Terahertz dalgaları için VO2 ince film metayüzeylerin üretimi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of thin film VO2 metasurfaces for Terahertz waves
Yazar: ŞEHRİBAN ZEYBEK
Danışman: PROF. DR. FİKRET YILDIZ ; PROF. DR. LÜTFİ ÖZYÜZER
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Terahertz bandının kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, modülatörler, vericiler
ve alıcılar gibi terahertz ve milimetre dalga boyu teknolojilerine dayalı pasif ve aktif
aygıtların geliştirilmesinin önemi artmıştır.Terahertz bandında yüksek hızda çalışan
modülatörlerinin gerçekleştirilmesi için birçok araştırma yapılmıştır. Bu çalışmaların
sonuçlarına göre, yüksek hızda çalışabilen THz modülatörlerinin geliştirilebilmesi
için bazı zorluklar bulunsada, öncelikle optik veya elektrik alan vb. uygulanarak
modüle edilebilen, çok iyi THz elektriksel özelliklere sahip, ayarlanabilir bir aygıta
ihtiyaç duyulmaktadır. Aynı zamanda hızlı modüle edilen taşıyıcının uygun bir alıcı
yapısı ile çözümlenmesi gerekmektedir. Bu tezde terahertz aralığında ayarlanabilir
frekansta üretilebilen metamalzeme yapılar, yalıtkan-metal geçiş özelliğini gösteren
yüksek kalitede vanadyum (VO2) ince filmler ile özgün tasarımlarda üretilerek
yüksek hızda çalışabilen modulatörler geliştirilmiştir. Vanadyum ince filmlerinden
metamalzeme yapıları tasarlanmıştır fakat THz bölgesinde hızlı çalışabilen bir
modülator aygıt veya sensor yapısı olarak henüz kullanılmamıştır. THz bölgesinde
çalışan bu tür aygıtları sağlamak için ayarlanabilir özellikte metamalzeme yapıların
tasarlanması ve rezonans özelliklerinin optimize edilmesi gerekir. Bu çalışmada
vanadyumdioksit metamalzeme yapılarının tasarım ve simülasyonu ve nümerik
hesaplamalar için CST Microwave Studio programı kullanılmıştır. Projenin deneysel
kısmında DC mıknatıssal saçtırma sistemi ile safir alttaşlar üzerinde vanadyum ince
filmler büyütülmüştür. Büyütülen ince filmlerin yapısal ve elektriksel
karakterizasyonları yapıldıktan sonra karakterizasyon sonuçlarından elde edilen
özellikler nümerik simülasyon programına tanıtılararak bu yapıların hızlı
modülasyonu uygulamasında kullanılması için en uygun (optimum) metamalzeme
yapısı belirlenmiştir. Vanadyum metamalzeme yapıların geçirgenlik ve THz
modulator özellikleri deneysel olarak THz spektroskopisi ile analiz edilmiştir.

Abstract:
THz modulators, the goal is to develop devices which have excellent electrical
characteristics and that also can be modulated by applying an electrical or optical
signal. At the same time the fast modulated carrier wave needs to be decrypted with
an appropriate detector. In this regard this thesis proposal gains importance. Unique
metamaterial structures tailored to work in the terahertz range combined with high
quality vanadium (VO2) thin films was investigated in order to develop fast
modulators. Even though vanadium thin films have been utilized in metamaterial
designs no one has been able to show that these devices can be used as a fast
modulator or sensor in the THz region. In this tesis the we planned to design and
create unique metamaterial devices based on the metal insulator transition in
vanadium thin films that work in the terahertz region and characterize those using
numerical and experimental methods. The metal insulator transition for vanadium
will be triggered using optical and electrical techniques, resulting in a rapid phase
change this will allow the vanadium based metamaterial devices to modulate the THz
radiation at high rates. Similarly, the phase change will change the resonant behavior
of a similarly structured device created for sensor applications. To ensure that these
devices work well in the THz region the frequency tunable metamaterial structures as
well as the resonant features have to be optimized. The design and optimization of
the vanadium based metamaterial devices was performed using numerical
simulations aided by CST Microwave Studio program. In the experimental part,
using a DC magnetic sputtering system the VO2 thin films was grown. The as grown
films optical and electrical characteristics was measured and then the parameters was
fed in to the numerical simulations so that the best metamaterial designs can be
selected for both high speed modulation. Finally the transmission through the
modulators was assessed using the THz Spectroscopy systems.