Study of New Miniaturized Microwave Devices based on Ratchet Effect in an Environment of Asymmetric Nano-Scatterers

par Dina Medhat Abdel Maksoud

Thèse de doctorat en Micro-Ondes, Electromagnétisme et Optoélectronique

Sous la direction de Hervé Aubert et de Alexandru Takacs.

Soutenue le 15-10-2012

à Toulouse, INPT .

  • Titre traduit

    Etude de nouveaux dispositifs miniaturisés micro-ondes basés sur l'effet Ratchet dans un environnement de nano diffuseurs asymétriques


  • Résumé

    La nanotechnologie est un domaine en voie d'expansion qui a attiré l'attention de la recherche en raison de ses applications potentielles illimitées. La technologie des ondes millimétriques est un autre domaine intéressant qui joue un rôle de premier plan dans le développement des systèmes de communications sans fil. La combinaison de ces deux champs de recherche avancée, donne naissance à l'innovation du Dispositif Ratchet qui est une nouvelle application qui représente un vrai défi. Ce dispositif est de taille nanométrique et son concept d'opération consiste à générer une tension DC lorsque le dispositif, basé sur le gaz d'électron bidimensionnel, est rayonné par l'énergie des micro-ondes. L'objectif de cette thèse est d'essayer d'améliorer la réponse du dispositif, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans la fabrication des détecteurs de champ à haute fréquence et à l'échelle nanométrique. Malheureusement, les Dispositifs Ratchet actuels, basés sur des hétérostructures de semiconducteurs, réalisés jusqu'à présent fonctionnent à basse température pour assurer une grande mobilité électronique. Cette condition nécessite l'utilisation d'un setup expérimental complexe qui a un grand impact sur la tension induite et sur la reproductibilité du phénomène Ratchet observé. Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de cette thèse a abordé ce problème en deux parties. La première partie concerne l'analyse électromagnétique du setup expérimental. Ceci a été réalisé par la mise en oeuvre des simulations électromagnétiques intenses. D'autre part, différentes solutions ont été proposées afin d'optimiser le setup et ainsi améliorer la tension Ratchet produite. Outre l'étude électromagnétique, certaines mesures de modulation ont été réalisées pour tester la faisabilité du Dispositif Ratchet comme un démodulateur d'amplitude. La deuxième partie de cette thèse traite l'étude de la matière qui compose le Dispositif Ratchet. Récemment, le graphène commence à envahir le monde scientifique et technologique avec ses fascinantes propriétés électroniques, tels que sa mobilité d'électrons élevée à température ambiante, où les matériaux conventionnels sont en train de confronter des obstacles. En conséquence, l'idée de fabriquer un Dispositif Ratchet à base de graphène au lieu des hétérojonctions de semiconducteurs, a été introduite. Plusieurs modèles de conception, caractérisation et mesures RF ont été accomplis en vue d'obtenir un Dispositif Ratchet fiable approprié pour de nombreuses applications pratiques à la température ambiante, dans la gamme de fréquences micro-ondes et pourraient s'étendre à la bande térahertz.


  • Résumé

    Nanotechnology is a growing field that has attracted significant research attention due to its unlimited potential applications. Millimeter wave technology is another interesting field that plays a leading role in the development of wireless communications systems. Combining these two advanced research fields together, has given rise to the innovation of the Ratchet Device which is now a new challenging application. This device has a nanoscale size and its concept of operation consists of generating a DC voltage when radiating a two-dimensional electron gas based device with microwave energy. The aim of this thesis is in trying to improve the device response and hence opening new perspectives in the fabrication of high frequency field detectors on the nanoscale level. Unfortunately, the current Ratchet Devices, based on semiconductor heterostructures, realized till now, operate at low temperatures to ensure high electron mobility. This condition necessitates the use of a complex experimental setup that has a great impact on the induced voltage and on the reproducibility of the observed Ratchet phenomenon. In this context, the work performed within the framework of this thesis has addressed this problem in two parts. The first part concerns the electromagnetic analysis of the experimental setup behavior. This has been achieved by implementing intensive full wave electromagnetic simulations. Different solutions have been proposed to optimize the setup and thus enhance the Ratchet voltage produced. In addition to the electromagnetic study, some modulation measurements have been performed to test the feasibility of the Ratchet Device as an amplitude demodulator. The second part of this thesis deals with the study of the material composing the Ratchet Device. Recently, graphene has started to invade the scientific and the technological world with its fascinating electronic properties, such as its high electron mobility at room temperature, which distinguishes it from conventional materials that typically collide with obstacles. As a result, the idea of fabricating a Ratchet Device based on graphene instead of semiconductor heterojunctions has been introduced. Several design models, characterizations and RF measurements have been performed in order to obtain a reliable Ratchet Device suitable for many practical applications at room temperature. This has been done in the microwave frequency range and can also extend to the terahertz band.


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