Design and analysis of metamaterial based perfect absorbers
Metamalzeme bazlı mükemmel soğurucuların dizayn ve analizi
- Tez No: 575818
- Danışmanlar: PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK, PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Dalga boyundan daha küçük boyuttaki ışık soğurucuları optoelektronik, foton algılama, solar hücre ve sensör alanlarında çok büyük bir potansiyele sahiptir. Cihazın boyutlarını küçültmek yapay ve ileri seviye özellikler kazandırır. Günümüz yarı iletken teknolojisindeki daha küçük boyutta ve daha yüksek performans gösteren cihazların üretilmeye çalışılmasının yükselen bir trend olması bundan dolayıdır. Elektromanyetik dalga soğurucularının performansını ve çalıştığı ışık tayfı bölgesini belirleyen iki temel özellik vardır: malzeme seçimi ve yapının şekli. Mükemmel ışık soğurucuları ışığı yapılarında hapsedebilmek için bir metal, yarı iletken veya herhangi çeşitte soğurma özelliği olan bir katmana ihtiyaç duyar. Geleneksel metaller çoğunlukla birincil olarak tercih edilen malzeme olmasına rağmen hem yitimli bir yapıya sahip olan hem de üretim, entegrasyon ve ayarlanabilirlik gibi daha üstün termal özellikleri olan başka türde malzemeler de mevcuttur. Geleneksel metaller yitimli bir yapıya sahip olmaları sebebiyle harika soğrucu malzemeler olmalarına rağmen aşınma ve oksitlenmeye karşı dayanıklı değillerdir. İlk çalışmamızda, geleneksel metallere alternatif bir malzeme olarak geçiş metali karbürlerinin ve geçiş metali nitrürlerinin ışığın görünür bölgeden (Vis) yakın kızıl ötesi bölgeye (NIR) kadar çok geniş bir frekans aralığında mükemmel bir şekilde soğurulmasındaki eşsiz potansiyelini inceledik. İlk olarak, mükemmel ışık soğurucularının gereksinimleri hakkında bir öngörü sahibi olmak için geçiş matrisi metodu (TMM) olarak adlandırılan sistematik bir modelleme tekniği kullanıldı. Elde edilen modelleme sonuçları geçiş metali karbürlerinin ve nitrürlerinin elektriksel geçirgenlik değerlerinin ideal değerler ile çok iyi örtüştüğünü ispatlamaktadır. Ayrıca bu seramik malzemeler metallere kıyasla daha iyi termal özelliklere ve de aşınma ve oksitlenmeye karşı dayanıklı olduklarından da tercih edilmektedirler. Bu özellikleri sayesinde yüksek verimlilikle çalışan ve uzun süreli stabil olan ışık toplayan sistemlerin dizaynı için bir fırsat sunmaktadırlar. Düzlemsel ve ikizkenar yamuk şeklinde sıralanmış katmanlardan oluşan iki farklı şekil kullanıldı. Numerik simülasyon teknikleri kullanılarak her bir karbür ve nitrür için yapıların optik performansları optimize edildi. Bulunan sonuçlar bu seramik malzemelerin bütün yitimli yapıdaki ve plazmonik özellikteki metallere kıyasla daha geniş aralığı soğurabildiğini göstermektedir. Düzlemsel dizilişte titanyum karbür (TiC) 405 nm-1495 nm aralığı kadar geniş bir bandı 0.9'un (normalize olarak) üzerinde soğurarak en geniş soğurma bandını gerçekleştirmiştir. İkizkenar yamuk dizilişinde ise vanadyum nitrürün (VN) 300 nm ile 2500 nm aralığı kadar geniş bir bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın çıktıları solar buhar üretimi ve termal fotovoltaik gibi hem optik hem de termal gereksinimleri olan alanlar dahil olmak üzere gelecekteki yüksek performanslı enerji dönüşüm cihazlarının dizaynı konusunda bir yol ışığı olabilecek niteliktedir. Mevcut dizaynların büyük bir çoğunluğu üretim aşamasında bir litografi aşaması gerektirmektedir ki bu da yapının büyük boyutlarda üretilmeye uygunluğunu ve tekrar edilebilirliğini engellemektedir. İkinci çalışmamızda, litografisiz üretilebilen, sadece bizmut (Bi) metalinden yapılmış nanoyapılardan oluşan, çift fonksiyon gösteren, görünür ve yakın kızıl ötesi bölgede çok geniş bantlı soğurucu, orta kızıl ötesi bölgede ise çok yüksek kırıcılık indisi hassaslığı olan bir dart bantlı soğurucu olarak davranan bir yapı dizayn ettik, ürettik ve karakterize ettik. Bizmutun geleneksel metallere kıyasla çok daha iyi bir elektriksel geçirgenlik özelliği olduğu geçiş matrisi metodu ve Bruggeman'ın etkin ortam kuramı (EMT) kullanılarak ayrıntılı bir şekilde incelendi ve açıklandı. Yapının litografi kullanılmadan, büyük boyutlarda üretimini mümkün kılacak şekilde üretilmesi için eğik açılı kaplama tekniği kullanılarak çok yoğun biçimde dizilmiş ve rastgele yerleşmiş/yönelmiş Bi nanoyapıları elde edildi. Ayrıca, bu üretim tekniğinin alttan üste işlemleme yaklaşımıyla üretilen yapının yerleşmesinin ve uzunluğunun kontrol edildiği gösterilmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre yapı görünür ve yakın kızılötesi bölgelerinde 0.8 üzerinde soğurmaya sahipken orta kızılötesi bölgede ise 6.54 µm merkezlenmiş dar bantlı bir soğurma göstermektedir. Bi yapılarının çok yoğun bir biçimde paketlenmesinden ve sıradışı bir geçirgenlik özelliğine sahip olmasından dolayı nanoyapılar, aralarındaki çok küçük boşluklarda güçlü bir şekilde ışığı hapsedebilmektedir ve bu özellikleri algılama uygulamalarında kullanılmaya uygundur. Yapılan incelemede Bi nanoyapılarının 2.151 µm/birim kırıcılık indisi (RIU) kadar yüksek bir hassaslık değerine sahip olduğu ölçülmüştür. Bu değer bilindiği kadarıyla şimdiye kadar deneysel olarak elde edilen en yüksek hassaslık değeridir. Basit ve büyük boyutlarda üretime uygun olan üretim rotasının olması ve bizmutun eşsiz optik özellikleri, bu dizaynı birçok optoelektronik ve sensör uygulamaları için ümit verici kılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Subwavelength light absorbers have an enormous potential on applications such as photodetection, optoelectronics, solar cells and sensing. Scaling down the device dimensions provides artificial and advanced properties. That's why achieving higher performance devices with smaller sizes is the main trend in semiconductor technology. Design of an electromagnetic wave absorber has two dominant factors on the performance and spectral operation region: material selection and design configuration. Perfect light absorbers require an absorbing layer, such as a metal, semiconductor or any type of absorbing material, to achieve light confinement. While conventional metals have been mostly the primary choice in designs, there are various material types other than them which can have advantageous thermal properties in fabrication, integration or tunability besides having lossy nature. Although conventional metals are great absorbing materials due to lossy natures, they are not durable against erosion and oxidation. In the first work, we scrutinize unprecedented potential of transition metal carbides (TMCs) and nitrides (TMNs) as optional materials to conventional metals, for realization of light perfect absorption in an ultra-broad frequency range encompassing all of the visible (Vis) and near infrared (NIR) regions. To gain insight on the condition for light perfect absorption, a systematic modeling approach based on transfer matrix method (TMM) is firstly utilized. Our modeling findings prove that the permittivity data of these TMCs and TMNs are closely matched with the ideal data. Thus, they can have stronger and broader absorption behavior compared to metals. Besides, these ceramic materials are preferred to metals due to the fact that they have better thermal properties and higher durability against erosion and oxidation than metals. This could provide the opportunity for design of highly efficient light harvesting systems with long-term stability. Two different configurations which are planar and trapezoidal arrays are employed. Numerical simulations are conducted to optimize the device optical performance for each of the proposed carbides and nitrides. Our findings reveal that these ceramic coatings have the broadest absorption response compared to all lossy and plasmonic metals. In planar configuration, titanium carbide (TiC) has the largest absorption bandwidth (BW) where an absorption above 0.9 is retained over a broad wavelength range of 405 nm-1495 nm. In trapezoid architecture, vanadium nitride (VN) shows the widest BW covering a range from 300 nm to 2500 nm. The results of this study can serve as a beacon for the design of future high performance energy conversion devices including solar vapor generation and thermal photovoltaics where both optical and thermal requirements can be satisfied. Majority of existing designs necessitate a lithography-step during the fabrication, which hinders the repeatability, upscaling and large-scale compatibility of these designs. In the second work, we designed, fabricated and characterized a lithography free, double functional single Bismuth (Bi) metal nanostructure for ultra-broadband absorption in the visible and near-infrared, and narrowband response with ultra-high refractive-index sensitivity in mid-infrared (MIR) range. The superior permittivity data of Bi over conventional metals is comprehensively analyzed and explained using systematic modeling approaches based on TMM and Bruggeman's effective medium theory (EMT). To achieve a large scale fabrication of the design in a lithography-free route, oblique-angle deposition approach is used to obtain densely packed and randomly spaced/oriented Bi nanostructures. It has been shown that this fabrication technique can provide a bottom-up approach to control the length and spacing of the design. Our characterization findings reveal a broadband absorption above 0.8 in Vis and NIR, and a narrowband absorption centered around 6.54 µm. Due to densely packed architecture of the Bi nanostructures and its extraordinary permittivity response, they can provide strong field confinement in their ultra-small gaps and this could be utilized for sensing application. An ultrahigh sensitivity of 2.151 µm/refractive-index-unit (RIU) is acquired for this Bi nanostructured absorber, which is, to the best of our knowledge, the experimentally attained highest sensitivity so far. The simple and large scale compatible fabrication route of the design together with extraordinary optical response of Bi coating, makes this design promising for many optoelectronic and sensing applications.
Benzer Tezler
- Radara karşı görünmezlik sağlamak maksadıyla mikrodalga frekanslarda geniş bantlı metamalzeme tabanlı elektromanyetik ışıma emici yapıların tasarım, optimizasyon, fabrikasyon ve ölçümleri
Design, optimization, fabrication and measurement of metamaterial based electromagnetic wave absorbers at microwave frequencies for radar invisibility purpose
KADİR ÖZDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Bilim ve TeknolojiKara Harp Okulu KomutanlığıTeknoloji Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN KOÇER
DR. OKAN MERT YÜCEDAĞ
- Yüksek frekans 5G bantlarında çalışan metamalzeme soğurucu ve X-, Ku-, K-bantlarında çalışan polarizasyon dönüştürücü tasarımlarının gerçekleştirilmesi
Development of desings of metamaterial absorber operating in high-frequency 5G bands and polarization converter operating in X-, Ku, and K-bands
SEHER ŞEYMA ARSLAN MADAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiIğdır ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAMAZAN TOPKAYA
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET TEBER
- Metamalzeme tabanlı plazmonik nanoantenler ile mükemmel soğurucu tasarımı ve analizi
Perfect absorber design and analysis with metamaterial-based plasmonic nanoantennas
VAGIF ZEYNALOV
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
- Highly-doped silicon based photonic devices for mid-infrared light absorption
Yüksek derecede doplanmış silikon tabanlı fotonik yapılar ile orta-kızılötesi ışığın emilimi
KAZİM GÖRGÜLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Rezonatör tabanlı çoklu-bant soğurucu tasarımı ve sensör uygulamaları
Design of resonator based multi-band absorber and sensor applications
ALPARSLAN ÇINAR
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN