Dielectric metasurfaces as passive radiative coolers, colorimetric refractive index sensors, color filters, and one-way perfect absorber/reflectors with transparent sidebands
Uzay aracı pasif radiatif soğutucu, kolorimetrik kırıcılık indisi sensörü, renk filtresi, ve komşu bantlarda geçirgen tek taraflı mükemmel soğurucu/ yansıtıcılar olarak dielektrik metayüzeyler
- Tez No: 640707
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 129
Özet
Metamateryaller, doğal malzemelerle gözlenemeyecek egzotik özellikleri görmemizi sağlayan, insan yapımı, yapay malzemeleri tanımlamaktadır. Metamateryallerin dalga boyundan daha küçük kalınlığa sahip olan karşılıklarına ise metayüzey denmektedir. Özellikle dielektrik metayüzeyler metamateryallere karşı sundukları azaltılmış kalınlıkları ve ohmik kayıplara sahip olmamaları avantajlarından dolayı oldukça yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Burada, dört önemli uygulamaya yönelik metayüzeyler tasarlıyoruz ve uyguluyoruz: 1. Uzay mekikleri için pasif radiatif soğutucular, 2. kolorimetrik kırıcılık indisi sensörleri, ve 3. tek katman grafin tabanlı renk filtreleri. 4. Rezonant tek yönlü soğurma/yansıtma ve geçirgen yanbantlar işlevselliğine sahip bir metayüzey. Ilk projede, eğik açılı kaplama metodu kullanarak hızlı ve litografi içermeyen bir fabrikasyon rotasını, uzay mekikleri ve etrafı arasındaki fiziksel arayüz olarak kullanılabilecek bir optik solar yansıtıcı üretmek için önerdik. Önerdiğimiz metayüzey düzensiz ve sıkı bir şekilde paketlenmiş İndiyum Kalay Oksit (ITO) nanoçubuk ormanlarını baz almaktadır. Bu nanoçubuk ormanlarının mükemmel ışık hapsetme kapasitesi, geometrik boyutlardaki rastgelelik ve ITO'nun termal-kızılötesi bölgesindeki kayıplı plazmonik optik karakteristiği sayesinde termal-radyasyonun geniş plazmonik rezonanslara bağlanması ve nihayetinde deneysel olarak, 2.5 µm-25 µm aralığında 0.968 termal yayma elde edilmesi sağlanmıştır. Solar spektrumda ise, ITO'nun düşük kayıplı dieletrik karakteristiği deneysel solar emiciliğin 0.168'e limitlenmesini sağlamıştır. Sonuç olarak, yüksek çıktı, sağlamlık, düşük maliyet ve yüksek performans sunan bu dizaynımız, sadece uzay görevlerinde değil, aynı zamanda gezegenimiz için çevre dostu pasif radiatif soğutucuların desteklenmesi ve güvenlik etiketlemesi alanında termal görüntüleme uygulaması için de oldukça umut vadedicidir. Ikinci projemizde, 2 boyutlu, periyodik olarak modüle edilmiş bir dielektrik ızgara-dalga kılavuzu yapısının desteklenen modlarının uyarılması esasına dayanan ve kırıcılık indisine oldukça duyarlı bir sensör öneriyoruz. Optimize edilmiş nanosensörlerin nümerik olarak 0.58 nanometrelik ultra-dar spektral genişliğine sahip (yarı-maksimum noktasındaki tam-genişlik) rezonansları uyarabileceği gösterilmiştir. Hassaslık ise dieletrik katmanların yapı üzerine kaplanması düşünülerek numerik olarak incelenmiştir. Katman kalınlığı 30 nm iken maksimum hassaslık 110 nm/Kırıcılık indisi birimi (RIU)ne kadar çıkmıştır, bu da çok yüksek bir başarım ölçüsü olan 190 değerinin alınmasını sağlamıştır. Fabrike edilen ve üzerlerine Alüminyum Oksit ve Çinko Oksit kaplı örnekler maksimum duyarlılık değeri olarak 235.2 nm/Kırıcılık indisi birimi (RIU)ne ve 19 nm spektral genişliğine kadar erişmiştir. Kolorimetrik tespit etme ve polarizasyona duyarsızlık özellikleri ise basit bir optik mikroskop yardımıyla doğrulanmıştır. Farklı dieletrik katmanlarla kaplanmış örneklerin bariz farklı renklerinin olduğu ve azimutal yönde döndürüldüklerinde renklerinin değişmediği gözlendi. Ayrıca, rezonansların spektral pozistonları ve duyarlılık konusunda deneysel veriler ve nümerik sonuçlar arasında mükemmel bir uyum gözlendi. Sonuç olarak, önerdiğimiz cihaz, biyotıp alanında bakım noktasında kişiselleştirilmiş ve etiketsiz bir şekilde erken tanı koyma, alan analizi ve çevresel monitörleme konuları için verimli, yüksek duyarlılıklı, neredeyse optik kayıpsız ve kompakt bir moleküler tanılama platformu sunmaktadır. Üçüncü projemizde ise, nümerik sonuçlara dayanarak dielektrik bir levha dalga-kılavuzunun desteklenen modlarının özgün bir dielektrik ızgara yapısı sayesinde uyarılması prensibiyle çalışan ve renk filtresi olarak kullanılabilecek bir grafin mükemmel soğurucu öneriyoruz. Bu desteklenen modların grafine kritik bir şekilde grafin ile bağlandığında, 0.8 nm'lik bir spektral genişliğe (yarım-maksimum noktasındaki tam-genişlik) sahip bir mükemmel soğurma elde ettik. Önerdiğimiz dizayn tüm polarizasyon açılarında hem rezonansın spektral pozisyonunu, hem de $\%98$'in üzerinde soğurma şiddetini korumaktadır. Uyarılan rezonansın spektral pozisyonu geometrik parametrelerin değiştirilmesi sonucu görünür ve yakın-kızılötesi (NIR) bölgelerinde 400 nm'ye kadar ayarlanabilmiştir. Önerdiğimiz cihaz bu sonuçlar ışığında verimli, ayarlanabilir, ultra-hassas, kompakt, fabrikasyonu kolay, gelişmiş fotodetektörlerin ve ışık seçici bant durdurma filtreleri için büyük potansiyel göstermektedir. Dördüncü ve son projemizde, nümerik olarak yakın-kızılötesi dalgalarının ayarlanabilir bir spektral aralıkta ve ve komşu bantlarda yüksek geçirgenlik alınarak tek bir yönden mükemmel soğurulmasını öneriyoruz. Bu işlevsel özellik; 2 boyutlu, desteklenen-mod rezonansı tabanlı bir ızgara-dalga kılavuzu yapısı, ara dielektrik katmanı ve soğurucu bir oksit katmanı kullanılarak elde edilmiştir. 1.82 µm'da uyarılan ve 19 nm'lik bir spektral genişliğe sahip (yarım-maksimum noktasındaki tam-genişlik) band aralığında, elektromanyetik radyasyon zıt iki yönden birinden cihaza gelince tamamen soğurulduğunu, diğer yönden geldiğinde ise tamamen yansıtıldığını gözlemledik. Ileri yönden-geri yönden soğurulma miktarlarının oranı 60'a kadar çıktı, aynı zamanda cihazın kalınlığı çalışılan dalga boyunun büyüklüğüne yakın tutuldu. Uyarılan rezonansların spektral pozisyonlarının ve genişliklerinin ayarlanabilmesinin yanı sıra, önerdiğimiz cihaz aynı zamanda komşu frekans bantlarında $\%65$ geçirgenliğe sahip, saydam bölgeleri desteklemektedir. Kullandığımız 2 boyutlu ızgara yapısının aynı zamanda gelen ışığın polarizasyon durumuna duyarsız olduğunu doğruladık. Geometrik parametrelerin modifiye edilmesi dizaynımıza büyük bir ayarlanabilirlik kazandırmıştır, bu sayede soğurma/yansıtma bant aralığının 300 nm'ye kadar çıktığı bir dizaynı da gösteriyoruz.
Özet (Çeviri)
Metamaterials define the class of synthetic, man-made materials with exotic properties that cannot be observed with natural materials. Their sub-wavelength counterparts are called metasurfaces. In particular, dielectric metasurfaces are extensively studied due to the advantages they offer in comparison to metamaterials, which are mainly their reduced thickness and not suffering from ohmic losses that are present in metals. Here, we design and implement dielectric metasurfaces in four important application areas, namely 1. Passive radiative coolers for spacecraft, 2. Colorimetric refractive index sensors, and 3. Color filters based on monolayer graphene. 4. A metasurface with a resonant one-way absorption/reflection with transmissive sidebands functionality In the first work, we propose a facile, lithography-free fabrication route, exploiting oblique deposition to design an optical solar reflector, which constitutes the physical interface between the spacecraft and space. Our proposed metasurface is based on disordered and densely packed Indium Tin Oxide (ITO) nanorod forests. The excellent light trapping capability of the nanorod forests, randomness in the geometrical dimensions of these nanorods, combined with the lossy plasmonic nature of ITO in the thermal-infrared range led to strong coupling of thermal-radiation to broad plasmonic resonances, and consequently an experimental emissivity of 0.968, in a very wide range from 2.5 µm to 25 µm. In the solar spectrum, low-loss dielectric characteristic of ITO resulted in an experimental solar absorptivity as small as 0.168. This design with high-throughput, robustness, low-cost and high-performance, therefore, shows great promise not only for space missions but also for promoting environmentally friendly passive radiative cooling for our planet and thermal imaging in the field of security labeling. In the second work, we propose a highly-sensitive refractive index sensor, utilizing the excitation of guided-modes of a novel, 2-dimensional periodically modulated dielectric grating-waveguide structure. The optimized nanosensor can numerically excite guided-mode resonances with an ultra-narrow linewidth (full-width at half-maximum) of 0.58 nm. Sensitivity is numerically investigated by considering the deposition of dielectric layers on the structure. For a layer thickness of 30 nm, the maximum sensitivity reached as high as 110 nm/refractive index unit (RIU), resulting in a very high Figure of Merit of 190. The fabricated devices with 30 nm Aluminum Oxide and Zinc Oxide coatings achieved a maximum sensitivity of 235.2 nm/RIU with a linewidth of 19 nm. Colorimetric detection with polarization-insensitivity is confirmed practically by a simple optical microscope. Samples with different coatings have been observed to have clearly distinct colors, while the color of each sample is nearly identical upon azimuthal rotation. Excellent agreement is obtained between the numerical and experimental results regarding the spectral position of the resonances and sensitivity. The proposed device is, therefore, highly promising in efficient, highly-sensitive, almost lossless, and compact molecular diagnostics platform in the fields of biomedicine with personalized, label-free, early point-of-care diagnosis and field analysis, drug detection, and environmental monitoring. In the third work, we numerically propose a graphene perfect absorber that can be utilized as a color filter, utilizing the excitation of guided-modes of a dielectric slab waveguide by a novel sub-wavelength dielectric grating structure. When the guided-mode resonance is critically coupled to the graphene, we obtain perfect absorption with an ultra-narrow bandwidth (full-width at half-maximum) of 0.8 nm. The proposed design not only preserves the spectral position of the resonance, but also maintains $>98\% $ absorption at all polarization angles. The spectral position of the resonance can be tuned as much as 400 nm in visible and near-infrared regimes by tailoring geometrical parameters. The proposed device has great potential in efficient, tunable, ultra-sensitive, compact and easy-to-fabricate advanced photodetectors and color selective notch filters. In the fourth and final work, we numerically propose the one-way perfect absorption of near-infrared (NIR) radiation in a tunable spectral range with high transmission in the neighboring spectral ranges. This functionality is obtained by using a 2-dimensional, guided-mode resonance based grating-waveguide metasurface that acts as a frequency-selective reflector, a spacer dielectric, and an absorbing oxide layer. Within the bandwidth of the excited guided-mode resonance excited at 1.82 µm with a full-width at half-maximum of 19 nm), we confirmed perfect absorption when light is incident from one of the two opposite directions, whereas in the other direction, perfect reflection is observed. The forward-to-backward absorption ratio reached as high as 60, while the thickness of the entire structure is in the order of the operating wavelength. In addition to the spectral tunability of the excited resonances and their bandwidths, our proposed device supports transparency windows with 65$\%$ transmission in the adjacent frequency bands. Our 2D grating is also verified to enable near-absolute insensitivity to the polarization state of incident light. Geometrical parameter modification also gives our design great tunability, as we also designed a device with 300 nm absorption/reflection linewidth.
Benzer Tezler
- Optical metasurfaces
Başlık çevirisi yok
FATİH BALLI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of KentuckyDR. JOSEPH STRALEY
DR. JEFFREY TODD HASTİNGS
- Görünür ve kızılötesi spektrumda metayüzey tasarım ve analizi
Design and analysis of metasurface at visible and infraredspectrum
AHMET ÖZER
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMZA KURT
- Universally polarization-insensitive achromatic metasurfaces
Evrensel polarizasyon-bağımsız akromatik metayüzeyler
İBRAHİM TANRIÖVER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Design and fabrication of metamaterials for military applications
Askeri uygulamalar için metamalzeme tasarımı ve üretimi
BETÜL YILDIRIM BUDAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Programlanabilir metayüzeyler ve monopol anten uygulamaları
Programmable metasurfaces and monopole antenna applications
GİZEM ALTINTARLA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİskenderun Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİN ÜNAL
DOÇ. DR. MUHARREM KARAASLAN