Hiperbolik metamalzemeler
Hyperbolic metamaterials
Yazar: SEVİNÇ EŞEN
Danışman: PROF. DR. HALUK ŞAFAK
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotonik kristaller = Photonic crystals ; Hiperbolik denklemler = Hyperbolic equations ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Transfer fonksiyonları = Transfer functions

Özet:
Bu çalışma, çok tabakalı hiperbolik metamalzemelerin genel özelliklerini incelemek ve farklı metal/dielektrik malzemelerden elde edilen değişik hiperbolik metayapıların spektral tepkilerini araştırmak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bunun için öncelikle metamalzeme ve hiperbolik metamalzeme kavramlarının fiziği kapsamlı biçimde açıklanmış, bu yapıların genel uygulama alanları ve bu tür yapıları modellemek için kullanılan temel yöntem ve yaklaşımlar anlatılmıştır. Gerekli teorik alt yapı bilgisi verildikten sonra, en basit fotonik yapı örneklerinden olan Bragg aynası modellenmiş, yapının geçirgenlik ve yansıma spektrumları hesaplanmış ve oluşan band yapısı araştırılmıştır. Daha sonra, birçok tabakalı heteroyapının hiperbolik dispersiyon gösterdiği spektral aralık belirlenmiş, bu hiperbolik dispersiyon bölgesinin doluluk oranı ile ve dielektrik permittivite değeri ile nasıl değiştiği incelenmiştir. Düzgün (AB)m biçiminde tasarlanan periyodik hiperbolik metamalzeme yapıları üzerinde transfer matris metodu (TMM) ve etkin ortam yaklaşımı (EMA) kullanılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiş, görünür ve yakın kırmızı ötesi bölgede çalışan ve Ag (gümüş) ve Au (altın) metalleri ile oluşturulan metamalzemelerin yansıma, geçirgenlik ve soğurma gibi optik spektrumları belirlenmiş ve bu optik spektrumlar üzerine ışığın yapıya gelme açısı, periyot sayısı, doluluk oranı, dielektrik permittivite gibi farklı parametrelerin etkisi ayrıntılı biçimde araştırılmıştır. Tez çalışmasının bir sonraki aşamasında, karmaşık periyodik yapılar incelenmiştir. Bu amaçla, hiperbolik metamalzeme içeren bir boyutlu fotonik kristal yapılar (1-D PCCH) ele alınmış, değişik metal/dielektrik malzeme çiftleri ile oluşturulan [(AB)mC]n türü bir-boyutlu fotonik kristal yapılar tasarlanmış ve bu yapıların optik spektrumları hesaplanmıştır. İncelenen 1-D PCCH yapıların geniş bir spektral bölgede gelme açısından olabildiğince bağımsız spektral tepkiler verdikleri görülmüştür. Tezin son kısmında ise bir periyodik yapıda kusur olarak nitelendirilebilecek bir ara tabakanın varlığının yapının toplam spektral tepkisini nasıl etkileyebileceği araştırılmış, bunun için bu ara kusur tabakasının kalınlık ve dielektrik permittivite değişimlerine bağlı olarak heteroyapının sonuç spektrumları analiz edilmiştir. Kusur tabakasının dielektrik permittivitesinin sonuç davranışı daha güçlü etkilediği görülmüştür.

Abstract:
This study, have been performed to survey the common properties of multilayered hyperbolical metamaterials and also to investigate the spectral response of some specific hyperbolical meta-structures obtained by different metal/dielectric materials. For this purpose, firstly the physical background of the metamaterial and the hyperbolical metamaterial concepts were explored in some detail, and later, common application areas and basic methods and approximations used in modeling these structures were described.  After the required theoretical knowledge has been given, the Bragg mirror, the simplest photonic crystal structure, was modelled and transmission and reflection spectra have been determined, and the band gap occurred in this structure are explored. Next, hyperbolical dispersion regions observed in most multilayered heterostructures were determined, and the effect of filling factor and the dielectric permittivity on these hyperbolic dispersion regions are analyzed. Upon the uniform (AB)m periodically designed hyperbolical metamaterials, using the transfer matrix method (TMM) and also the effective medium approximation (EMA), several optical calculations were performed, reflection, transmission and absorption spectra of the metamaterials constituted by Ag (silver) and Au (gold) metals, which operates in the visible and near infrared regions, were found and also the effects of some parameters such as incident angle of light, period number, filling factor and dielectric permittivity on these spectra were analyzed. In next stage of the study, mixed periodical heterostructures were considered. For this end, one-dimensional photonic crystals containing hyperbolic metamaterials, (1-D PCCH) were studied, some one-dimensional photonic crystals structures such as [(AB)mC]n obtained by different metal/dielectric material pairs were designed and optical spectra of these structures were determined. The investigated 1-D PCCH structures were found as angle-insensitive in a wide range of spectral region considered. In the last part of this study, the influence of an intermediate layer in a periodical heterostructure, which can be regarded as a defect in a manner, upon the spectral behavior of whole structure were investigated, the final spectra of structure were analyzed in terms of thickness and dielectric permittivity of these defect layer. It was found that the dielectric permittivity of defect layer has more strong effect on the final behavior.