Tam yansıtan ve hiç yansıtmayan çok katmanlı dielektrik filimler
Totally reflecting and antireflecting multilayered dielectric films
Yazar: ÖZLEM DUYAR
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ZAFER DURUSOY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, elektromagnetik spektrumun görünür ve kırmızı altıbölgeleri için değişik kullanım amaçlı çok katmanlı dielektrik ince filimkaplamaların simülasyon ve tasarım çalışmaları yapılmış ve tasarlanmış olanoptik filtrelerin bir kısmı uygun büyütme teknikleri kullanılarak hazırlanmış veoptik karakterizasyonları yapılmıştır.Tez çalışmalarında ilk olarak optik matris teorisi kullanılarak özel olarak yazılmış?Mathematica? programları ile bazı tam yansıtan ve tam yansıtmayan optik filtresimülasyon çalışmaları yapılmış ve Hacettepe Üniversitesi Fizik MühendisliğiBölümü İnce Filim Hazırlama ve Ölçüm Laboratuvarı'ında bulunan MRCfirmasına ait vakum sistemi kullanılarak, tasarlanan bir yansıtmaz iki katlı optikkaplama hazırlanmış ve optik karakterizasyonu yapılmıştır.Daha sonra tez çalışmasının bir kısmı TÜBİTAK NATO 2 bursu ile bir yıl?University of Paisley Thin Film Centre? da sürdürülmüştür. Burada profesyoneloptik filtre tasarım programları kullanılarak, pek çok özel filtre tasarımı yapılmıştır.Bu filtrelerin bir kısmı SATIS MS LAB 380 reaktif elektron demeti ilebuharlaştırma sistemi ve DSI-47121 Mikrodalga destekli pulslu d.c. magnetronkopartma sistemi kullanılarak sırası ile TiO2-SiO2 ve ZrO2-SiO2 malzeme çiftlerikullanılarak hazırlanmış ve optik karakterizasyonları yapılmıştır. TiO2 filimlerinhazırlanabilmesi için, başlangıç malzemesi olarak CERAC'ın en son ürettiği Ti3O5malzemesi kullanılmıştır. Çalışmaların ağırlıklı kısmını bu malzeme ile kaliteli,tekrarlanabilir TiO2 filimlerin elde edilebilmesi için, optimum büyütme koşullarınınbelirlenmesi oluşturmaktadır. Bu ayrıntılı çalışma, TiO2 filimler için mevcutliteratürde bulunan boşluğu doldurması yönünden son derece önemlidir.Hazırlanan ince filimlerin optik özellikleri, spektrofotometrik ve elipsometrikölçümleri yapılarak incelenmiştir. Hazırlanan optik kaplamaların optik geçirgenlikölçümleri 300 nm-2100 nm dalgaboyu aralığında ?Hitachi 3501? spektrofotometrekullanılarak alınmıştır. Elipsometrik ölçümler 340 nm-850 nm dalgaboyuaralığında ?Jobin-Yvon Uvisel? spektroskopik elipsometre ile alınırken buölçümler için veri toplanması ve analizi ?DeltaPsi? programı kullanılarakyapılmıştır. Elipsometrik ölçümler silika ve silikon alttaşlar üzerine hazırlanan herbir bireysel filim için sırası ile 550 and 700 geliş açısı için yapılmıştır. Hazırlanankaplamaların optik yansıtmaları ise 396 nm-1012 nm dalgaboyu aralığında?Filmetrics F50? İnce-Filim Haritalama Sistemi (Thin-Film Mapping System)kullanılarak ölçülmüştür.Ayrıca filimlerin yüzey yapıları ve mikroyapıları nano-indenter, AFM ve FESEMteknikleri kullanılarak incelenmiştir.Anahtar Kelimeler: TiO2, SiO2, ZrO2, Optik filtre tasarımı, spektrofotometri,elipsometri.Danışman: Prof. Dr. H. Zafer DURUSOY, Hacettepe Üniversitesi, FizikMühendisliği Bölümü, Katıhal Fiziği Anabilim Dalı.

Abstract:
In this study, various multilayer dielectric thin film coatings were simulated anddesigned at different parts of the electromagnetic spectrum. Samples wereprepared by using microwave-activated, pulsed-DC, magnetron sputtering andreactive electron beam evaporation techniques.In this study, the development of TiO2 film properties by using the new Ti3O5material from CERAC as a starting material in reactive electron beamevaporation has been reported. During experiments, considerable effort wasundertaken to optimize the deposition conditions for preparing high quality TiO2films. It was found that the processing window for good quality films was quitenarrow. For this reason, the deposition system and the experimental details ofdeposition process are given in detail. Titanium dioxide (TiO2) films were usedas the high index film material in optical coatings while SiO2 films were used asthe low index film material.Multilayer stacks of the optimised TiO2 and SiO2 layers were deposited onappropriate substrates in order to obtain good antireflection (AR) coatings.Combinations of spectroscopic ellipsometry and transmittance or reflectancespectrophotometry were used to measure and characterise the optical propertiesof coatings.Transmission measurements were made on Hitachi 3501 spectrophotometer inthe range of 300 nm to 2100 nm. Ellipsometric measurements were carried outwith Jobin-Yvon Uvisel spectroscopic ellipsometer in the range of 340 nm to 850nm, using DeltaPsi software for data acquisition and data analysis. The angle ofincidence 550 and 700 are used on silica and on silicon substrates, respectively.In addition, the reflectance measurements were made using Filmetrics F50 Thin-Film Mapping system in the range of 396 nm to 1012 nm. Spectroscopictransmission and reflection data acquired at normal incidence.In addition, results of simulated AR coatings that were designed and computeroptimised have been presented. High pass , low pass, narrow band-pass filterand Fabry-Perot type dielectric stacks were designed and simulated usingcomputer programmes. Some of the simulated designs were prepared and a highdegree of agreement were recorded for simulated and experimental data.The surface morphology and the microstructure of the films were also analyzedusing atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electronmicroscopy (FESEM), respectively. AFM images of the films were observed withthe Nanotec Scanning Probe Microscope (SPM) system. FESEM (Field EmissionScanning Electron Microscopy) analyses of the films were carried out using aHitachi Model S-4100 Field Emission Electron Microscope.Keywords: TiO2, SiO2 ZrO2, optical coating, spectrophotometry, ellipsometry.Advisor: Prof. Dr. H. Zafer DURUSOY, Hacettepe University, Department ofPhysics Engineering, Solid State Physics Section.