برنامه های جزئی علمی قطب فوتونیک

  

  

1. مطالعه ، طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی  بر پایه مواد آلی، پروسکایت نانو ساختارهای نقاط کوانتومی و پلاسمونیکی:

برای مطالعه، طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی نوین که جزء اولویت های الف نقشه جامع علمی کشور می باشد. پژوهشکده طرحهای زیادی دارد که از جمله آنها می توان با استفاده از مواد آلی، پروسکایت، نقاط کوانتومی به عنوان لایه های فعال برای سلولهای خورشیدی نسل جدید و همچنین از مبدل های نوری، متمرکز کننده ها و نانو ذرات فلزی(اثرات پلاسمونیک) به عنوان بهینه کننده و ارتقا دهنده بهره سلولهای خورشیدی اشاره کرد.

در مورد مواد پروسکایت آلی-معدنی با فرمول شیمیاییABX₃    (که در آن A یک کاتیرن آلی مانند

 

C  

 

H₃NH₃⁺، CHNH₂₂⁺، Cs⁺ و B  می­تواند Pb²⁺، Sn²⁺ و X می­تواند Cl^-، Br^- یا I^- باشند.) به خاطر خواص منحصر به فردشان که به دلیل وجود همزمان مواد آلی و معدنی درساختارشان می باشد، مورد توجه فراوانی در زمینه های مختلف از جمله سلولهای خورشیدی و دیودهای نور گسیل و... قرار گرفته اند. در ساختار این مواد کاتیونی است که در هشت گوشه سلول واحد مکعبی قرار گرفته اند. کاتیونB  در مرکز یک خوشه اوکتاهدرال (BX₆^4-) قرار می گیرد. چنین ساختار سه بعدی خواص بسیار کار آمدی مانند طول عمر بلند باز ترکیب حاملین، پهنای جذب زیاد، طول پخش بلند اکسایتونها و ترابرد حاملین بالا را به ارمغان آورد. هم اکنون بهره سلولهای خورشیدی پروسکایتی از 22 درصد بالاتر رفته است و نوید بخش تحولی عظیم در زمینه انرژی های نو شده است.

بزرگترین مشکلات این سلولهای خورشیدی وجود سرب در ساختار آنها (که ماده ای سمی است) و همچنین حساسیت آنها به رطوبت است. در حال حاضر تحقیقات محققین در سراسر جهان بر روی بهینه کردن این سلولها و حل این مشکلات متمرکز شده است.

در پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی از چندین سال پیش تحقیق بر روی سنتز مواد پروسکایتی و بررسی خواص نوری خطی و غیر خطی آنها جهت افزایش فهم محققین از ساختار و خواص این مواد متمرکز شده است. همچنین در این پژوهشکده برای اولین بار متمرکز کننده فیلم نازک مواد پروسکایتی ساخته شد.

در این راستا پژوهشکده طرحی پژوهشی با عنوان توسعه تکنولوژی سلولهای خورشیدی آلی با عملکرد بالا با حمایت مالی صندوق حمایت از پژوهشگران و آکادمی علوم چین در دست دارد که از اول سال 2018 و برای مدت 3 سال با بودجه بیش از 200هزار دلار اجرا خواهد نمود که در آن سلولهای خورشیدی نسل جدید با بهره بیش از 8%  (برای نمونه های تجاری) و بیش از 13% (برای نمونه های آزمایشگاهی) ارائه خواهد شد.

امکانات لازم:

دراین جهت گیری پژوهشی  پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی امکانات آزمایشگاهی از قبیل سنتز، ساخت، مشخصه یابی نوری و الکتریکی در اختیار دارد. از جمله آنها می توان به انواع طیف سنجی ها، سیستم اندازه گیری چهار نقطه ای، سیستم های لایه نشانی مختلف، مشخصه یابیI-V  ، سیستم های دمای پایین و.....اشاره کرد.

2. مطالعه، طراحی و ساخت LED  ، OLED ، SLD ها

دیودهای نور گسیل بعلت هزینه پایین، کیفیت و عملکرد بالا و مصرف کم مورد توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران قرار دارد و کاربرد زیادی در الکترونیک، صنعت، پزشکی و مخابرات دارند.

از این میان منابع نوری نقاط کوانتومی بعلت به علت باریک بودن طیف تابشی نسبت به لامپ‌های التهابی، اتلاف کم  انرژی به صورت نور مادون قرمز منابع قابل اعتمادی برای تولید نور سفید و با بازده بالا خواهند بود. تولید دیودهای نورگسیل با کیفیت بالا، باعث اتلاف کمتر، ذخیره انرژی بیشتر و مصرف کمتر می شوند. در پژوهشکده فیزیک طرحی در حال اجراست که بتوان دیودهای نور گسیل رنگ سفید با استفاده از نقاط کوانتومی تولید کرد. 

برای تولید نقاط کوانتومی در ساخت دیودهای نورگسیل ، از روش سنتز رسوب دهی شیمیایی که نسبت به روشهای دیگر سنتز کم هزینه تر بوده و از همه مهمتر در این روش کنترل وتنظیم پارامترهای سیستم مانند قابلیت تغییر در اندازه نقاط کوانتومی راحت تر است و نیاز به مواد زیاد و  تجهیزات پیشرفته ندارد، استفاده خواهد شد.

دیود های نورگسیل ابرلیانی SLD ها یکی از منابع نور گسیل جالب می باشد که گسیل نور سمت گیری شده ( همدوسی فضایی بالا) با طیف گسیلی پهن ( همدوسی زمانی پایین ) را سبب می شوند. عملکرد آنها رفتاری بین دیود های لیزری  و دیودهای نور گسیل  را دارد.SLDها در رژیم گسیل خودبخودی تقویت شده عمل می کنند یعنی فوتونهای گسیلی بطور خود به خودی بوسیله گسیل القایی تقویت می شوند. ساختار آنها خیلی نزدیک به دیود های لیزری است ولی طوری طراحی می شوند که پس خورد مثبت در قطعه حذف شود و مدهای طولی لیزر تشکیل نگردند. و این خصوصیات ویژه باعث افزایش کارایی در جفت شدگی با فیبرهای نوری ، سیستم های تصویر برداری پزشکی و ... می شوند .

در این تحقیق طراحی و ساخت ساختار دیودهای نورگسیل ابر لیانی ، فیزیک قطعه ، مشخصه های مورد نظر ، عامل های محدود کننده ی عملکرد این دیودها و چگونگی رفع مشکلات برای بهبود عملکرد آنها بیان خواهند شد. روش بررسی به صور ت و تجربی خواهد بود . قسمتی از این کار تحت عنوان یک طرح پژوهشی توسط یکی از سازمانها حمایت مالی می شود.

دیودهای نور گسیل آلی (OLED)ها ادوات الکترونیکی هستند که از قرار دادن فیلم های نازک مواد آلی بین دو الکترود رسانا ساخته می شوند. با اعمال جریان الکتریکی  نور شفافی گسیل می کنند. این ادوات دارای ضخامتی بین 100تا 500 نانو متر هستند. دیودهای نور گسیل آلی دارای انواع مختلف  " ماتریس فعال، ماتریس غیر فعال، شفاف، انعطاف پذیرو نور سفید" هستند. در مقایسه با دیودهای نور گسیل معدنی (LED) دیودهای نور گسیل آلی بسیار نازکتر، سبک تر و بسیار انعطاف پذیرند. همچنین دارای روشنایی بالایی بوده و توان بسیار کمی مصرف می کنند. بعلاوه ساخت آنها آسان بوده و می توان آنهارا در ابعاد بزرگتری ساخت. از همه مهمتر در کاربرد آنها به عنوان نمایشگر دارای میدان دید بزرگی هستند. با این وجود این ادوات دارای مشکلاتی نظیر طول عمرپایین، هدایت الکتریکی پایین و جذب رطوبت هستند. در حال حاضر OLEDها در نمایشگرهای TV، موبایل، دوربین های عکاسی مورد استفاده قرار می گیرند و وارد بازار شده اند. با توجه به انعطاف پذیری بالای OLEDها در آینده کاربردهای جدیدی برای آنها متصور می شوند. مانند نمایشگرهای لوله شونده، نمایشگرهای دارای انحنای بالا و همینطور برای روشنایی(OLEDهای نور سفید). تلاش برای تهیه مواد جدید با کارایی بالا، طراحی و ساخت دیودهای نورگسیل آلی و تجاری سازی آنها از برنامه های عمده این بخش هستند.

امکانات لازم:

باتوجه به پیشینه پژوهشی پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی در زمینه ی ساخت ادوات اپنوالکترونیک آلی و معدنی، امکانات آزمایشگاهی از قبیل سنتز، ساخت، مشخصه یابی نوری و الکتریکی در اختیار دارد. از جمله آنها می توان به انواع طیف سنجی ها، سیستم اندازه گیری چهار نقطه ای، سیستم های لایه نشانی مختلف، مشخصه یابیI-V  ، سیستم های دمای پایین و.....اشاره کرد. همینطور وجود گروه شیمی آلی و معدنی قوی در دانشکده شیمی دانشگاه تبریز و ارتباط تنگاتنگ پژوهشکده با گروه تحقیقاتی پروفسور نونزی در دانشگاه کوئینز کانادا، پرفسور جاگادیش از دانشگاه ملی استرالیا و گروه میکروالترونیک دانشگاه استرالیای غربی کمک شایانی در راستای تامین مواد اولیه و برخی اندازه گیریها هستند. همینطور پژوهشکده دارای امکاناتی نظیر انواع سیستم های لایه نشانی(چرخشی، فرو بردن، تبخیر در خلاءو..)،  انواع طیف سنج ها و آزمایشگاه مجهز سنتز مواد آلی است. تهیه یک سیستم جعبه دستکش دار Glove box مخصوص ساخت ادوات اپتوالکترونیک آلی ضروری به نظر می رسد.

3. محاسبات و پردازش اطلاعات کوانتومی بر پایه اپتیک در اتمها و نانو ساختارها

طراحی  و ساخت کامپیوتر های کوانتومی موضوع اساسی قرن بیست و یکم است، که دستیابی به آن برای  افزایش سرعت  محاسبات سخت و پیچیده از چالش های پیش روست. آنچه از کامپیوتر های کوانتومی می توان انتظار داشت این است که سرعت محاسبات را بیشتر کنند. یک مدل نظری و انتزاعی از این ماشین¬ها، ماشین تورینگ¬ کوانتومی است که کامپیوتر کوانتومی جهانی نیز نامیده می¬شود. این ماشین یک مدل بسیار ساده ارائه می¬کند که قدرت محاسبات کوانتومی را نشان می¬دهد. هر الگوریتم کوانتومی میتواند توسط یک ماشین تورینگ بیان شود. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، میتوانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند. ارتباطات، محاسبات و شبکه¬های کوانتومی از طریق زوج بیت¬های کوانتومی درهمتنیده دور از هم، اولین قدم به سوی تکنولوژی انتقال امن پیام و انجام محاسبات کوانتومی است. کوانتوم بیت یا کیوبیت واحد اطلاعات کوانتومی است. یک کیوبیت باید مقیاس پذیری، قابلیت مقدار دهی، و قابلیت اندازه گیری داشته باشد. هر سیستم دو ترازی می¬تواند به عنوان یک کیوبیت در نظر گرفته شود. حتی سیستم¬های چند ترازی هم به شرطی که دارای دو حالت کاملا مجزا باشند، قابل استفاده هستند (مثلا حالت پایه و اولین حالت برانگیخته اتم). در طراحی یک کامپیوتر کوانتومی از ترکیبات گوناگون کیوبیت ها می توان بهره گرفت. اتم¬های طبیعی ، مواد نیمرسانا ( چاه کوانتومی و نقطه کوانتومی ) منابع مهمی برای تشکیل کیوبیت هستند بنابر این می توانند بعنوان موادی برای طراحی کامپیوتر های کوانتومی باشند.

امکانات

کلیه نرم افزار های لازم برای اجرای طرح در پژهشکده موجود است و احیانا در صورت نیاز بعضی نرم افزار های مورد لزوم را می توان از بیرون تهیه نمود.

4. رمز نگاری و کد گذاری بر اساس تصویر برداری شبه و پدیده شفافیت القائی الکترومغناطیس

تصویر برداری گوست نوعی تصویر برداری غیر موضعی است که می تواند برای تصویر برداری اجسامی که در دید مستقیم ما قرار ندارند مورد استفاده قرار گیرد. همینطور می توان از آن برای رمز نگاری اطلاعات استفاده کرد. تصویر برداری گوست ابتدا با استفاده از نورهای کوانتومی (فوتونهای در هم تنیده) مشاهده شد و سپس با استفاده از منابع نوری شبه حرارتی نیز تصویر برداری گوست انجام شد. در ادامه دانشمندان توانستند با استفاده از یک مدولاتور فضایی نور تصویر برداری گوست محاسباتی را معرفی کنند که قادر است با یک تک آشکار ساز بدون قابلیت تفکیک فضایی تصویر برداری را انجام دهد. با کد گزاری اطلاعات و ارسال آنها به صورت تصاویر از طریق تصویر برداری گوست محاسباتی می توان به ایمنی اطلاعاتی بسیار بالایی دست یافت. با توجه به تحقیقات زیادی که در قالب پروژه های  کارشناسی ارشد(بیش از 8 پروژه ارشد) و پروژه های تحقیقاتی در پژوهشکده در این زمینه صورت گرفته است. تجربه و امکانات کافی در زمینه محاسبات تئوری و فعالیتهای تجربی در این زمینه وجود دارد.

در سال های آینده فعالیت های پژوهشی  پژوهشکده در این راستا بر روی دو محور متمرکز خواهد شد.

الف: استفاده از نور خورشید به عنوان منبع نور برای تصویر برداری گوست.

ب- افزایش سرعت تصویر برداری گوست.

استفاده از نور خورشید  ما را قادر خواهد ساخت که بتوانیم در نور روز تصویر برداری انجام دهیم که کاربردهای فراوانی می تواند به ارمغان بیاورد.

افزایش سرعت تصویر برداری هم می تواند ما را در جهت تصویر برداری از اجسام متحرک و پدیده های سریع کمک کند. و همچنین می تواند باعث افزایش حجم اطلاعات ارسالی در کد گذاری اطلاعات شود که نوید بخش کاربردهای جدیدی خواهد بود. با توجه به حمایت مالی موسسه دفاعی از این طرح می تواند هزینه های بخشی از این فعالیتها تامین شود.

امکانات لازم:

از آنجائیکه پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی پیشگام این علم هم در شبیه سازی و هم بخش تجربی آن است بنابراین امکانات ازمایشگاهی لازم فراهم است و فقط برای رقابت با گروههای پیشرو در دنیا نیاز به بازسازی و تقویت این آزمایشگاهها در راستای اهداف قطب میباسد

5. فناوری اطلاعات و ارتباطات از طریق همدوسی کوانتومی و تولید حالت های در هم تنیده

در ارتباطات نوری متداول، تب های نوری حامل اطلاعات می‌توانند برای صدها کیلومتر در فیبرهای نوری تقریباً شفاف منتشر شوند. به‌منظور گسترش محدوده­ی ارتباطی شبکه‌های مخابرات نوری، تقویت‌کننده‌های نوری برای تقویت سیگنال‌های نوری در طول خط ارتباطی مورداستفاده قرار می‌گیرند. این ایستگاه‌های تقویت‌کننده، که تحت عنوان "ایستگاه‌های تکرارکننده"، نیز شناخته شده­اند، می‌توانند در بزرگراه­ها، زیر اقیانوس و یا در ماهواره­هایی که در فضا حول زمین می‌گردند کاربرد داشته باشند. اجرای بزرگ‌مقیاس فنّاوری پردازش اطلاعات کوانتومی نیازمند یک حافظه کوانتومی است. معلوم شده است که فرآیند اندازه‌گیری، حالت کوانتومی را در هم می‌ریزد. بنابراین، برای ساخت یک حافظه کوانتومی، نیاز به طراحی یک سیستم است که در آن هیچ‌گاه حالتی که ذخیره‌سازی می‌شود معین نباشد. در این طرح، حالات کوانتومی نوری به‌وسیله نگاشت نور در مجموعه‌های اتمی ذخیره  می‌شود. بنابراین می‌توان این نگاشت را بسته به نیاز معکوس کرده و نور ذخیره‌شده را فراخوانی کرد. در مخابرات کوانتومی امکان ذخیره­سازی امن داده­ها فراهم آمده است. در پردازش اطلاعات کوانتومی، داده­ها در حالت­های کوانتومی رمزنگاری می­شوند که این حالت ها را نمی­توان به وسیله ابزارهای کلاسیکی مرسوم به طور دقیق آشکارسازی و ذخیره کرد. بنابراین لزوم نیاز به یک حافظه­ی کوانتومی که قادر باشد اطلاعات را نگهداری کرده و در زمان مناسب و بر حسب نیاز آن­ها را برگرداند به شدت حس می­شود. پدیده شفافیت القایی الکترومغناطیسی (EIT) می تواند کنترل مؤثر و مفیدی بر حامل های داده های کوانتومی، فوتون ها، در محیط های مادی داشته باشد. ذخیره­سازی نور گامی کلیدی جهت تحقق شبکه­های مخابراتی تمام نوری در فواصـل طولانی است. برای تحقق کاربردی حافظه­های کوانتومی، باید توزیع کیوبیت­های در هم تنیده را  در نظر گرفته شود. اجرای ارتباطات کوانتومی و طرح های پردازش اطلاعات کوانتومی بر توانایی در توزیع در هم تنیدگی در کل شبکه متکی است. تحت شرایطی در هم تنیدگی باید در مسافت های بزرگ، مثلا محدوده قاره ای، توزیع شود که هر چه این مقیاس بزرگ باشد طول تضعیف کانال مخابراتی کمتر خواهد بود. یکی از کاربردهای مهم این طرح، بهینه سازی و ساخت فیلتر های FBG است. در این طرح با استفاده از پدیده شفافیت القایی الکترومغناطیس در بلور های فوتونی و با استفاده از مواد نیمرسانا ( چاه کوانتومی –نقطه کوانتومی) فیلتر FBG طراحی و ساخته می شود.

امکانات لازم:

کلیه نرم افزار های لازم برای اجرای طرح در پژهشکده موجود است و احیانا در صورت نیاز بعضی نرم افزار های مورد لزوم را می توان از بیرون تهیه نمود. همچنین تجهیزات مورد لزوم در این پژوهشکده وجود دارد و کلیه اقلام مورد نیاز برای ساخت را میتوان از بیرون خریداری کرد.

6. مطالعه و طراحی و ساخت حسگرهای زیستی نوری

حسگرهای  زیستی نوری مبتنی برتکنیکهای نوری کاربردهای وسیع و موفقی درتوصیف و آشکار سازی مولوکولهای زیستی مشاهده اندر کنش مولکولهای زیستی در سطوح، فصل مشترک های زیستی، داخل سلولها و غیره دارند. این تکنیکها برای تصویر برداری و طیف سنجی در مهندسی بافت(مشاهده بافت،سلولها و مولکولهای زیستی) به عنوان تکنیکهای غیر مخرب و حساس به کار می روند(مانند توموگرافی نوری، میکروسکوپها،طیف سنجی ها) از این میان حسگرهای زیستی نوعی به ادواتی اطلاق می شود که برای آشکارسازی مولکولهای شیمیایی و بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرند. این حسگرهای برای تشخیصهای پزشکی  و همینطور توسعه داروها مورد استفاده قرار می گیرند. از پنج سال پیش با همکاری دانشگاه علوم پزشکی  تبریز، پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی توانسته است در بخش وسیعی از حسگرهای زیستی نوری فعالیتهای چشمگیری را انجام دهد. از جمله این فعالیتها می توان به ساخت و توسعه حسگرهای زیستی تشدید پلاسمون سطحی SPR (ثبت یک عنوان اختراع)، ساخت سیستم حسگر زیستی ، تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده(LSPR) و همینطور چیپ مربوط به آن، حسگرهای زیستی مبتنی بر بلورهای فوتونی یک بعدی و سه بعدی (اوپالها و اوپالهای معکوس) و.. اشاره کرد. با توجه به امکانات موجود در پژوهشکده و حمایت از این فعالیتها می توان در چند سال آینده حسگرهای زیستی نوری (SPR،LSPR و اوپالها و اوپالهای معکوس) را ساخته و بهینه سازی کرد.

امکانات لازم:

باتوجه به پیشینه پژوهشی پژوهشکده فیزیک کاربردی و ستاره شناسی در زمینه ی ساخت حسگرهای زیستیی، امکانات آزمایشگاهی از قبیل سنتز، ساخت، مشخصه یابی نوری و الکتریکی در اختیار دارد. از جمله آنها می توان به سیستم Constant climate chamber،  انواع طیف سنجی ها، دستگاه SPR و LSPR، سیستم های لایه نشانی مختلف و .....اشاره کرد.

7. سوئیج های تمام نوری

برای تامین نیازهای رو به رشد عصر اطلاعات، شاخه اپتیک گستره ی وسیعی از ابزارها را برای تولید، انتقال، آشکارسازی و پردازش سیگنالهای اپتیکی معرفی کرده است. ابزارهای تمام نوری قادر به کار در پهنای باند های بسیار وسیع تری نسبت به همتاهای الکترونیکی خود هستند و مهم تر اینکه ظرفیت بالایی از اطلاعات را پشتیبانی می کنند. یک ابزار الکترونیکی به منظور ذخیره سازی یا پردازش اطلاعات بایستی اکترون ها را جابجا کرده و آنها را با یک سد پتانسیل از هم جدا کند. این فرآیند ها نیازمندی توانی است که نهایتا بصورت گرما تلف می شوند. اتلاف حرارتی محدودیتی را برای چگالی و سرعت ابزارهای الکترونیکی بوجود می آورد؛ البته این محدودیت ها اخیرا با تکنولوژی های پیشرفته کنترل شده است. بنابراین طراحی ابزارهای تمام نوری که توانایی کار با انرژی های پایین را دارد قدمی مهم در راستای ارتقاء فن آوری اطلاعات محسوب می شود.

یک سوئیچ تمام نوری ابزاری است که کنترل یک باریکه ی نوری را بوسیله ی باریکه ای دیگر میسر می‎سازد. باریکه های نور هنگام انتشار در خلا بخاطر خطی بودن معادلات ماکسول با همدیگر اندرکنش نمی کنند، بنابراین سوئیچ های نوری از اندرکنش های غیرخطی بین نور و ماده بهره می گیرند. دو ویژگی که یک سوئیچ باید داشته باشد عبارتند از اینکه سوئیچ باید حتما دو حالت قابل تمییز داشته و دوم اینکه ورودی و خروجی آن مجزا از هم باشند.

با توجه به تحقیقات زیادی که در قالب پروژه های  کارشناسی ارشد(بیش از 15 پروژه ارشد و 3 تز دکتری ) و پروژه های تحقیقاتی در پژوهشکده در این زمینه صورت گرفته است. تجربه کافی در زمینه محاسبات تئوری و شبیه سازی در این زمینه وجود دارد. همچنین همکاریهای علمی بسیار خوبی در این حوزه با مراکز معتبر علمی در وجود دارد که بیانگر پتانسیل بالای پژوهشکده فیزیک کاربردی در این حوزه است.

در سال های آینده فعالیت های پژوهشی  پژوهشکده بر روی موارد ذیل  متمرکز خواهد شد.

الف:مطالعه سالیتونهای بعنوان سوئیچای نوری بسیار سریع  و حساس.

ب- مطالعه سوئیچ زنی و کنترل آن در آرایه های دوبعدی از موجبر ها

ج- مطالعه سوئیچای کاملا نوری فرکانسی