Dielektrik çok katmanlı geniş bantlı kızılötesi metamalzeme soğurucunun tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of a dielectric multilayer broadband infrared metamaterial absorber
Yazar: BUKET AKIN
Danışman: PROF. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Doğal malzemelerin ötesinde optik özelliklere sahip hem yığın hem de yarı-sonsuz düzlemsel olarak tasarlanmış dielektrik metamalzemeler, alt dalga boyu boyutlarına sahip rezonant mimarilerin geliştirilmesi için umut verici platformlar olarak ortaya çıkmıştır. Tüm dielektrik metamalzemeleri plazmonik yapılardan ayıran temel kriter, kızılötesi ve görünür spektral bölgelerde ihmal edilebilir kayıplar sergilemeleri, ultra güçlü ve verimli cihazların geliştirilmesinde kullanılabilecek önemli bir potansiyele sahip olmalarıdır. Nanofabrikasyon ve dielektrik metamalzemelerin tasarımındaki bu gelişmeler, gelecek nesil teknolojiler için fotonik meta cihazların minyatürleştirilmesini sağlaması açısından önemlidir. Özellikle, dielektrik-metamalzeme kaplamaları, karakteristik yansıma/iletim yanıtlarını kontrol edilmesiyle yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve termal kamuflaj gibi stratejik uygulamalara sahiptir. Bu çalışmada, orta kızılötesi (MWIR) ve uzun kızılötesi ışığın (LWIR) geniş bantlı soğurmaunu sağlamak için dielektrik katmanlardan oluşan Al2O3/Ge/ITO/SKC yığın meta-soğurucuların tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu sunulmaktadır. Bu yapı, son derece gelişmiş mikro fabrikasyon tekniklerinden biri olan e-beam termal buharlaştırma sistemi ile vakum kırılmadan sırayla kaplanarak üretilmiştir. Simülasyonlar ve deneysel değerlendirmeler yoluyla, meta yapının geometrik parametreleri uygun bir şekilde seçilmesiyle, soğurma ~%92'nin üzerinde yapılan analizlerle görülmüştür. Özelleştirilmiş bu tüm dielektrik meta-soğurucuların özelliklerini mekanik olarak anlamak için, kullanılan Al2O3 katmanının kalınlığının orta ve uzun KÖ soğurma performansı üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla kapsamlı sayısal hesaplamalar yaptık. Daha da önemlisi, öngörülen meta-soğurucu polarizasyona duyarsız olduğu ve çok çeşitli geliş açılarında tutarlı bir şekilde çalıştığı görülmüştür.

Abstract:
Dielectric metamaterials rationally engineered in both bulk and quasi-infinite planar fashions with optical properties beyond natural materials have emerged as promising platforms for developing resonant architectures with sub-wavelength dimensions. The main criterion that distinguishes all-dielectric metamaterials from their plasmonic counterparts is that they exhibit negligible losses in the infrared and visible spectral regions, possessing an immense potential to be employed in developing ultradense and efficient devices. Advances in the nanofabrication and design of dielectric metamaterials enabled the miniaturization of photonic metadevices for coming generation technologies. In particular, dielectric-metamaterial coatings possess strategic applications such as high-resolution imaging and thermal camouflage in diverse technologies through controlling the characteristic reflection/transmission responses. In this study, the design, fabrication, and characterization of Al2O3/Ge/ITO/Soda Lime Glass stack meta-absorbers consisting of dielectric layers to provide broadband absorption of mid-infrared (MWIR) and long-infrared light (LWIR) are presented. The structure was produced by coating with an e-beam thermal evaporation system, one of the highly developed microfabrication techniques, sequentially without vacuum breaking. Through computational investigations and experimental assessments, the geometric parameters of the metastructure were judiciously selected, where the absorbance of over ~92% was achieved in the conducted analyses. To mechanically understand the properties of these customized all-dielectric meta-absorbers, we performed extensive numerical calculations to investigate the effect of the thickness of the used Al2O3 layer on the medium and LWIR absorption performance. Notably, the projected meta-absorber is polarization-insensitive and performs consistently over a wide range of incidence angles.