Adaptive metasurface designs for thermal camouflage, radiative cooling, and photodetector applications
Termal kamuflaj, ısınımlı soğutma ve fotodedektör uygulamaları için uyarlanabilir metayüzey tasarımları
- Tez No: 706811
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Dalga boyundan küçük yapay nanoyapılar olarak tanımlanan metamalzemeler, doğal malzemelerde bulunamayan ayırt edici elektromanyetik özelliklere sahip üretilmiş bir malzeme sınıfını ifade eder. Termal ayarlanabilirlik, negatif kırılma indisi, mükemmel absorpsiyon ve görünmez perdeleme bu özelliklere örnektir. Burada, metamalzemeleri dört önemli uygulama alanında tasardık ve uyguladık: 1) Görünür-şeffaf bir hBN-ITO nanoanten emitöründe plazmon-fonon polaritonlarının uyarılması yoluyla çoklu spektral kızılötesi kamuflaj, 2) Uyarlanabilir görünür ve kısa dalga kızılötesi kamuflaj kullanarak dinamik olarak ayarlanabilen bir metayüzey, 3) Faz değiştiren malzeme ile birleştirilmiş dielektrik nanoanten kullanan orta kızılötesi uyarlanabilir termal kamuflaj, 4) Termal olarak ayarlanabilir ultra dar bant ışık emilimi için iki boyutlu yarı iletkenlerle birleştirilmiş tamamen dielektrik metayüzey. İlk çalışmada hem görünür hem de SWIR menzillerinde uyarlanabilir kamuflaj sağlamak için bir metasurface tasarımı geliştirildi. Önerilen meta yüzey, bir metal-yalıtkan-metal (MIM, Ag-Sb2S3-Ag) nano kovuk üzerinde bir indiyum kalay oksit (ITO) ızgarasından yapılmıştır. Amorf durumda, tasarım renkli bir geçirgen pencere olarak çalışır, kristal fazda ise yansıtıcı bir aynaya dönüşür. Bu sırada kovuk, 1150-1350 nm (Bölge I) ve 1400-1700 nm'de (Bölge II) iki iletim bölgesini kapsayacak şekilde ayarlanabilir SWIR emilimi sağlayan ITO nanoanteni için termal olarak ayarlanabilen bir yuva görevi görür. Genişletilmiş yüzey plazmonlarının (ESP'ler) ve yönlendirilmiş mod rezonanslarının (GMR'ler) uyarılmasının, SWIR aralığında ışık absorpsiyonundan sorumlu olduğu bulunmuştur. Teorik hesaplamalarımız, tasarımın renk benimseme yeteneğinin yanı sıra, Bölge I/Bölge II'deki SWIR yansımasının amorf/kristal fazlarda 0,37/0,53 ve 0,75/0,25'e düştüğünü göstermektedir. İkinci çalışmada, tüm çoklu spektral kamuflaj gereksinimlerini karşılamak için ITO-hBN ızgarasından yapılmış bir hibrit nanoanten mimarisi önerilmiştir. Bu tasarımda, ITO ve hBN'deki plazmon-fonon polaritonlarının aynı anda uyarılması, NTIR aralığında geniş bant absorpsiyonuna ve MWIR ve LWIR aralıklarında yansımaya yol açar. Ayrıca, ITO filmindeki absorpsiyon, SWIR modu kamuflajı sağlar. Ayrıca, bu hibrit tasarımın önemini vurgulamak için, ITO-hBN tasarımı ITO-TiO2 heteroyapısı (TiO2 arzu ettiğimiz aralıklarda kayıpsız bir dielektriktir) ile karşılaştırılır. Son olarak, meta yüzeyin kamuflaj performansı, meta yüzey tasarımı kara cisim nesnesinin üzerindeyken giden emisyon bastırma kabiliyeti ile değerlendirilir. Üçüncü çalışmada, tasarımın spektral emisyonunu uyarlayarak MIR bölgesinde düşük gözlemlenebilirlik elde etmek için PCM-dielektrik tabanlı bir metasurface nanoanten emitör tasarımı önerilmiştir. Önerilen termal nanoanten yayıcı, kalın bir gümüş (Ag) aynanın üzerinde yüksek indeksli bir dielektrik nano ızgaradan (bizim durumumuzda silikon (Si)) oluşur. Absorpsiyon tepkisini aktif olarak ayarlamak için ızgaraya ultra ince bir VO2 ara katmanı yerleştirilmiştir. Tasarım geometrileri, termal kamuflaj uygulamaları için atmosferik absorpsiyon pencerelerine rezonans dalga boylarını yerleştirmek için ayarlanmıştır. VO2 katmanının konumuna bağlı olarak, tasarımın metal fazdaki optik tepkisi, dar banttan geniş bant termal yayıcıya çeşitli şekillerde ayarlanabilir. Bu nedenle, yüzey sıcaklığındaki artışla, önerilen meta yüzey tabanlı termal nanoanten emitör, kamuflaj teknolojisi gereksinimine dayalı olarak ısısını uyumlu bir şekilde serbest bırakırken, daha güçlü bir ışıma termal emisyonuna sahip geniş bantlı bir emitöre dönüşür. Önerilen tasarımın atmosferik soğurma pencereleri ile mükemmel uyumu vardır, böylece termal kamera sistemleri tarafından gözlemlenmeden ısısını verimli bir şekilde serbest bırakabilir. Yapının olası bir IR sensörü tarafından algılanabilirliği, seçilen spektrumlar üzerinde güç hesaplamaları kullanılarak hesaplanır. Ayrıca VO2 malzemesinin histerezis davranışından dolayı hesaplamalar soğutma ve ısıtma koşulları için ayrı ayrı yapılmıştır. Dördüncü ve son çalışmada, tek katmanlı bir TMDC katmanı içinde ultra dar bant ışık absorpsiyonunu elde etmek için dielektrik tabanlı bir meta yüzey platformu önerilmiştir. Bu amaçla metasurface tasarımı optimize edilmiştir. Daha sonra bu tasarım, daha iyi absorpsiyon sonuçlarını gözlemlemek için tek ve çok katmanlı TMDC'lerle birleştirilir. Bu amaçla, en yaygın kullanılan TMDC'ler olarak MoS2 ve WS2 seçilmiştir. Dielektrik nano ızgara tarafından desteklenen ışığın Mie rezonanslarıyla eşleşmesi, TMDC katmanı içinde dar bantlı absorpsiyon sağlar. Daha fazla iyileştirmeye ulaşmak için, bu dielektrik tabanlı metayüzeye bir kovuk tasarımı entegre edilmiştir. En iyi optimize edilmiş tasarımda, soğurma verimliliği 0,85'e ulaşır ve FWHM, 3,1 nm kadar dar kalır. Son olarak, tasarımın termal ayarlanabilirlik özelliği, herhangi bir faz değiştiren malzeme kullanılmadan gösterilmiştir. Bu, tasarımdaki güçlü ışık hapsi nedeniyle elde edilir. Bu ışık hapsi nedeniyle, rezonans tasarımında kırılma indisindeki herhangi bir küçük değişiklik farkedilir. Böylece rezonans frekansı kaymaları ve termal ayarlanabilirlik elde edilir. Yukarıda bahsedilen optimize edilmiş tasarımın termal hassasiyeti 0,0096 nm/C'ye ulaşır.
Özet (Çeviri)
Metamaterials, described as artificial sub-wavelength nanostructures, refer to a class of manufactured materials that possess distinctive electromagnetic features which cannot be found with natural materials. Thermal tunability, negative refractive index, perfect absorption, and invisible cloaking are examples of these attributes. Here, we design and implement metamaterials in four important application areas, namely 1) Multi-spectral infrared camouflage through excitation of plasmon-phonon polaritons in a visible-transparent hBN-ITO nanoantenna emitter, 2) Adaptive visible and short-wave infrared camouflage using a dynamically tunable metasurface, 3) Mid-infrared adaptive thermal camouflage using a phase-change material coupled dielectric nanoantenna, 4) An All-Dielectric Metasurface Coupled with Two-Dimensional Semiconductors for Thermally Tunable Ultra-narrowband Light Absorption. In the first work, a metasurface design is developed to provide adaptive camouflage in both visible and SWIR ranges. The proposed metasurface is made of an indium tin oxide (ITO) grating on a metal-insulator-metal (MIM, Ag-Sb2S3-Ag) nanocavity. In the amorphous state, the design operates as a colored transmissive window while, in the crystalline phase, it switches into a reflective mirror. In the meantime, the cavity acts as a thermally tunable host for the ITO nanoantenna providing tunable SWIR absorption to cover two transmissive regions at 1150-1350 nm (Region I) and 1400-1700 nm (Region II). It is found that the excitation of extended surface plasmons (ESPs) and guided mode resonances (GMRs) are responsible for light absorption in the SWIR range. Our theoretical calculations show that, besides the design's ability for color adoption, the SWIR reflectance in Region I/Region II are reduced to 0.37/0.53 and 0.75/0.25 in the amorphous/crystalline phases. In the second work, a hybrid nanoantenna architecture made of ITO-hBN grating is proposed to satisfy all multi-spectral camouflage requirements. In this design, simultaneous excitation of plasmon-phonon polaritons in ITO and hBN leads to broadband absorption in the NTIR range and reflection in MWIR and LWIR ranges. Moreover, the bulk absorption in ITO film provides SWIR mode camouflage. Moreover, to highlight the importance of this hybrid design, the ITO-hBN design is compared with ITO-TiO2 heterostructure(TiO2 is a lossless dielectric in our desired ranges). Finally, the camouflage performance of the metasurface is evaluated as the outgoing emission suppression when the metasurface design is on top of the blackbody object. In the third work, a PCM-dielectric based metasurface nanoantenna emitter design is proposed to achieve low observability at the MIR region by tailoring the spectral emissivity of the design. The proposed thermal nanoantenna emitter is composed of a high index dielectric (silicon (Si) in our case) nanograting on top of a thick silver (Ag) mirror. An ultrathin VO2 interlayer is embedded within the grating to actively tune its absorption response. The design geometries are adopted to place the resonance wavelengths in the atmospheric absorption windows for thermal camouflage applications. Based on the position of the VO2 layer, the optical response of the design in the metal phase can be diversely tuned from a narrowband to a broadband thermal emitter. Therefore, upon increase in the surface temperature, the proposed metasurface based thermal nanoantenna emitter turns into a broadband emitter with a stronger radiative thermal emission while it compatibly releases its heat based on the camouflage technology requirement. The proposed design has perfect matching with atmospheric absorption windows so that it can efficiently release its heat without being observed by thermal camera systems. The detectability of the structure by a possible IR sensor is calculated using power calculations over the selected spectra. In addition, due to the hysteresis behavior of VO2, the calculations are done separately for cooling and heating conditions. In the fourth and final work, a dielectric based metasurface platform is proposed to achieve ultra-narrowband light absorption within a monolayer thick TMDC layer. For this purpose, the metasurface design is optimized. Then, this design is coupled with mono and multilayer TMDCs to observe better absorption results. For this purpose, MoS2, and WS2 are chosen as the most commonly used TMDCs. The coupling of light into Mie resonances, supported by dielectric nanograting, provides narrowband absorption within the TMDC layer. To reach further enhancement, a cavity design is integrated into this dielectric-based metasurface. For the best optimized design, the absorptance efficiency reaches to 0.85 and FWHM stays as narrow as 3.1 nm. Finally, the thermal tunability characteristic of the design is shown, without use of any phase change material. This is achieved due to strong light confinement within the design. Due to this confinement, any small change in the refractive index is seen by the resonant design. Thus, the resonance frequency shifts and thermal tunability is acquired. The thermal sensitivity of the above-mentioned optimized design reaches to 0.0096 nm/C.
Benzer Tezler
- Design of metamaterial-based nanostructures for 5G applications & thermal radiation management
5G uygulamaları ve termal radyasyon yonetımı ıcın metamalzeme tabanlı nanoyapı tasarımı
EKİN BİRCAN BOŞDURMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- LMS and FXLMS algorithms applied to narrowband active noise cancelling applications
LMS ve FXLMS algoritmalarının darbantlı aktif gürültü bastırma uygulamalarında kullanımı
ALİ TÜRKAY
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TOLGA ÇİLOĞLU
- Adaptif filtrelerin EEG işaretlerine uygulanması
Application of adaptive filters to EEG signals
FATİH DÖLEK
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KEMAL KIYMIK
- Uyarlamalı model kontrol
Başlık çevirisi yok
ERDOĞAN GÜLYAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. N. AYDIN HIZAL