Tek katlı ince filmlerin optik özelliklerinin Swanepoel modeli ile belirlenmesi için yazılım geliştirilmesi
Development of a Swanepoel model based software for determination of the optical properties of single layer thin films
Yazar: ÇAĞRI KÖSE
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH CEYLAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
İnce filmlerin dalga boyuna bağlı kompleks kırma indisi bilgisinin doğruluğu, hem araştırmacılar için hem de teknolojik açıdan oldukça önem taşımaktadır. Bu bilgi optik bant aralıkları (yarıiletkenler ve yalıtkanlar için), kusur seviyeleri, fonon ve plazma frekansları gibi bilgileri içermektedir. Ayrıca kırma indisi bilgisi güneş panelleri, girişim filtreleri ve ekran teknolojileri gibi optik cihazlar ve geniş bant / dar bant aralıklı optik kaplamalar ve akıllı camların modellenmesi ve dizaynı için de gerekmektedir. İnce filmlerin optik sabitlerinin hesaplanabilmesi, elde edilen verilerin bir veri tabanı oluşturularak saklanabilmesi ve bu veriler kullanılarak tasarımlar yapılabilmesi optik ve yüzey teknolojisi tabanlı çalışmalarda böyle bir önem taşırken, ülkemizde ince filmlerin optik karakterizasyonu için hazırlanmış yerli bir bilgisayar programının olmayışı, bu alanda çalışan araştırmacıları ve mühendisleri zorlamakta, çalışmalarını yavaşlatmakta ve dışa bağlı kılmaktadır. Bu amaçla, ince filmlerin optik karakterizasyonu ve modellemesi yeteneklerine sahip bir program geliştirmenin ilk adımı olarak bu tez çalışmasında ince filmlerin, elektromanyetik spektrumun morötesi - görünür - yakın kızılötesi bölgesinde alınan optik geçirgenlik verilerinden optik sabitlerini ve kalınlıklarını, Swanepoel zarf metodunu temel alarak hesaplayan OPth programı geliştirilmiştir.
Zarf metodu sadece yüzeye dik gelen ışığın optik geçirgenlik spektrumu kullanılarak girişim saçaklarının maksimum ve minimum noktalarından çizilen zarf eğrisini kullanır ve boyutu yarı sonsuz veya belirli bir alttaş üzerine kaplanan tek katlı ince filmin kırma indisini, soğurma sabitini yüksek doğrulukla elde eder. Bu metot sadece sönüm katsayısının çok küçük olduğu zayıf soğurma bölgesinde geçerlidir ve alttaşın kırma indisinden farklı ince filmler için uygundur. Swanepoel yaptığı çalışmalarda alttaş boyutunun ve alttaş alt yüzeyinden çoklu yansıma katkılarını da göz önüne almıştır.
MATLAB programı ile geliştirilen OPth programının mevcut ticari yazılımlardaki kullanıcı arayüzünün ve veri giriş-çıkışının karmaşık yapısı gibi olumsuz yanlarının giderilmesi ile daha hızlı ve daha verimli çalışması hedeflenmiştir.
Geliştirilen programın test edilmesi amacı ile birçok ince filmin geçirgenlik verisi kullanılmış ancak literatür karşılaştırması için ZnS ve Ta2O5 ince filmlerin ve BK7 gibi cam alttaşların optik geçirgenlik ölçümleri kullanılmıştır. 
Bu çalışmada geliştirilen OPth programının çıktıları arasında ince filmlerin kompleks kırma indisi, soğurma sabiti, kalınlıkları ve optik bant aralıkları olacaktır.

Abstract:
The accuracy of the complex refractive index information of thin films due to the wavelength is very important both for researchers and technologically. This information includes information such as optical band (for semiconductors and insulators), defect levels, phonon and plasma frequencies. In addition, refractive index information is also needed for modeling and designing of optical devices such as solar panels, interference filters and display technologies, and for broadband / narrowband optical coatings and intelligent glasses. The optical constants of thin films can be calculated, the obtained data can be stored in a database and designs can be made using these data, while such importance is given in optical and surface technology based studies, the absence of a domestic computer program for the optical characterization of thin films in our country slows and foreign-dependent the work of researchers and engineers working in this area.
For this purpose, as the first step in developing a program with the optical characterization and modeling capabilities of thin films, the OPth program was developed to calculate the optical constants and thicknesses of thin films from the optical transmittance data obtained in the ultraviolet – visible - near infrared region of the electromagnetic spectrum, based on the Swanepoel envelope method.
The envelope method uses only the envelope curve drawn from the maximum and minimum points of the interference fringes using the optical transmission spectrum of the beam perpendicular to the surface, and obtains the refractive index and absorption coefficient of the single-layer thin film with high accuracy, which is coated on a semi-infinite or specific substrate. This method is only applicable to the weak absorption region where the extinction coefficient is very small and is suitable for refractive index of thin film is different from the substrate. Swanepoel has also taken into consideration the contributions of multiple reflections from the bottom surface of the substrate and substrate size.
Current commercial software has some disadvantages, such as the user interface and the complexity of the data input and output. The OPth program has been developed both for these problems and for faster and more efficient operation.
A lot of thin film transmittance data were used for the purpose of testing the developed OPth program, but optical transmittance measurements of ZnS and Ta2O5 thin films and glass substrate such as BK7 were used for literature comparison.
The output of the OPth program will have a complex refractive index, absorption coefficient, thickness and optical band gap of the thin films.