Computational simulation and realization of three-dimensional metamaterials with various exotic properties
Çeşitli sıradışı özelliklere sahip üç boyutlu metamalzemelerin hesaplamalı benzetimleri ve gerçeklenmeleri
- Tez No: 582595
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR SALİH ERGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 164
Özet
Bu çalışmada, bulundukları ortamda negatif ve sıfır elektrik ve/veya manyetik geçirgenlik değerleri indükleyen üç boyutlu metamalzemelerin ve ayrıca optik frekanslarda metamalzemelerin tasarımında kullanılan plazmonik nanoparçacıkların hesaplamalı benzetimleri ve gerçeklenmeleri sunulmuştur. Sayısal çözücüler çoğunlukla normal pozitif parametreler için geliştirildiğinden, negatif/sıfır materyal özelliklerini içeren bu elektromanyetik problemlerin çözümleri son derece zordur. Gerçek hayatta, ayrık-halka rezonatörleri, ince tel yapılar, ve benzeri şekilde dalga boyundan küçük elemanlar içeren üç boyutlu metamalzemeler, tek negatiflik (sanal kırınım indisi) ve çift negatiflik (negatif kırınım indisi) özellikleri sergilemeleri için tasarlanmıştır. Bununla birlikte metamalzeme elemanları dalga boyuna göre küçük detaylara sahiptir ve bu elemanlar genellikle rezonansa girdiklerinde çalışmaktadırlar. Bu yüzden, sayısal modellemelerde kötü koşullu ve büyük matris denklemleri elde edilmektedir. Doğru şekilde uygulandığında, homojenleştirme metamalzeme analizlerini basitleştirmek için kullanılabilir. Ancak, sıradışı parametrelerden dolayı yeni zorluklar ortaya çıkmaktadır. Örneğin, sıfır indisli veya sıfıra yakın indisli materyallerin normal ortamlarla (metaller, boş uzay, v.b.) beraber incelenmesinde yüksek kontrastlı problemler elde edilir, ve özellikle çok büyük dalga boyu değerleri için sayısal kararsızlıklar oluşur. Sanal indis değerlerine yol açan negatif elektriksel geçirgenliğe sahip cisimler olarak modellenmeleri gerektiğinden, metallerin optik frekanslardaki plazmonik davranışları da benzer biçimde sayısal zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bu doğrultuda, sıfır indisli, sıfıra yakın indisli, sanal indisli, ve negatif indisli materyallerin hassas ve verimli sayısal çözümleri için farklı yüzey integral denklemi formülasyonları ve geniş bantlı çok seviyeli hızlı çokkutup yöntemi uygulamaları kapsamlı olarak incelenmiştir. Hesaplamalı benzetimlerin yanında, gümüş katkılı mürekkeplerle yüklü sıradan yazıcıların kullanılmasına dayanan bir düşük maliyetli inkjet basım ortamında metamateryal tasarımları üretilmiştir. Elde edilen ölçüm sonuçları, geliştirilen inkjet baskı tekniğinin kullanılmasıyla, çok düşük maliyetli üç boyutlu metamalzemelerin üretilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, computational analysis and realization of three-dimensional metamaterial structures that induce negative and zero permittivity and/or permeability values in their host environment, as well as plasmonic nanoparticles that are used to design metamaterials at optical frequencies are presented. All these electromagnetic problems are challenging since effective material properties become negative/zero, while numerical solvers are commonly developed for ordinary positive parameters. In real life, three-dimensional metamaterial structures, involving split-ring resonators (SRR), thin wires, and similar subwavelength elements, are designed to exhibit single negativity (imaginary refractive index) and double negativity (negative refractive index) behaviors. However, metamaterial elements have small details with respect to wavelength and they operate when they resonate. Then, their numerical models lead to large matrix equations that are also ill-conditioned, making their solutions extremely difficult, if not impossible. If performed accurately, homogenization simplifies the analysis of metamaterials, while new challenges arise due to extreme parameters. For example, a combination of zero-index (ZI) and near-zero-index (NZI) materials with ordinary media (metals, free space, etc.) results in a high-contrast problem, and numerical instabilities occur particularly due to huge values of wavelength. Similar difficulties arise when considering the plasmonic effects of metals at optical frequencies since they must be modeled as penetrable bodies with negative real permittivity, leading to imaginary index values. Different surface-integral-equation (SIE) formulations and broadband multilevel fast multipole algorithm (MLFMA) implementations are extensively tested for accurate and efficient numerical solutions of ZI, NZI, imaginary-index, and negative-index materials. In addition to their computational simulations, metamaterial designs are fabricated with a low-cost inkjet-printing setup, which is based on using conventional printers that are modified and loaded with silver-based inks. Measurements demonstrate the feasibility of fabricating very low-cost three-dimensional metamaterials using simple inkjet printing.
Benzer Tezler
- Yeni ve gelişmekte olan yarı iletken cihazlar için teknoloji gerçeklemesi, modelleme, devre tasarımı ve simülasyonu: Organik ince film transistör ve dört-uçlu anahtar cihazları
Technology implementation, modeling, circuit design and simulation for emerging semiconductor devices: Organic thin film transistor and four-terminal switch devices
NİHAT AKKAN
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HERMAN SEDEF
DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- Chemical reactor network modelling of a 1000 HP turboshaft engine reverse flow combustor
1000-HP sınıfı bir turboşaft motorun ters akışlı yanma odasının reaktör ağları ile modellenmesi
GÖKHAN VAROL
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR TUNÇER
- Türkiye rüzgâr verilerinin bayesyen maksimum entropi yaklaşımıyla uzay-zaman modeli
Spatiotemporal model of Turkey wind speed data with Bayesian maximum entropy approach
ÖZLEM BAYDAROĞLU
Doktora
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KASIM KOÇAK
- İki boyutlu sistemlerin yüksek mertebeden istatistik ile modellenmesi
Modelling of two-dimensional systems using higher order statistics
A. MAHİR ÖZDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. AHMET H. KAYRAN
- Orta kapasiteli dizel motorlarında atık ısıdan rankine çevrimi ile enerji geri kazanımı
Energy recovery from waste heat of medium duty diesel engine with organic rankine cycle
AHMET SİNAN KARTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE