bandgaps, since the Ge subcell overproduces photocurrent by as much as 60% compared with the top two subcells. The excess photocurrent is dissipated as heat, which results in some performance degradation. An alternative design to this device architecture is obtained by exploiting the self-assembled growth of low-dimensional semiconductor heterostructures such as InAs quantum dots (QDs) on an InAs wetting layer (WL) within the InGaAs subcell. The zero-dimensional confinement effects in these nanostructures have been shown to produce controlled and reproducible energy transitions [2] with strong wave function overlap [3]. As a result, these nanostructures can be size engineered to harness photon energies below the bandgap of the bulk material, which leads to a redistribution of current from the bottom Ge subcell to the middle subcell [4], [5]. Combined with an optimized top subcell bandgap using sublattice ordering effects in InGaP [6], the short-circuit current density (Jsc ) of the full device can be increased under 1-sun illumination [4], [7]. This strategy can potentially be exploited to increase the overall device efficiency depending on the drop in the open-circuit voltage (Voc ) and fill factor (FF) arising from introducing lower bandgap structures in the middle subcell. Achieving near 1-V open-circuit voltage for a single-junction GaAs solar cell containing InAs/GaAs QD has been recently shown in the literature [8] and is a very promising feat for MJSC applications. In order to achieve an overall boost in the performance, however, the carrier dynamics near these low-dimensional semiconductor heterostructures must be understood in greater detail since these affect recombination rates that inherently dictate the Voc and FF, and therefore, the overall efficiency (η). Additionally, these effects must also be studied over concentration where the competition between radiative and nonradiative recombination rates impacts the cell’s overall performance. In this paper, we present a study on the effects of carrier dynamics in the InAs/InGaAs QD system on the overall performance of an InGaP/InGaAs/Ge MJSC. This study builds on our previous work in developing a numerical model of a QD MJSC, which focused on the generation and recombination in the QD layers [4]. We first give a brief outline of the model before discussing how the carrier dynamics are treated in the numerical modeling environment. This model is created using version vG-2012.06 of TCAD Sentaurus by Synopsys, where the transport equations are handled by Sentaurus Device’s finite difference and finite-element methods. The performance of the QD MJSC is then simulated under standard testing conditions (1 kW/m2, AM1.5D spectrum at 300 K) before the performance over concentrated illumination is explored.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

3. نرخ پراکندگی غیر خطی
توصیف دینامیک لیزرهای نقطه کوانتوم در InAs/GaAs نیاز به گنجاندن تعامل بین حالت های گسسته در نقاط کوانتوم محلی و حالت های الکترون ها و حفره های پیوسته در بالاترین سطح انرژی به همراه لایه خمیری دارد. از آنجا که علاقه مند در تحقیقات رژیم لیزر هستیم، برای مثال تراکم حامل لایه خمیری خیلی بالا می باشد، دینامیک جذب شده توسط ساختار لایه خمیری-نقطه کوانتوم زیر نظر قانون پراکندگی غیر محلی کولون می باشد [24، 32-28].
میزان پراکندگی کولون برای الکترون و حفره جذب شده از لایه خمیری به نقطه کوانتوم و بالعکس بصورت میکروسکوپی همانند تابع تراکم لایه خمیری الکترون و حفره we و wh محاسبه می شود. سهم کولون بصورت مرتبه دوم درنظر گرفته می شود [33،34].

شکل 1a و 1b طرح نقطه کوانتومی-لایه خمیری را نشان می دهد که شامل فرایند ذوب الکترون ها و حفره ها می-باشد [25]. پایستگی انرژی نیازمند آن است که اگر یک الکترون از لایه خمیری به نقطه کوانتوم رسید، به دنبال آن یک پراکندگی الکترون ( سمت چپ شکل 1a) و یا یک حفره ( سمت راست شکل 1a) در داخل لایه خمیری به سطح انرژی بالاتری برسد. این نتایج منجر به جذب الکترون از دو طریق می شود: یک الکترون-الکترون خالص و فرایند ترکیبی الکترون-حفره. دینامیک جذب حفره ها همانند شکل 1b است.
نرخ پراکندگی برای فرایند جذب ترکیبی ( الکترون-حفره، سمت راست شکل 1a) بستگی به تراکم حامل لایه خمیری we و wh دارد. برای کاهش زمان محاسبات فرض می شود که we و wh دینامیک یکسانی دارند [23]. سپس ما می‌توانیم فرض کنیم که می باشد که gc یک مقدار برای برقراری رابطه بین we و wh است[23]. شکل 1c اهمیت فرایند ترکیبی برای پراکندگی داخلی الکترون را نشان می دهد. مقدار ماکزیمم را در یک دجه بالاتر از تراکم حامل لایه خمیری را نشان می دهد. بعدی می تواند به پراکندگی خالص الکترون-الکترون نسبت داده شود که پراکندگی مخلوط منجر به حداکثر انتظار از می شود. این به خاطر تراکم بالای حفره در لایه خمیری wh است که مسئول افزایش سریعتر احتمال پراکندگی حفره در لایه خمیری می باشد. برای دینامیک پراکندگی داخلی حفره ها، شرکت در فرایند ترکیبی بسیار کمتر می شود، شکل 1d. برای فرایند پراکندگی خارجی، سهم ترکیبی تاثیر بیشتر و بزرگتری در ارتفاع نرخ پراکندگی دارد، اما در شکل کیفی نقش کمتری دارد.
شکل 2 نرخ پراکندگی کولون برای فرایند جذب حفره و الکترون به عنوان یک تابع از متبوع تراکم حفره و الکتون در لایه خمیری با رنج gcهای مختلف را نشان می دهد. برای wbهای کوچک، نرخ پراکندگی داخلی و خارجی با افزایش تراکم حامل ها افزایش می یابند، از آنجا که شرکای پراکندگی بیشتری موجود است. با توجه به اصل طرد پائولی، احتمال برای پراکندگی خارجی در تراکم لایه خمیری بالا کاهش می یابد. در نتیجه نرخ پراکندگی خارجی نقطه ماکزیمم تیزی (شکل 2 سمت راست) به سبب جرم موثر بزرگتر جمعیت لایه خمیری با فرایند حفره-های آرام تر از الکترون دارد. بنابراین، اثر اصل طرد پائولی باعث می شود که الکترون سریعتر تاثیر بگذارد که منجر به کاهش سریعتر می شود. نرخ پراکندگی داخلی متناسب با دو حالت لایه خمیری می باشد (رابطه 8 ). از این رو آن ها در تراکم حامل بالای لایه خمیری که پراکندگی خارجی به علت اصل پائولی مسدود شده است، به عنوان گروه غالب و برتر می باشد ( ستون سمت چپ شکل 2 را ببینید). به سبب جمعیت بیشتر الکترون سریعتر از افزایش می یابد. در wb خیلی بالا، حتی پراکندگی داخلی نیز کاهش می یابد، زیرا حالت های لایه خمیری به سطحی رسیده اند که احتمال فرایند پراکندگی آن کاهش می یابد ( فلش های قرمز در شکل 1a و1b). در شکل 2 نرخ های پراکندگی برای نسبت های مختلف بین we و wh رسم شده است تا تاثیر ضریب gc را نشان دهد. همانطور که از بحث بالا انتظار می رفت، شدیدترین تغییر در زمانی ظاهر می شود که بیشترین مشارکت فرایندهای ترکیبی اتفاق می افتد. برای شبیه سازی ارائه شده در بخش 4، gc به طور خود تنظیم برای هر پارامتر تعیین می گردد. بعد از شبیه مقدار نهایی gc با مقدار اولیه فرض شده مقایسه می شود و پس از آن دوباره تنظیم می شود تا به یک مقدار همگرای نهایی برسد. توجه داشته باشید که gc هم چنان تابعی از جریان پمپ است.

برای یک مقایسه بهتر با مدل ساده شده ، شخص می تواند میزان پراکندگی عددی را با برازش منحنی مورد ارزیابی قرار دهد؛ ضمیمه را ببینید. این توابع ممکن است مفید باشد. به عنوان مثال برای تجزیه و تحلیل سیگنال کوچک تقریبی که در آن ماتریس ژاکوبین، معادلات سرعت در حالت پایدار است مورد نیاز است. با این حال در بخش های زیر ما باید از نرخ پراکندگی کامل غیر خطی که به صورت عددی محاسبه شده استفاده کنیم.

4. روشن کردن مشخصات
به منظور بحث بر روی نتایج شبیه سازی ها، ما تحول زمانی تراکم فوتون شبیه سازی شده nph با داده های تجربی از لیزر نقطه کوانتوم ، همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است، مقایسه می کنیم. خروجی لیزر اندازه گیری شده را برای جریان های مختلف پمپ j شرح می دهد ( مقدار واحد آستانه هدایت لیزر) که از مشخصات ورودی خروجی حالت دائمی شبیه سازی شده محاسبه شده است( شکل 4 ). جریان پالس تزریقی با دوره تناوب 5 نانو ثانیه در لحظع صفر کلید می خورد. نتایج شبیه سازی در شکل 3b نشان داده شده است. برای شبیه سازی جریان پالس به همراه و استفاده شده است. بازده فلت و فرمول افت و خیز 100ps می باشد ( شکل 5a). پارامترها در جدول 1 خلاصه شده است. برای جریان پمپ ، منحنی های تجربی و شبیه سازی شده در شکل 3b کشیده شده است. تا تناسب خوب آن ها را نشان دهد.

یکی از ویژگی های مشخصه لیزرهای نقطه کوانتوم، میرایی شدید نوسانات ضعیفی که فقط یکبار در پهنای باند کامل در مدت زمان در پیک قرار می گیرد. همچنین زمان تاخیر روشن شدن برای کارایی لیزر بسیار مهم است . به عنوان مثال، زمان مورد نیاز برای رسیدن به آستانه لیزر. فرکانس نوسانات ضعیف نیز fRO به اندازه پاسخ مدوله شده سیگنال بزرگ لیزر حیاتی است. شبیه سازی انجام شده با تمامی نتایج تجربی برای تمامی کمیت هایی که بیان شده، دارای تناسب خوبی است ( شکل6). این شکل به طور جداگانه کمیت های fRO، و را به صورت تجربی و تئوری از داده های شکل 3 در یک بازه متغیر از جریان پمپ با هم مقایسه می کند. توجه داشته باشید که j واحدی از jth می باشد. برای تمامی جریان های پمپ، فرکانس نوسانات خفیف محاسبه شده تناسب خوبی با نمونه تجربی آن داشت ( شکل 6a) که یک رفتار تقریبا دقیق و یکسانی را نشان می دهد. این امر به طرز چشمگیری نتایج قبلی ما را بهبود می‌بخشد [23،24] که تقریبا دو برابر این مقدار fRO محاسبه شده بود. دلیل آن دقت بیشتر ما درخصوص فرایند اوگر ترکیب (e و h) می باشد. تاخیر در روشن کردن و پهنای پیک اول نوسانات ضعیف محاسبه شده نیز تناسب خوبی با نتایج تجربی داشته اند ( شکل 6b و 6c ). شبیه سازی یک مشخصه خطی را در نمودار لگاریتمی دوتایی ( شکل 6d) ا همانطور که ا مدل معادله درجه اول لیزرهای نقطه کوانتومی نیمه هادی انتظار می رود را نمایش می دهد [13].
درواقع با یک تقریب مشابه این رفتار می تواند برای لیزر نقطه کوانتومی خودمان استخراج شود: چشم پوشی از دو ترکیب خود به خودی و القایی در معادله 1 و3 در طول فرایند پمپاژ گذرا برای j که کاملا از آستانه دور می باشد، و مشاهده انتقال سریع الکترون از سطوح نقطه کوانتوم به خاطر پراکندگی قوی الکترون-الکترون ( )، معادله 1 ( ) که می تواند با آستانه تراکم الکترون nth جمع شود و را به ما بدهد. به هر حال داده_های تجربی، انحراف را در جریان پمپ های خیلی زیاد و خیلی کم نمایش می دهد.
درحالیکه نرخ های پراکندگی بصورت میکروسکوپی محاسبه می شوند، بعضی از پارامترها با توجه به شرایط تجربی می‌توانند انتخاب شوند که عبارت اند از ، ، و . در حالت عملکرد میرایی شدید، زمان تاخیر اساسا از طریق جریان پمپ و ضریب انیشتین W ( که شامل فرایندهای انتشا خودبه خودی و القایی می باشد) محاسبه می شود. (از طریق پارامترهای جدول 1 محاسبه شده است) تناسب خوبی با مقدار تجربی دارد. برای Wهای بزرگتر، زمان تاخیر در حالت میرایی شدید، مقدار خیلی کوچکی را دارد و بالعکس. ضریب نوری می تواند با تغییر تعداد لایه های کوانتومی aL تغییر کند. دریافتیم که نتایج شبیه سازی اگر همواره ضرب بین و تراکم نقطه کوانتومی همانند سایر متغیرها به جز ثابت باشد، تغییر نمی کند. استفاده از 15 لایه نقطه کوانتومی به همراه محیط ، و ، مشاهده می کنیم که می شود که بهترین تناسب را با فرکانس نوسانات خفیف دارد. این مقدار در مقدار مشابه آن که در عمل انجام شده است کوچکتر می باشد ( ). توضیح این عدم برابری شاید می تواند این باشد که همه نقاط کوانتومی در رزونانس در طول فرایند لیزری به دلیل تغییر سایز نقاط کوانتومی شرکت نمی کنند و درواقغ وجود ندارند. . ضریب انتشار خودبه خودی ، میرایی فرایند روشن شدن را کنترل می کند. از یک سو اگر کوچک باشد، پیک قله بزرگ خواهد بود و با افزایش کاهش خواهد یافت. از سوی دیگر اگر خیلی بزرگ باشد، فقط یک برآمدگی پله مانند مربوط به لحظه روشن شدن پیدا خواهد شد. علاوه براین تغییر در ، سبب تغییر کوچک در تاخیر زمانی می شود. در اینجا انتخاب می کنیم.

5. میرایی ضعیف درمقابل میرایی قوی
برای الکترون ها در نقاط کوانتومی، رقابتی بین ترکیب مجدد تابشی و برخوردهای پراکندگی غیرتابشی وجود دارد. برای ترکیب مجدد تابشی قوی تر، فرایندهای پراکندگی الکترون-الکترون اهمیت خود را از دست می دهند . بنابراین میرایی های شدید نوسانات ضعیف از بین می روند. یک پارامتر که نسبت هر دو فرایند را تحت تاثیر قرار می دهد، ضریب محدودیت نوری است که یک مقیاس مهم برای فرایندهای تابشی می باشد. افزایش دینامیک را کاملا تغییر می‌دهد و همانطور که در پایین نمایش داده شده است، میرایی ضعیف نوسانات خفیف را به دنبال دارد.
در این بخش با تغییر نشان می دهیم، برای مثال با تغییر تعداد لایه های نقطه کوانتوم aL، می توان انتقال بین دو نوع مختلف از عملکرد لیزر را انجام داد. در یکسو، میرایی شدید دینامیک روشن کردن همانطور که در نمونه تجربی ارائه داده شده قابل مشاهده است و در سوی دیگر میرایی آرام نوسانات خفیف به همراه تراکم الکترون های مدوله شده نزدیک به اشباع وارونگی، همانطور که در لیزرهای تزریقی نیمه هادی های معمولی یافت می شود. در حالت اول، تنظیم یکی از پارامترها برای بحث های بالا مشخص است، درصورتی که پارامتر دیگر که محدودیت نوری می باشد به آرامی افزایش می‌یابد . یک فاز تصویر از دینامیک باهم روشن شدن برای حالت دائم (نقاط ثابت) برای جریان های پمپ متفاوت در فضای دو بعدی که ( nph و ne) در شکل 7 کشیده شده است، برای هردو پارامتر تنظیم شده است. شکل اصلی حالت دائمی انتشار لیزر را برای جریان های پمپ از طریق سمبل مشخص می کند. نقطه های مشکی مربوط به ( میرایی شدید) است درحالیکه ستاره های آبی مربوط به (میرایی ضعیف) می باشد. یک تفاوت بین دو منحنی، تراکم بیشتر الکترون در حالت دائم برای حالت میرایی شدید می باشد. در اینجا تقریبا تمامی نقاط کوانتومی با یک الکترون های پیشرو به یک تراکم الکترونی پایدار شده است . همچنین مشاهده می شود که تراکم الکترون های ماندگار با افزایش جریان پمپ که با کاهش وارونگی اشباع نمایان می‌شوند، بصورت آرام کاهش پیدا می کند. از طرفی دیگر، برای ، همانند لیزرهای معمولی ، با افزایش j تقریبا ثابت می ماند.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

3. آنتن خود مشابه
با تعمیم آنتن دو میدان نامتقارن به میدان‌های متعدد ما می‌توانیم به یک آنتن خود مشابه برسیم، Li و همکاران. درحال‌حاضر یک آرایش خود مشابه از میدان برای افزایش و بومی‌سازی میدان نوری پیشنهاد کرده‌اند. آنتن خود مشابه را می‌توان با توجه به رابطه‌ی زیر ساخت: که در آن k ثابت پوسته پوسته شدن و r_1 وr_0 شعاع دو کره مجاور هستند. طراحی Li و همکارانش از یک پارامتر هم‌پوشانی مثبت d استفاده می‌کند، درحالی‌که در طراحی ما پارامتر d منفی است. اثر ضرب را می‌توان برای لنز خود مشابه نیز مشاهده کرد: هر یک از میدان‌ها توسط میدان مجاور خود تحت تأثیر قرار می‌گیرد. برای تقریب اول، نفوذ میدان‌های کوچک‌تر بر روی کره بزرگ‌تر بعدی را می‌توان نادیده گرفت (k کوچک‌تر، تقریب بهتری است). میدان الکتریکی برای میدان کوچک مجموع میدان‎های موج الکترومغناطیسی است.
به دلیل اثر میله رعد و برق، به نظر می‏رسد که بالاترین پیشرفت در کوچک‌ترین شعاع به دست آمده است. با این حال، برای یک کره با اندازه نسبتاً بزرگ، داشتن جفت بسیار حائز اهمیت است (شکل 1). ما بهترین رفتار را در حالت 0.7 یافتیم. بنابراین، حوزه فرضی ما از بزرگ‌ترین به کوچک‌ترین کره است.
Hafner et al 12 و Esteban et al 13، یک آنتن نوری به شکل یک ذره مخروطی ارائه نمودند که در شکل 4 نشان داده‌شده است. این آنتن مشابه با آنتن نشان داده‌شده در شکل 2 هست که فقط شکاف‎های آن برداشته شده است. ما دو آنتن و حداکثر افزایش میدان الکتریکی را تا 135 برای آنتن مخروطی و 1180-270 برای آنتن خود مشابه در نظر گرفته‏ایم. ظاهراً به وسیله افزودن شکاف به آنتن مخروطی بتوان میزان شدت الکتریکی را افزایش داد، اما این مورد برای موجب هزینه‏های اضافی می‏گردد (به متن بالا مراجعه کنید). این آنتن‏ها دارای شکاف‎های منحصر به فردی هستند. این شکاف‏ها نیز برای به دست آوردن ارزشی مطلق و قابلیت اعتماد بالا می‏باشند. وضوح تصاویر در میدان‏های به دست آمده در طی آزمایش‌ها بسیار بالا بود. ما ساختار ابزارهای نرم‏افزاری را با روش‏های مختلف بررسی کرده و نقاط نفوذ را به آسانی کشف کردیم. روش‏های مختلفی برای انجام این کار وجود دارند که درعین‌حال که دشوار هستند، برای تعیین دقیق افزایش زمینه کارایی فراوانی دارند.
برای آنتن‏هایی که در شکل 2 نشان داده‌شده است، طول موج رزونانس برابر است با RES=708 نانومتر. در حالی که طول موج رزونانس ذرات مخروطی آنتن دارای مقدار بیشتری هستند. در حدود RES=610 نانومتر. طول موج رزونانس دارای قابلیت طولانی مدت است که ذرات مخروطی را می‌توان به راحتی در آن نمایش داد. رزونانس دیگر، طول موج آنتن خود مشابه برای ایجاد شکاف بین مسیر از بالا تا پایین است (apex). تقسیم عددی بر مضرب مرتبه بالا تأثیر جزئی در شرایط تشدید و انتقال رزونانس دارد.

4. گوی‏های حفاظت شده توسط پوشش طلایی Silver
در شبه استاتیک، محاسبه روزنانس پلاسمون ذرات کروی به سادگی توسط تعیین قطب ذرات ایجاد می‏گردند.

برای ذرات نقره در هوا، رزونانس پلاسمون نزدیک به RES=379 خواهد بود. آنتن خود مشابه دارای ساختاری مشابه با طول موج و رزونانس شیفت یافته به سمت رنگ قرمز و به عنوان طول موج موثر است. بنابراین ترکیب ذرات در اندازه‏های مختلف نقره‏ای با هم ترکیب شده و رزونانس UV را خواهند ساخت. متاسفانه، نقره دارای یک ماده شیمیایی ناپایداری است که سطح محافظت آن بسیار پایین است. یک لایه برای پوشش کره طلا با نقره ایجاد می‏گردد تا پوشش شیمیایی ذرات نقره، آسیبی به آن نزند. درک نتیجه چنین کاری موجب ایجاد زمینه‏ای می‎گردد که در آن باید در مورد آنتن‏های نوری و رزونانس پلاسمون نقره اطلاعات بیشتری در دست باشد.
نتایج شبیه سازی در شکل 5 نشان داده‌شده است. هر چند تعداد هسته‎های نقره‏ای که توسط لایه طلا احاطه شده‏اند محدود است، اما پوشش طلای استفاده شده دارای ضخامت کمتری هست. رزونانس طلا در حالت ترکیبی هوا و طلا کاهش یافته و میدان میرایی را در رزونانس طلا نمایش می‏دهد. جالب است بدانید که طول موج رزونانس دارای ضخامت بیشتری است و نتایج ارائه‌شده برای پوشش نقره، ذرات بیشتری را از طلا می‏یابد.

ساده‏ترین روش برای تعیین آنتن امواج رادیویی این است که شعاع آن را بر عدد دو تقسیم نموده و یا آنتن را از نوع آنتن سیمی در نظر بگیریم. تقسیم آن بر عدد دو موجب ایجاد فرمول زیر می‏گردد: در مطالعه رفتار آنتن نوری می‌توان از محاسبات نانو میله‏ای با مجموع طول 220 نانومتر و یا 20 نانومتر استفاده کرد. قطر شبکه در شکل 6 (a) نشانگر افزایش میدان الکتریکی در مقابل توزیع تحریک هست. شکل 6 (b)، نشانگر رزونانس پایین است. معادله (6) نشانگر یافتن حالت نانومتر است: هیچ یک از این موارد برای طلا در نظر گرفته نشده بود و صرفاً می‌توان موارد مربوط به محاسبه رزونانس را در آن دخیل کرد. این محاسبات طول رزونانس را از 440 نانومتر تا 1298 نانومتر در نظر گرفته‌اند.
Calander and Willander 16، نشان دادند که می‌توان برای محاسبه دقیق نرخ طلا و نقره از رزونانس حدود 100 نانومتر تا 200 نانومتر استفاده نمود. اما رزونانس 300 تا 400 نانومتر میز امکان‌پذیر است و یک شبه کره هندسی ایجاد خواهد گردید. نرخ بالا در ابعاد بزرگ‌تر نشان می‌دهد که شعاع محوری میله‌ها را می‌توان به راحتی افزایش و یا کاهش داد تا نانو میله‌ها به راحتی محاسبه گردند.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1 .معرفی سنسور تصویر: زمانیکه تصویر توسط دوربین گرفته می شود نور از لنز عبور کرده و بر روی sensor Image برخورد می کند . Sensor Image : عبارت است از عناصر یک تصویر )به آنها پیکسل هم گفته می شود(، مقداری از نور دریافتی را به تعداد قابل توجه ای الکترون تبدیل میکند نور های قوی تر الکترون های بیشتری تولید و الکترون ها به ولتاژ تبدیل می گردد سپس با استفاده از مبدل های D/A به یک مقدار تبدیل شده و سیگنال ایجاد شده توسط مدارهای الکترونیکی دوربین پردازش می گردند. در حال حاضر تنها 2 تکنولوژی عمده که در Sensor Image ها استفاده می شود وجود داردکه عبارتند از: CCD (Charge-coupled Device) و CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

فیلتر کردن رنگ: Sensor Image ها مقداری از نور را از محیط روشن به تاریک بدون هیچ گونه اطالعات مربوط به رنگ، نگه می دارند. زمانیکه که CCD و CMOS فاقد رنگ )blind color )می شوند در آن هنگام فیلتری که در قسمت جلوی Sensor Image می باشد به سنسورها امکان دادن رنگ به هر پیکسل را می دهد. دو راه متداول به منظور ثبت رنگ وجود دارد، یکی RGB( قرمز ،سبز و آبی( و دیگری CMYG( فیروزه ای، سرخابی، زرد و سبز(. قرمز، سبز و آبی رنگ های اولیه هستند که در ترکیبات مختلفی قادر به ساخت رنگ های زیاد قابل رویت برای چشم انسان هستند. آرایه Bayer که از ردیف های متناوب فیلتر قرمز- سبز و سبز- آبی تشکیل شده است متداول ترین فیلتر رنگ RGB می باشند، شکل 3( چپ(. از آنجا که چشم انسان به رنگ سبز در مقابله دو رنگ دیگر حساس تر می باشد، در آرایه Bayer دو بار از رنگ سبز استفاده شده است این بدین معنا است که چشم انسان قادر به تشخیص جزئیات بیشتر خواهد بود .این حالت در مقایسه با حالتی که هر سه رنگ به اندازه مساوی در فیلتر استفاده می شوند ،جزئیات بیشتری نشان میدهد.

راه دیگر به منظور فیلتر کردن و یا ثبت رنگ استفاده رنگهای مکمل مانند فیروزه ای، سرخابی و زرد می باشد. فیلتر های تشکیل شده از رنگ های مکمل در سنسور ها، اغلب با فیلتر سبز ترکیب می شوند تا موجب شکل گیری آرایه CMYG شوند.)شکل 2 . )عموما فیلتر CMYG سیگنال پیکسل باالتری را با توجه به باند طیفی گسترده اش ایجاد می کند. در هر حال سیگنال ها بایستی به RGB تبدیل شوند چرا که در تصویر نهایی استفاده می شوند و این تبدیالت پردازش زیاد و نویز زیادی را به همراه خواهد داشت. در نتیجه gain اصلی ) نسبت سیگنال به نویز ( به شدت کاهش می یابد برای همین است که CMYG برای نمایش دقیق رنگ ها مناسب نیستند. آرایه CMYG اغلب در Interlaced CCD( اسکن خط های زوج و فرد به ترتیب( استفاده می شود این در حالی است که سیستم RGB در Progressive اسکن )اسکن همه ی خط ها( استفاده می شود.

2.CCDتکنولوژی. در سنسورهای CCD نوری که در پیکسل سنسور قرار می گیرد از طریق یک Chip در طول یک نود خروجی یا چند نود خروجی منتقل می شود. این نورها تبدیل به ولتاژ ، بافر شده و به صورت یک سیگنال آنالوگ فرستاده می شود. این سیگنال تقویت شده و سپس با استفاده از یک مبدل D/A به سیگنال دیجیتال تبدیل می شود. )شکل 3.) تکنولوژی CCD تنها به منظور استفاده در دوربین ها شکل گرفته است و قدمت ساخت آنها بیش از 33 سال می گذرد. سنسورهای CCD در مقایسه با CMOS فوایدی چون حساسیت نور بیشتر و نویز کمتر در زمان های گذشته داشته اند. در سال های اخیر این تفاوت ها به ندرت از بین رفته است.

یکی از معایب سنسورهای CCD استفاده از قطعات آنالوگ می باشد که نیازمند شدت جریان الکتریکی زیاد در بیرون از مدار. تولید گران، مصرف پاور 011 برابر بیشتر از CMOS از دیگر معایب آن می باشد. مصرف پاور زیاد منجر به ایجاد گرما در دوربین می شود که این گرما نه تنها روی کیفیت دوربین تاثیر منفی می گذارد بلکه باعث افزایش قیمت دوربین و اثرات زیست محیطی منفی می گردد. از آنجا که همه چیز از طریق یک آمپلی فایر خروجی و یا چندین آمپلی فایر عبور می کنند، سنسورهای CCD نیازمند میزان اطالعات باال تری هستند. مقایسه شکل 4 ( نمایش PCBA CCD ) با شکل 5 ( نمایش CMOS ).

بخشی از مقاله انگلیسی:

1.Introduction to image sensors When an image is being captured by a network camera, light passes through the lens and falls on the image sensor. The image sensor consists of picture elements, also called pixels, that register the amount of light that falls on them. They convert the received amount of light into a corresponding number of electrons. The stronger the light, the more electrons are generated. The electrons are converted into voltage and then transformed into numbers by means of an A/D-converter. The signal constituted by the numbers is processed by electronic circuits inside the camera. Presently, there are two main technologies that can be used for the image sensor in a camera, i.e. CCD (Charge-coupled Device) and CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor). Their design and different strengths and weaknesses will be explained in the following sections. Figure 1 shows CCD and CMOS image sensors.

Color filtering Image sensors register the amount of light from bright to dark with no color information. Since CMOS and CCD image sensors are ‘color blind’, a filter in front of the sensor allows the sensor to assign color tones to each pixel. Two common color registration methods are RGB (Red, Green, and Blue) and CMYG (Cyan, Magenta, Yellow, and Green). Red, green, and blue are the primary colors that, mixed in different combinations, can produce most of the colors visible to the human eye. The Bayer array, which has alternating rows of red-green and green-blue filters, is the most common RGB color filter, see Figure 2 (left). Since the human eye is more sensitive to green than to the other two colors, the Bayer array has twice as many green color filters. This also means that with the Bayer array, the human eye can detect more detail than if the three colors were used in equal measures in the filter.

Another way to filter or register color is to use the complementary colors—cyan, magenta, and yellow. Complementary color filters on sensors are often combined with green filters to form a CMYG color array, see Figure 2 (right). The CMYG system generally offers higher pixel signals due to its broader spectral band pass. However, the signals must then be converted to RGB since this is used in the final image, and the conversion implies more processing and added noise. The result is that the initial gain in signal-to-noise is reduced, and the CMYG system is often not as good at presenting colors accurately. The CMYG color array is often used in interlaced CCD image sensors, whereas the RGB system primarily is used in progressive scan image sensors. For more information about interlaced CCD image sensors and progressive scan image sensors, see the links in Chapter 7.

2.CCD technology In a CCD sensor, the light (charge) that falls on the pixels of the sensor is transferred from the chip through one output node, or only a few output nodes. The charges are converted to voltage levels, buffered, and sent out as an analog signal. This signal is then amplified and converted to numbers using an A/D-converter outside the sensor, see Figure 3. The CCD technology was developed specifically to be used in cameras, and CCD sensors have been used for more than 30 years. Traditionally, CCD sensors have had some advantages compared to CMOS sensors, such as better light sensitivity and less noise. In recent years, however, these differences have disappeared.

The disadvantages of CCD sensors are that they are analog components that require more electronic circuitry outside the sensor, they are more expensive to produce, and can consume up to 100 times more power than CMOS sensors. The increased power consumption can lead to heat issues in the camera, which not only impacts image quality negatively, but also increases the cost and environmental impact of the product. CCD sensors also require a higher data rate, since everything has to go through just one output amplifier, or a few output amplifiers. Compare Figure 4 showing a CCD PCB (Printed Circuit Board) with Figure 5 showing a CMOS PCB.