SiO2 ve ZrO2 ince filmlerin hazırlanması ve optik özelliklerinin incelenmesi
Preparation of SiO2 and ZrO2 thin films and investigation of their optical properties
Yazar: HAKAN ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ZAFER DURUSOY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Silisyum dioksit = Silicon dioxide ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide

Özet:
Günümüz yüksek teknoloji uygulamalarında, özellikle cam ve diğer optik malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alttaş malzemeleri sadece kendi optik özellikleri ile doğrudan sistemlerde kullanılmamaktadır. Çünkü kaplanmamış optik malzemeler istenen optik cevabı tek başına verememektedir. Elektromanyetik spektrumun çalışılan bölgesinde istenilen optik özelliklerin sağlanması için bu alttaşlar üzerine tek katmanlı veya çok katmanlı optik ince filmlerin kaplanması gerekmektedir. Böylece alttaşların optik geçirgenliği (T) ve optik yansıtması (R) elektromanyetik spektrumun istenilen aralığında çeşitli optik tasarımlarla artırılabilir veya azaltılabilir. Belirlenen optik tasarımın elde edilmesinde en önemli unsurlar alttaşın ve kaplama malzemesinin optik özellikleridir. Bu tez çalışmasında tek katmanlı SiO2, ZrO2 ve TiO2 ince filmlerin optik özelliklerinin çok katmanlı ince film tasarımlarına olan etkileri detaylı olarak incelenmiştir.Tek katmanlı SiO2, ZrO2 ve TiO2 ince filmleri, RF/DC magnetron kopartma sistemi kullanılarak cam ve silisyum alttaşlar üzerine farklı deney koşullarında hazırlanmıştır. Uygulanan RF gücü, gaz konsantrasyonu ve kaplama basıncı gibi deneysel parametrelerin filmin optik davranışına etkileri incelenmiş ve kaliteli film hazırlamak için deneysel koşullar belirlenmiştir. Hazırlanan tek katmanlı ince filmlerin optik geçirgenliği ve optik yansıtması eş zamanlı olarak s ve p polarizasyonu ile spektrofotometrede ölçülmüş, Cauchy modeli kullanılarak kırma indisi (n) ve sönüm katsayısı (k) dalgaboyuna bağlı olarak elde edilmiştir.Çok katmanlı ince film çalışmalarında, optik ince filmler için Matris teoremi kullanılarak, MATLAB programında özel olarak optik tasarım programı yazılmıştır. SiO2 ve TiO2 ince filmlerinin sıralı katmanları ile elektromagnetik spektrumun görünür bölgesinde 4, 6 ve 12 katmanlı dielektrik aynalar, görünür ve yakın kızılötesi bölgelerinde 4 katmanlı yansıtmasız filtreler tasarlanmıştır. Tasarlanan dielektrik aynalar ve yansıtmasız filtreler iki kaynaklı RF/DC magnetron kopartma sisteminde hazırlanmıştır. Hazırlanan örneklerin dalgaboyuna bağlı deneysel ve kuramsal optik geçirgenlik ve optik yansıtma eğrileri karşılaştırılmış ve uyumlu oldukları gözlenmiştir. Elektromanyetik spektrumun görünür (400-650 nm) bölgesinde %99.3 yansıtan, tek yüzü kaplanmış %97.7 yansıtmayan ve iki yüzü kaplanmış %99.7 yansıtmayan; yakın kızılötesi (650-1100 nm) bölgesinde tek yüzü kaplanmış %97 yansıtmayan ve iki yüzü kaplanmış %99 yansıtmayan endüstriyel kalitede örnekler hazırlanmıştır.

Abstract:
Today's in high-technology applications, glass and other optical materials are usually used in the systems which interact with light. These substrate materials with only their optical properties are not used directly in systems. Because uncoated substrates don?t give desired optical answer. In order to providing desired optical features on studying range of the electromagnetic spectrum, single layer or multi layer optical thin films should be coated on these substrates. Thus, optical transmission (T) and optical reflection (R) of substrates on the desired range of the electromagnetic spectrum can be increased or decreased by using different optical designs. The most important factors in identified optical design are optical properties of substrate and coating material. In this thesis study, effects of optical properties of single layer SiO2, ZrO2 and TiO2 thin films to multi layer optical designs were investigated in detail.Single layer SiO2, ZrO2 and TiO2 thin films were coated on glass and silicon substrates in RF/DC magnetron sputtering system. Effects of experimental parameters such as applied RF power, gas concentration and coating pressure to optical behavior of film were investigated and experimental conditions were determined for preparing high quality film. Optical transmission and optical reflection of prepared single layer thin films were measured simultaneously with s and p polarization at spectrophotometry. Using the Cauchy model, refractive index (n) and extinction coefficient (k) were obtained depending on wavelength.Using matrix theory for optical thin films in multi layer thin film studies, optical design program was written as a special on MATLAB program. 4, 6 and 12 layer dielectric mirrors in visible region of electromagnetic spectrum and 4 layer antireflection filters in visible and near infrared region of electromagnetic spectrum were designed by sequential layers of SiO2 and TiO2. Designed dielectric mirrors and antireflection filters were prepared in RF/DC magnetron sputtering system which has two source. Curves of optical transmission and optical reflection of prepared samples were compared and was observed to be compatible with each other. Industrial quality samples were prepared with %99.3 reflection, one side coated %97.7 antireflection (AR) and two side coated %99.7 antireflection in visible region of electromagnetic spectrum (400-650 nm) and with one side coated %97 antireflection and two side coated %99 antireflection in near infrared region of electromagnetic spectrum (650-1100 nm).