Sıcaklık ile ayarlanabilir vanadyum oksit temelli nanofotonik yapılar
Temperature tunable vanadium oxide based nanophotonic structures
Yazar: MEHMET CİHAN ÇAKIR
Danışman: PROF. DR. NECDET SAĞLAM ; PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, RF magnetron sıçratma ve ardışık tavlama prosesi ile büyütülmüş vanadyum dioksit (VO2) ince filmlerin faz değiştirme davranışı, optik ve elektriksel parametreleri üzerinden incelenmiştir. İnce filmlerin yapısal karakterizasyonu x-ışını kırınımı (XRD), aromik kuvvet mikroskopu (AFM) ve taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile yapılmıştır. IR yansıtıcılık ölçümleri FTIR metodu kullanılarak yapılmıştır. VO2'in faz değiştirme davranışı, sadece iki uç durum olan: sıcak (metalik) ve soğuk (yalıtkan) koşullarında incelenmemiş, aynı zamanda VO2'in doğal bir metamalzeme gibi davrandığı, metalik ve yalıtkan fazların bir arada bulunduğu faz geçiş bölgesine de odaklanılmıştır. Faz geçiş bölgesinde, metalik ve yalıtkan bölgelerin büyüklük ve şekilleri, sıcaklık ile değişim gösterirken buna bağlı olarak optik özelliklerinde kademeli olarak değişim elde edilir. Çalışmada VO2'in bu bölgedeki davranışını modellemek için önerilen bir bir yaklaşım olan Efektif Ortam Teoremi (EMT) kullanılmıştır. Söz konusu yaklaşımın devreye sokulduğu, transfer matris metodu (TMM) simulasyonlarının, ölçümlenen yansıtıcılık verisine yaklaştırılması ile analizler yapılmıştır. Bu yaklaşımla elde edilen sonuçlar, metalik ve yalıtkan bölgelerin sadece büyüklüğünün değil aynı zamanda biçimlerinin de sıcaklık ile dikkate değer bir değişim gösterdiğini ortaya koymuştur. Çalışmada, faz geçişi bölgesindeki ısınma ve soğuma döngülerinden deneysel olarak elde edilen verilerle görülen, VO2 filmin elektriksel ve optik özelliklerindeki histerik davranış, simulasyonlarla da ayrıca incelenmiştir. Son olarak, kızıl ötesi (IR) bölgede ayarlanabilir yansıtıcılık gösteren, planer (lithography-free) ve nano-desenlenmiş aygıtlar tasarlanarak, kimyasal buhar biriktirme (CVD), fiziksel buhar biriktirme (PVD), indüktif olarak eşlenmiş plazma ile reaktif iyon aşındırma (ICP-RIE) ve elektron demeti ile litografi (EBL) gibi fabrikasyon teknikleri kullanılarak üretilmiştir.

Abstract:
In this work, the phase change behavior of vanadium dioxide (VO2) thin films grown by RF magnetron sputtering and post annealing process, has been studied by its optical and electrical parameters. The structures of thin films are investigated by x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscope (SEM). IR reflectivity measurements are done by using FTIR method. The phase change behavior of VO2 is investigated not only in two extreme regimes: hot (metallic) and cold (insulating) states but also in the transition temperatures, where VO2 acts like an inherent metamaterial with mixed metallic insulating character. In this range, the portions of metallic and insulating inclusions are tuned by temperature, and therefore a gradual change of optical parameters can be achieved. A universal hybrid modeling approach introduced to model VO2 in the intermediate region is used. The measured reflectivity data is analyzed and matched through the transfer matrix method (TMM) simulations where an effective medium theory (EMT) is employed. Based on the findings of this approach, not only the relative portions of inclusions are tailored but also their grain shapes are significantly altered in the transition range. In addition, the hysteretic behaviors on electrical, optical, and structural parameters of the VO2 film along the heating and cooling cycles are demonstrated by the experiments and scrutinized by the simulations. Finally; lithography-free and nano-patterned devices are designed and fabricated, using such techniques; chemical (CVD) and physical vapor deposition (PVD), inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) and electron beam lithography (EBL) which show tunable reflectance operating at infrared wavelengths.