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http://hdl.handle.net/1843/ESBF-AE7N6F| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Optimization of superlattices with central quantum well and all-optical logic gates |
| Authors: | Luis Eduardo Pedraza Caballero |
| First Advisor: | Omar Paranaiba Vilela Neto |
| First Referee: | Marcos Augusto Menezes Vieira |
| Second Referee: | Paulo Sérgio Soares Guimarães |
| Abstract: | Muitos dos avanços tecnológicos presenciados nos últimos anos se devem às pesquisas com dispositivos na escala nanométrica. Porém, ainda existem muitos desafios e problemas que se apresentam no processo de descoberta de novos materiais e nanodispositivos. Um tipo de estruturas interessantes e que vem chamando a atenção dos cientistas são as superredes de poços quânticos. Essas estruturas são formadas pelo crescimento periódico e alternado de camadas de dois semicondutores distintos, com GAPs de energia diferentes. Como consequência disto, aparecem discontinuidades de energias nas interfaces entre duas camadas adjacentes, o que origina estados eletrônicos estendidos na direção de crescimento da superrede, conhecidos por minibandas. Variações na geometria que compoem a estrutura, tais como, número de poços, largura do poço central, largura dos poços da superrede e altura e largura das barreiras, geram diferentes configurações energéticas. Por outro lado, uma das principais razões da evolução dos computadores modernos é a miniaturização continua dos transistores. Atualmente, os transistores baseados na tecnologia CMOS estão próximos do seu limite físico de miniaturização. Isso se deve ao fato de que na escala nanométrica, efeitos quânticos como a corrente de fuga, devido ao tunelamento, começam a se tornar significativos, impossibilitando aumentar o número de transistores por área. Além disso, os dispositivos computacionais atuais, tem alto consumo energético e dissipação de energia em forma de calor. Por este motivo, novos materiais e novas tecnologias devem ser exploradas como alternativas sucessoras do transistor convencional de silício. Uma possível solução é a tecnologia fotônica, na qual o processamento de sinais é feito com dispositivos que operam com fótons ao invés de elétrons. Em comparação com os dispositivos eletrônicos, para os análogos fotônicos é esperado uma redução considerável de dissipação, baixo consumo energético e alta velocidade de processamento de dados. Nesta tecnologia, os cristais fotônicos são nanodispositivos semicondutores ópticos que têm recebido grande atenção nos últimos anos, dada sua simplicidade de fabricação e a possibilidade de controlar a luz. Estes nanodispositivos apresentam características muitos interessantes e fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos e circuitos inteiramente ópticos. Neste trabalho são utilizados as guias de onda em cristais fotonicos para contolar o fenômeno de interferência de luz e desta forma projetar portas lógicas. Duas novas portas lógicas inteiramente ópticas utilizando cristais fotônicos foram projetadas neste trabalho, a porta da Maioria e a porta de Feyman. A primeira é muito importante para o desenvolvimento de circuitos otimizados e simplificados, a segunda é uma porta reversível que permite a criação de circuitos no limite mínimo de consumo energético. Adicionalmente, foi aplicado uma metodologia para analizar a robustez destes dispositivos com o objetivo de avaliar a tolerância às falhas ante possíveis erros no processo de crescimento físico. Os resultados obtidos, mostram que os dispositivos projetados com essa abordagem são robustos e têm a capacidade de suportar grandes erros no processo de crescimento.ncontrar estruturas com características específicas de configuração energética é um processo de otimização muito complexo, lento e empírico, que demanda um amplo conhecimento e intuição de especialistas. Desta forma, neste trabalho é aplicado um algoritmo genético com o intuito de encontrar superredes de poços quânticos com estados de energia discretos e minibandas específicas em sua configuração energética, visando o desenvolvimento de novos dispositivos tais como fotodetetores. Os resultados obtidos mostram que o GA é uma tecnica adequada para a otimização destas estrutras e as melhores estruturas descobertas apresentam caracteristicas interessantes e grande potencial para ser sintetizadas experimentalmente. Por outro lado, uma das principais razões da evolução dos computadores modernos é a miniaturização continua dos transistores. Atualmente, os transistores baseados na tecnologia CMOS estão próximos do seu limite físico de miniaturização. Isso se deve ao fato de que na escala nanométrica, efeitos quânticos como a corrente de fuga, devido ao tunelamento, começam a se tornar significativos, impossibilitando aumentar o número de transistores por área. Além disso, os dispositivos computacionais atuais, tem alto consumo energético e dissipação de energia em forma de calor. Por este motivo, novos materiais e novas tecnologias devem ser exploradas como alternativas sucessoras do transistor convencional de silício. Uma possível solução é a tecnologia fotônica, na qual o processamento de sinais é feito com dispositivos que operam com fótons ao invés de elétrons. Em comparação com os dispositivos eletrônicos, para os análogos fotônicos é esperado uma redução considerável de dissipação, baixo consumo energético e alta ve |
| Abstract: | In this work, two study cases linking nanotechnology and computer are studied. In the first case, superlattices of quantum wells are optimized through a genetic algorithm with the target to find structures with specific energy-band configuration. The results obtained demonstrate that the GA is an adequate computational techniques to optimize this kind of structures. The best superlattices of quantum wells found have great potential to be growth in order to develop new optoelectronics devices such as photodetectors.In the second case, photonic crystal waveguides are used to control the light beam interference effect with the goal to design all-optical logic devices. Two new logic gates in photonic crystals are proposed: the Majority and Feynman gates. Additionally, a methodology to evaluate the fault tolerance of these devices is performed. The results show that these devices are robust and reliable with 95% of confidence level and have great potential to be implemented physically. |
| Subject: | Computação evolucionária Nanofotônica Computação Arquitetura de computador |
| language: | Inglês |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/ESBF-AE7N6F |
| Issue Date: | 15-Feb-2016 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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