Color generation and enhancement using large-scale compatible metamaterial design architectures
Büyük ölçekli üretime uygun metamalzeme tasarım mimarisi kullanarak renk üretme ve iyileştirmesi
- Tez No: 726343
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Optik malzemeler, metamalzemeler, renk filtreleri, ışık salınımı, kuantum noktalar, plazmonik, ölçeklenebilir fotonik malzemeler
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Metamalzemeler doğada bulunan malzemelerin ötesinde özel işlevlere sahip olacak şekilde tasarlanıp üretilen yapay malzemelerdir. Görünür ışık dalga boyundan daha küçük boyutlarda birimlerden oluşan bu malzemelerin karakteristik özellikleri her bir nano birimin spesifik fiziksel özellikleri ile beraber, nano birimlerin çeşitli geometrilerde yanyana durmaları ve birbirlerini etkilemelerinden ileri gelen toplu işlevler kazanmaları sayesinde oluşur. Metamalzemeler negatif kırılma indisi, yapay manyetizma, asimetrik geçirgenlik ve görünmezlik pelerini gibi pek çok ümit vadeden sıradışı uygulama imkanına sahiptir. Bu uygulamalar arasında renk üretimi, filtreleme ve iyileştirme işlevleri yakın zamanda dikkat çekici gelişmeler göstermiştir. Renk üretimi temelde iki şekilde gerçekleşir: i) beyaz ışığın filtrelenmesi veya ii) belli dalga boyunda ışıma yapan Kuantum Nokta benzeri malzemeler sayesinde. Birinci yöntemde metamalzemeler üzerine düşen geniş bantlı beyaz ışığın sadece istenen dalga boyu aralığını geri yansıtarak renk oluşturur, bu bağlamda bir renk filtresi gibi davranır. İkinci yöntemde ışıma yapan madde zaten halihazırda tek bir renkte, küçük bir dalga boyu aralığında, ışık üretmektedir. Bu durumda metamalzemenin görevi renk tayfını değiştirmeden sadece bu ışımanın yoğunluğunu artırarak renk üretiminin iyileştirilmesidir. Bu tezde yukarıda bahsedilen iki kategoride görev yapacak olan metamalzemele yapıları tasarlanmış, üretilmiş ve karakterize edilmiştir; dolayısıyla bu tezin içeriği iki kısıma bölünmüştür: i)Birinci kısımda neredeyse yüzde yüz genliğe sahip eklemeli kırmızı-mavi-yeşil (RGB) renklerin yansıtma modunda üretimi gösterilmiştir. Bu amaçla çok katmanlı metal-yalıtkan-metal-yarıiletken-yalıtkan (MIMSI) istifleri tasarlanmış, yansıtma doruk değeri 0.9'dan büyük, yansıtma yarı-doruk genişliği 0.3λpeak'ten küçük malzemeler bu tasarımlarla başarılmıştır. Önerilen tasarım rezonans harici tayfta sıfıra yakın yansıtma değeri gösterdiğinden yüksek derecede renk saflığı elde edilmektedir. Optimize edilen tasarımlar üretilmiş, ve simülasyon hesapları ile üretim sonrası ölçümlerin tutarlı olduğu doğrulanmıştır. Bu çalışma belirli işlevlerde optik kaplamalar için çok katmanlı ardışık kavite tasarımlarının litografi olmaksızın, büyük ölçekli üretimi mümkün kıldığını göstermektedir. ii)İkinci kısımda ışıma yapan kuantum noktaların ışıldanım (fotolüminesans) miktarını neredeyse on kat artıran bir plazmonik nanokavite tasarımının büyük ölçekli üretime uygun, litografi kullanmaksızın üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu metamalzeme tasarımını gerçeklemek için farklı boyutlarda olan ve birbirlerinden farklı mesafelerde bulunan Altın nano birimlerin üzeri eşit şekilde ince bir aluminyum oksit (Al2O3) katman ile kaplanmış, aluminyum oksit katmanının üzerine ise Kuantum Noktaler serilmiştir. Böylece oluşan metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) kavite yapısı ışıma yapan Kuantum Noktalara konak vazifesi görmüştür. Yaptığımız nümerik hesaplamalar ve deneysel çalışmalar, optimum yalıtkan kalınlığı kullanıldığında, aynı anda hem geniş bantlı Fabry-Perot (FP) rezonansının hem de plazmonik sıcak noktaların oluşmasından dolayı, kuantum noktaların ışık emiliminin arttığını göstermiştir. Işık emiliminde oluşan bu artış neticede ışıldama (fotoluminesans) miktarının artmasına sebep olmaktadır. Bu çalışma büyük ölçekte ve litografi kullanılmadan üretilen rastgele plazmonik nanokavitelerin verimli ışık kaynakları için konak olarak kullanılabilme potansiyelini göstermiştir. Özetle, bu tez büyük ölçekli üretilebilir metamalzeme tasarımlarının renk üretimi için kullanılmasına alternatif bir bakış açısı sunmaktadır. Önerilen tasarım ve üretim yolları, başka işlevsel fotoelektronik aygıt tasarımları için de kullanılacak şekilde genişletilebilir. Bu yöntemler sayesinde yüksek performanslı fotoelektronik aygıtlar ölçeklenebilir mimarilerde tasarlanabilir.
Özet (Çeviri)
Metamaterials are a type of artificial matt that can impose exotic functionalities beyond natural materials. These specifically designed sub-wavelength structures acquire these functionalities from their collective geometric arrangement rather than their individual single-unit properties. As a result, metamaterials have shown promising applications, including negative refraction, artificial magnetism, asymmetric transmission, lasing, and cloak of invisibility. Among all these applications, the concept of color generation and enhancement using metamaterial designs have attracted much attention in recent years. We can achieve color generation from two primary sources: i) filtering white light, and ii) generating light from emitting materials such as quantum dots. In color generation using white light, a metamaterial design reflects or transmits a narrow portion of the incident spectrum. Thus, the design acts as a color filter. However, the source is already a narrowband color light in the second category. Thus metamaterials merely amplify the color intensity rather than manipulate its spectral response. In this thesis, metamaterial structures are designed, fabricated, and characterized in both categories mentioned above; The content of this thesis consists of two parts; i)In the first part, we generated additive red-green-blue (RGB) colors in reflectance mode with near-unity amplitude. For this purpose, we designed a multilayer structure made of metal-insulator-metal-semiconductor-insulator (MIMSI) stacks to achieve >0.9 reflection peaks with full-width-at-half-maximum (FWHM) values
Benzer Tezler
- A statistical framework for degraded underwater video generation
Bozulmuş sualtı video üretimi için istatistiksel bir yapı
SERKAN ŞATAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEHÇET UĞUR TÖREYİN
- Havuz kaynamasında bir mikro oyuktaki kabarcıklanmanın incelenmesi
Study of bubble nucleation in a microcavity in pool boiling
TUĞBA TETİK
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL YALÇIN URALCAN
- Uzaktan algılama verileriyle orman yangını analizi
Forest fire analysis with remote sensing data
COŞKUN ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiJeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ SUNAR
- Biogas recovery during anaerobic treatment of lignocellulose-rich pollutants with high sulphate content: an investigation via innovative applications
Yüksek sülfat içerikli lignoselüloz bakımından zengin kirleticilerin havasız arıtımı sırasında biyogaz geri kazanımı: yenilikçi uygulamalarla bir araştırma
EDA YARSUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Derin öğrenme tabanlı yöntemlerle düşük ışıklı görüntü iyileştirme
Low light image enhancement with deep learning based methods
EMİN CİHANGİR US
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER METE EKŞİOĞLU