Computational simulation of graphene-based thermopile

Recent years have witnessed a great interest toward industrializing two- dimensional materials in Microelectromechanical (MEMS) devices. Graphene-based thermopile is one of the MEMS devices utilized for detecting the temperature of bodies at 300-500K. The aim of this thesis is to numerically simulate the graphene-based thermopile via finite element method. Simulation is a cost and time efficient method to predict the effect of manipulating the parameters in the thermopile’s performance. To achieve this, we formulize the functionality of the graphene-based thermopile device. Then, we simulate the device and extract its temperature distribution when exposed to the radiation of a blackbody. Finally, we use the simulation’s outputs to calculate photovoltage and detectivity of the system. The calculated results using our simulation are shown to match the corresponding experimental data.

Negli ultimi anni si è assistito ad un grande interesse verso l'industrializzazione in dispositivi micro elettro-meccanici (MEMS) di materiali bidimensionali, tra cui il grafene per la sua straordinaria mobilità dei portatori. In particolare, la termopila a base di grafene è uno dei dispositivi MEMS utilizzati per rilevare la temperatura di corpi a 300-500K. L'obiettivo di questa tesi è quello di simulare numericamente una termopila a base di grafene tramite l'uso del metodo degli elementi finiti. Si mostra come questa simulazione possa essere un metodo efficiente, in termini di costi e tempo, per prevedere l'effetto della manipolazione dei parametri sulle prestazioni della termopila. Per ottenere questo risultato, viene prima formulata la funzionalità del dispositivo a base di grafene; in seguito, si simula il dispositivo e si estrae la distribuzione di temperatura al suo interno, una volta esposto alla radiazione di un corpo nero. Infine, i risultati della simulazione vengono utilizzati per calcolare il fotovoltaggio e la detettività del sistema. Si mostra come i risultati calcolati utilizzando la simulazione proposta concordino con i corrispondenti dati sperimentali.