Geri Dön

Simulation and fabrication of thin film notch filter

İnce film optik eksiltme filtre benzetimi ve üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 633737
  2. Yazar: ERAY HUMALI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 100

Özet

Optik filtreler yüzeylerin optik özelliklerini istenilen düzeyde kontrol edilmesi amacıyla kullanılan yapılardır. Elektromanyetik spektrumun çeşitli bölgelerinde çalışırlar ve girişim ve soğurma filtreleri olarak iki ana gruba ayrılmaktadırlar. Soğurma filtrelerinde temel olarak altlık malzemesine organik veya inorganik malzemelerin eklenmesiyle arzu edilen dalgaboyu aralığının soğurulması sağlanır. Girişim filtreleri ise soğurma filtrelerine kıyasla daha karmaşık yapılardır ve elektromanyetik dalgaların birbiri ile yaptıkları girişimlerin kontrolü prensibine dayanarak çalışır. Girişim filtreleri optik ince film kaplamayla üretilmektedir. Filtre yüzeyine gelen ışınlar belirli bir oranda ince film yüzeyinden ve film tabakası altında yer alan altlıktan yansımaya uğrar. Yansıyan ışıklar arasında film kalınlığı ve film malzemesinin kırıcılık indisine bağlı olarak bir optik yol farkı oluşur. Optik yol farkı yansıyan elektromanyetik dalgalar arasında faz farkının oluşmasını sağlar. Böylece yapıcı ve yıkıcı girişimler meydana gelir. Yapıcı ve yıkıcı girişimlerin hassas kontrolü ile hedeflenen dalgaboyu aralığında filtre davranışı elde edilebilmektedir. Girişim filtreleri çok katmanlı genellikle periyodik olan ince film yapılarıdır. Girişim filtresinin karakteristiği film malzemelerinin kalınlığına, film malzemelerinin ve altlığın kırıcılık indisine ve periyodik katman sayısına bağlıdır. Girişim filtreleri de kendi içerisinde filtreleme şekline ve elektromanyetik spektrumda bulunduğu bölgelere göre sınıflandırılmıştır. Bunlardan en çok öne çıkanlar; monokromatik, uzun bant, kısa bant, optik eksiltme (notch), kenar, mor ötesi, kızıl ötesi filtrelerdir. Bir girişim filtre türü olan optik eksiltme filtreler, elektromanyetik spektrumda merkez bir dalgaboyunu ve komşuluğundaki dar bir bant aralığını geçirmeyen, spektrumun diğer bölgelerine karşılık gelen fotonların geçmesine için veren filtrelerdir. İki adet kesme frekansına sahip oldukları ve dar bir bant aralığında çalıştıkları için optik eksiltme filtreler girişim filtreleri arasında en karmaşık yapılardır. Filtreleme bandı o dalgaboyu aralığına karşılık gelen elektromanyetik dalgaların yapıcı girişim yapması sağlanarak ayarlanır. Girişim filtreleri ince film kaplama yöntemleriyle üretilmektedir. Bu tezin temel amacı, Python yazılımı kullanılarak sık kullanılan ve daha önce kullanılmamış ince film malzeme birleşimleriyle özgün ince film optik eksiltme filtre benzetimi oluşturmak ve benzetim sonuçlarına göre çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere ince film optik eksiltme filtreler üretmektir. Benzetim sonuçlarıyla tutarlı olarak, merkez dalgaboyu 480 nm, 620 nm ve 840 nm olan farklı katman sayılarıyla üç set ince film optik eksiltme filtre üretilmiştir. Üretilen filtreler, nörobiyoloji, Raman spektrometreleri, kızılötesi spektrum uygulamalarında kullanılmaya uygundur. İnce film kaplama işlemi için en yaygın metot fiziksel buharlaştırma tekniğidir. Bu çalışmada üretilmesine karar verilen çok katmanlı ince film optik eksiltme filtreler bir fiziksel buharlaştırma tekniği türü olan elektron demeti buharlaştırma metodu kullanılmıştır. Çalışma kapsamında ilk detaylı olarak ince filmlerin optik davranışını belirleyen fiziksel ilkeler belirlenerek gerekli matematiksel çıkarımlar yapılmıştır. Optik özellikleri belirleyen etmenler incelenerek benzetim matematiksel olarak ifade edilmiştir. Çalışma içerisinde detaylı anlatılan fiziksel prensiplerine dayanarak oluşturulan sayısal modelleme içerisinde bir malzeme kütüphanesi oluşturulmuştur. Benzetim programı içerisindeki malzeme kütüphanesindeki ince film malzemelerine ait olan dalgaboyuna bağlı optik kırıcılık fonksiyonları yer almaktadır. Kırılma indisine etki eden pek çok etmen vardır ancak gelen ışığın dalgaboyu en belirgin olanlardandır. Kırılma indisinin dalgaboyuna bağlılığı dağınım olarak adlandırılır ve malzemenin türü ve faz yapısına göre çeşitli dağınım yaklaşımları vardır. Saydam ve inorganik malzemeler için en tutarlı dağınım yaklaşımı; yarı deneysel bir yaklaşım olan Sellmeier dağınım eşitliğidir. Bu nedenle malzeme kütüphanesine belirlenen malzemelerin Sellmeier dağınım fonksiyonları literatürden eklenmiştir. Malzeme veri tabanı istenildiği takdirde her türden malzeme eklenerek kolaylıkla genişletilebilmektedir. Bu özelliği nedeniyle oluşturulan Python yazılımı limitsiz bir malzeme birleşimi imkânı sunmaktadır. Daha önce benzetimi veya üretimi yapılmamış malzeme birleşimleriyle özgün ince film optik eksiltme filtreleri elde etmek mümkün hale gelmiştir. Ücretsiz ve açık kaynak kodlu bir Python yazılımı oluşturulduğu için diğer bilim insanlarının erişmesi ve malzeme kütüphanesini genişleterek optik filtre benzetimi yapmaları mümkündür. Oluşturulan benzetim programı kullanılarak spektrumun farklı bölgelerinde, çeşitli malzeme istifleri ve tabaka kalınlıklarıyla çok sayıda ince film optik eksiltme filtreler sayısal olarak modellenmiş ve incelenmiştir. İnce film kaplama tekniği olarak kullanılan elektron demeti buharlaştırma yöntemi, elektronların kinetik enerji transferi prensibine dayanmaktadır. Tungsten filamana alternatif akım uygulanarak elde edilen serbest elektronlar uygulanan yüksek potansiyel ile hızlandırılır ve yüksek vakum ortamında yüksek kinetik enerjiye sahip olurlar. Yüksek enerjili serbest elektronlar elektromıknatıslar sayesinde pota içerisindeki kaplama malzemesi üzerine düşürülür. Doğru akım olan sürüm akımının yavaşça artırılmasıyla elektronların sahip olduğu kinetik enerji, çarpışma etkisiyle kaplama malzemesine aktarılır ve katı haldeki film malzemesi buharlaşarak veya süblimleşerek gaz fazına geçer. Pota üzerinde yer alan altlık üzerinde birikmeye başlar. Anlık birikme hızı ise sistem içerisindeki kristal kalınlık görüntüleme sistemi ile hesaplanır. Sistem içerisindeki dönebilir pota tutucu 4 cc'lik altı adet pota yuvasına sahip olduğu için farklı film malzemelerinden oluşan çok katmanlı yapıların üretimi altlık tutucunun döndürülmesiyle mümkündür. Üretim aşaması için ince film kaplamalarda kullanılmak üzere Al2O3, Y2O3 ve SiO2 dielektrik malzemeleri seçilmiştir. Kaplama malzemeleri belirlenirken bileşiklerin erişilebilirliği, saydamlık aralığı ve birbirlerine göre kırıcılık indis farkları göz önünde bulunduruldu. Üretimi planlanan merkez dalgaboyu 480 nm, 620 nm ve 840 nm olan çok katmanlı optik eksiltme filtreler sırasıyla farklı film kalınlıklarındaki Al2O3-Y2O3, Al2O3-SiO2 ve Al2O3-SiO2 malzeme çiftleri kullanılarak oluşturulan yazılımda benzetilmiştir. Çok katmanlı yapılar üretilmeden önce, seçilen her bir malzeme iki farklı kalınlıkta tek katman olarak altlık olarak belirlenen corning cam üzerine biriktirilmiştir. Tek katmanlı yapılar kullanılarak kaplama sisteminin kalınlık görüntüleme bölümü kalibre edilmiştir. Ayrıca Python benzetim yazılımı da ölçülen deneysel veriler ışığında düzeltilmiştir. Film kalınlıkları yüzey profilometresi ile ölçülmüştür. Kaplama malzemesinin gerçek kalınlığı ve kütle yoğunluğu kullanılarak kalınlık görüntüleme sistemi kalibre edilmiştir. Daha sonra benzetim programı ve deneysel örneklerin geçirgenlik oranları karşılaştırılarak film kalınlığındaki hata oranı %10'dan daha az olarak hesaplanmıştır. Geçirgenlik ve yansıtma ölçümleri spektrofotometre cihazı ile yapılmıştır. Bu hatanın sebepleri film malzemesinin Sellmeier dağınım eşitliğindeki küçük değişimler, yüzey profilometresinin ölçüm hassasiyeti ve kaplama sisteminin sistematik hatası olarak düşünülmektedir. Ayrıca tek katmanlı kaplamaların geçirgenlik ölçümü ile benzetim programı ile elde edilen değerin şiddetinde belirli bir farklı olduğu anlaşılmıştır. Bu farklılığın kaplamanın malzeme tipinden ve kalınlığından bağımsız olduğu görülmüştür. Yapılan detaylı araştırma sonucu bu farklılığın boyutsuz bir sabit olduğu ve yaklaşık 1.52 gibi bir değere eşit olduğu fark edilmiştir. Daha sonra bu değerin bir normalizasyon terimi olduğu ve altlığın kırılma indisinin havanın kırılma indisine oranı olduğu tespit edilmiştir. Bu orana beta terimi adı verilerek benzetim programı modifiye edilmiştir. Daha sonra çok katmanlı yapıların benzetimi yapılırken geçirgenlik değeri boyutsuz beta katsayısı ile çarpılarak hesaplanmıştır. Böylece sayısal modellemenin çıktıları, deneysel ölçümlerle daha tutarlı bir hale gelmiştir. Ek olarak tek katmanlı kaplamalar atomik kuvvet mikroskopu ile incelenerek film kalınlığı ve biriktirme hızının yüzey pürüzlülüğüne etkisi araştırılmıştır. Çünkü film tabakasındaki yüzey pürüzlülüğü gelen ışığın saçılmasına neden olarak arzu edilen optik özelliklerin elde edilmesini engelleyebilir. Yapılan deneysel incelemenin ardından üretilecek çok katmanlı ince film optik eksiltme filtreleri için uygun biriktirme hızı 4.0 – 5.0 Å/s olarak belirlenmiştir. Benzetim ve deneysel sonuçlar arasında yeterli tutarlığa ulaşıldıktan sonra hedeflenen çok katmanlı ince film optik eksiltme filtreleri farklı katman sayılarıyla modellenmiştir. Daha sonra elektron demeti buharlaştırma sistemi kullanılarak üç farklı katman sayısında üretilmiştir. Üretilen çok katmanlı ince film optik filtrelerin tüm optik özellikler detaylı olarak incelenerek geçirgenlik ve yansıtma oranları ölçülmüş ve soğurma oranı hesaplanmıştır. Bu inceleme sonucu optik eksiltme filtrenin çalıştığı dar bant aralığında geçmesini engellediği elektromanyetik dalgaları soğurduğu görülmüştür. Soğurma oranının periyodik ince film katman sayısı ile arttığı belirlenmiştir. Ek olarak, her bir filtre için periyodik katman sayısının filtre davranışına olan etkisi incelenmiştir. Periyodik katman sayısı arttıkça optik eksiltme filtrenin davranışının keskinleşerek geçirgenliğin sıfıra yakınsadığı görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Optical filters are used for altering the optical properties of surfaces. They work on a specific range of the electromagnetic spectrum, and they are divided into two as interference and absorptive filters. Interference filters are composed of multilayer periodic thin films and they based on the interference principle of electromagnetic waves. In interference filters, desired transmission and reflection ratios can be achieved by controlling film thickness and refractive index of film material and substrate. There are many parameters of the refractive index, but the wavelength is the most outstanding one for optical filters. The wavelength-dependent refractive index is named dispersion and it can be expressed semi-empirical or empirical models. There are many types of interference filters, so they are categorized according to filtering shape and their location on the electromagnetic spectrum. Notch filters are a type of interference filter. Notch filters block a narrow band between the cut-off frequencies and they transmit other parts of the spectrum. They are the most complex interference filter type because of having two cut-off frequencies and a narrow non-transmitting band. In this thesis, the main purpose is to create an open-source and free thin film notch filter simulation and fabricate various thin film notch filters using unused material combinations according to outputs of the simulation. Also, produced thin film notch filters are suitable for different applications. The thin film notch filter simulation has been created using Python software. The physical principles of the thin films are also in the scope of this thesis. The most common way to produce optical thin films is the physical vapor deposition technique. The desired filters have been produced for the different ranges of the electromagnetic spectrum. During the experimental studies, three-set thin film notch filters have been manufactured whose center wavelength is 480 nm, 620 nm, and 840 nm; moreover, they can be used in various areas that are listed as neurobiology, Raman spectrometers, and infrared spectrometers, respectively. Three dielectric materials, Al2O3, Y2O3, and SiO2, have been selected for manufacturing thin film optical filters, they have been composed of binary combinations of them. Previously simulated multilayer thin film notch filters have been fabricated using the electron beam evaporation technique. The electron beam evaporation method is a type of physical vapor deposition technique. Before manufacturing targeted notch filters, single-layer coatings have been designed and produced for comparison. The thickness monitoring part of the coating system which calculates the coating thickness and deposition rate during the coating procedure, simultaneously, has been calibrated using measured film thickness of single-layer coatings. A film thickness of single-layer coatings has been measured using the surface profiler. Then, the thickness monitoring unit has been calibrated using measured and calculated film thickness and mass density of the coating material. After the calibration, absolute film thickness error between the simulation and experiment has been calculated less than 10%. The reasons for the error percentage have been thought of as small changes in the dispersion equations of the coating materials, sensitivity of surface profiler, and systematic error of the coating system. Moreover, film thickness and deposition rate effects on the surface roughness for each coating material have been investigated by atomic force microscopy since high surface roughness may cause undesired optical features due to the scattering of incoming light. As a result, the optimum deposition rate for multilayer stacks has been decided as 4.0 - 5.0 Å/s according to atomic force microscopy measurements. Optical measurements of both single-layer and multilayer structures have been done by spectrophotometer. While the transmission rate of single-layer coatings had been comparing, the difference between simulated and measured values have been recognized in terms of amplitude. The amplitude difference in transmittance depends on neither film material nor thickness of the film. The difference is dimensionless, and it equals to approximately 1.52. After the compressive literature surveying, the constant has existed as a normalization parameter, and it has been stated as the refractive index ratio of the substrate and air. This normalization constant has been called a b parameter, and it has been used in the simulation of the multilayer thin film notch filters. Numerically modelled multilayer thin film notch filters have been produced with different layer numbers after achieving adequate consistency between the simulation and experimental results. Transmittance, reflectance, and absorptance properties of produced multilayer thin film notch filters have been investigated in detail; besides the effect of layer number on the filter behavior has been examined.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    728935

    Design and fabrication of a Novel Lamb Wave device

    Özgün bir Lamb dalgası cihazı tasarım fabrikasyon ve karakterizasyon çalışmaları

    SALİH ÇOLAKOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER ŞİŞMAN

  2. Tez No

    441700

    Fabrication and characterization of support layer for thin film nanocomposite desalination membranes

    İnce film nanokompozit desalinasyon membranları için destek tabakası üretimi ve karakterizasyonu

    KADER ÖZGÜR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY

  3. Tez No

    832131

    Enhancement of dispenser cathode fabrication with pre – design activation simulations and polymer doping

    Polimer katkılandırma ve ön aktivasyon tasarımı benzetim çalışmaları ile dispenser katotların üretim süreçlerinin geliştirilmesi

    NERGİS YILDIZ ANGIN ATMACA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ALVEROĞLU DURUCU

  4. Tez No

    336870

    Three dimensional nanoplasmonic surfaces: Modeling, fabrication and characterization

    Üç boyutlu plazmonik yüzezler: Modelleme, nanofabrikasyon ve karakterizasyon

    KIVANÇ GÜNGÖR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  5. Tez No

    371092

    Yön bağımlı yüzey özelliklerinin etkisi altında heteroepitaksiyel gerginliğe sahip kuantum noktaların oluşumunun bilgisayar modellemesi

    Başlık çevirisi yok

    MERT YİĞİT ŞENGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mühendislik BilimleriTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERSİN EMRE ÖREN

Geri Dön