Βελτιστοποιημένες διατάξεις σύζευξης σε συχνότητες THz
Authors: Μπολάκης Χρήστος 
Published: September 2021

Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας νέας μέθοδου αποτελεσματικής ανίχνευσης της τερακυματικής (THz) ακτινοβολίας στα πλαίσια βιοϊατρικών εφαρμογών. Οι βασικοί πυλώνες που πλαισιώνουν τις εφαρμογές αυτές είναι: i) Φασματοσκοπία καρκινικών διαγνώσεων; ii) Φασματοσκοπία πρωτεϊνικών διατάξεων; iii) Φασματοσκοπία φαρμακευτικών προϊόντων και iv) Φασματοσκοπία στην οδοντιατρική επιστήμη. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, σχεδιάστηκαν, προσομοιώθηκαν και κατασκευάστηκαν διάφορα στοιχεία απορρόφησης προκειμένου να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά ανίχνευσης ενός μικροβολομέτρου. Επίσης, με μια νέα διάταξη φασματοσκοπίας τετρακυμάτων πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις τόσο σε πολυμερή υλικά, όσο και σε φαρμακευτικά σκευάσματα, για τη μελέτη των χαρακτηριστικών διάδοσης της THz ακτινοβολίας συγκεκριμένου ενδιαφέροντος. Πιο συγκεκριμένα, ένα διπλό στοιχείο απορρόφησης αποτελούμενο από ένα μεταλλικό φύλλο αλουμινίου (Al) πάχους 32nm, τοποθετημένο κάτωθεν ενός γυάλινου στρώματος (SiO2) πάχους 1mm, κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να σχεδιαστεί ένα βελτιστοποιημένο στοιχείο απορρόφησης μέσω αναλυτικών μεθόδων και μοντέλων προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο στοιχείο απορρόφησης χαμηλού κόστους μπορεί να συντονιστεί κατάλληλα μέσω μεταβολών τόσο της αντίστασης του μεταλλικού φύλλου, όσο και του πάχους αλλά και του δείκτη διάθλασης του γυάλινου στρώματος, προκειμένου να επιτευχθεί το βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα σε ότι αφορά την απορρόφηση του μεταλλικού φύλλου εντός της τερακυματικής περιοχής ενδιαφέροντος (6 έως 10 THz). Συγκεκριμένα, με την χρήση του ειδικού οπτικού γυάλινου στοιχείου ΒΚ 7, το βελτιστοποιημένο στοιχείο απορροφά το 86% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (ποσοστό το οποίο ξεπερνά κατά πολύ το 50%, το οποίο αντίστοιχα όπως έχει αποδειχτεί παλαιότερα, ήταν το υψηλότερο δυνατό που μπορούσε ν’ απορροφήσει ένα ελεύθερο μέταλλο), ενώ η σημειούμενη ανάκλαση ήταν σχεδόν μηδενική (της τάξης του 1%). Η παρούσα προσέγγιση καθιστά ικανή την εξαγωγή και παρακολούθηση του συντελεστή διάδοσης (τερακυματικό ‘’αποτύπωμα’’ διάδοσης) του υπό εξέταση βιολογικού δείγματος με μεγάλη ακρίβεια. Εν συνεχεία και βασιζόμενοι στα ήδη αναφερόμενα αποτελέσματα, ένα πιο σύνθετο και πιο αποτελεσματικό στοιχείο απορρόφησης σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε. Κατόπιν αντικατάστασης του γυάλινου στρώματος από ένα κατάλληλα αραιωμένο στρώμα πολύ-πυριτίου (poly-si), τα νέα αποτελέσματα ήταν διπλής φύσεως: Επιτεύχθηκε ένας δείκτης απορρόφησης της τάξης του 97% και προσκτήθηκε η ιδιότητα του υψηλού συντελεστή θερμοκρασίας της αντίστασης (TCR). Επιπλέον, έλαβε χώρα μια γενίκευση των νέων αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης (97% απορρόφηση και μηδενική ανάκλαση) σε όλο το υπέρυθρο φάσμα συχνοτήτων. Ειδικότερα, μέσω του προσδιορισμού μιας θεωρητικής γραμμικής εξίσωσης με παράμετρο εισόδου την οποιαδήποτε τιμή μήκους κύματος εντός του υπέρυθρου (από 0.74 έως 1000μm) φάσματος, επιτεύχθηκε η δυνατότητα εξαγωγής του απαιτούμενου πάχους που πρέπει να λάβει το στρώμα πολύ-πυριτίου προκειμένου το στοιχείο απορρόφησης να διατηρήσει το σύνολο των αντίστοιχων βελτιστοποιημένων απορροφητικών ιδιοτήτων του. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η επισκόπηση της υβριδικής φύσης ως προς την δυνατότητα χρήσης του αναπτυσσόμενου διπλού στοιχείου απορρόφησης ανάλογα με την επιλογή του στρώματος που θα αποτελεί το καθ’αυτό στοιχείο ανίχνευσης της ακτινοβολίας ενδιαφέροντος. Τέλος, μέσω της επισκόπησης αυτής και κατόπιν σύγκρισης με την τεχνολογία αιχμής στις μικροβολομετρικές διατάξεις, εντοπίστηκαν και αναδείχτηκαν τα πλεονεκτήματα του αναπτυσσόμενου στοιχείου απορρόφησης της παρούσας διατριβής.Ως τελικό γενικό συμπέρασμα της γενικευμένης μεθόδου μετά-βελτιστοποίησης, μπορεί να ειπωθεί ότι με χρήση του προτεινόμενου στοιχείου απορρόφησης, οι εν γένει ανιχνευτικές ικανότητες ενός μικροβολόμετρου θα μπορούσαν να βελτιωθούν σημαντικά, ώστε να μπορούν να ανταγωνιστούν επάξια τις υφιστάμενες τεχνολογίες αιχμής στις μικροβολομετρικές διατάξεις.