Color generation and enhancement using large-scale compatible metamaterial design architectures

Metamalzemeler doğada bulunan malzemelerin ötesinde özel işlevlere sahip olacak şekilde tasarlanıp üretilen yapay malzemelerdir. Görünür ışık dalga boyundan daha küçük boyutlarda birimlerden oluşan bu malzemelerin karakteristik özellikleri her bir nano birimin spesifik fiziksel özellikleri ile beraber, nano birimlerin çeşitli geometrilerde yanyana durmaları ve birbirlerini etkilemelerinden ileri gelen toplu işlevler kazanmaları sayesinde oluşur. Metamalzemeler negatif kırılma indisi, yapay manyetizma, asimetrik geçirgenlik ve görünmezlik pelerini gibi pek çok ümit vadeden sıradışı uygulama imkanına sahiptir. Bu uygulamalar arasında renk üretimi, filtreleme ve iyileştirme işlevleri yakın zamanda dikkat çekici gelişmeler göstermiştir. Renk üretimi temelde iki şekilde gerçekleşir: i) beyaz ışığın filtrelenmesi veya ii) belli dalga boyunda ışıma yapan Kuantum Nokta benzeri malzemeler sayesinde. Birinci yöntemde metamalzemeler üzerine düşen geniş bantlı beyaz ışığın sadece istenen dalga boyu aralığını geri yansıtarak renk oluşturur, bu bağlamda bir renk filtresi gibi davranır. İkinci yöntemde ışıma yapan madde zaten halihazırda tek bir renkte, küçük bir dalga boyu aralığında, ışık üretmektedir. Bu durumda metamalzemenin görevi renk tayfını değiştirmeden sadece bu ışımanın yoğunluğunu artırarak renk üretiminin iyileştirilmesidir. Bu tezde yukarıda bahsedilen iki kategoride görev yapacak olan metamalzemele yapıları tasarlanmış, üretilmiş ve karakterize edilmiştir; dolayısıyla bu tezin içeriği iki kısıma bölünmüştür: i)Birinci kısımda neredeyse yüzde yüz genliğe sahip eklemeli kırmızı-mavi-yeşil (RGB) renklerin yansıtma modunda üretimi gösterilmiştir. Bu amaçla çok katmanlı metal-yalıtkan-metal-yarıiletken-yalıtkan (MIMSI) istifleri tasarlanmış, yansıtma doruk değeri 0.9'dan büyük, yansıtma yarı-doruk genişliği 0.3λpeak'ten küçük malzemeler bu tasarımlarla başarılmıştır. Önerilen tasarım rezonans harici tayfta sıfıra yakın yansıtma değeri gösterdiğinden yüksek derecede renk saflığı elde edilmektedir. Optimize edilen tasarımlar üretilmiş, ve simülasyon hesapları ile üretim sonrası ölçümlerin tutarlı olduğu doğrulanmıştır. Bu çalışma belirli işlevlerde optik kaplamalar için çok katmanlı ardışık kavite tasarımlarının litografi olmaksızın, büyük ölçekli üretimi mümkün kıldığını göstermektedir. ii)İkinci kısımda ışıma yapan kuantum noktaların ışıldanım (fotolüminesans) miktarını neredeyse on kat artıran bir plazmonik nanokavite tasarımının büyük ölçekli üretime uygun, litografi kullanmaksızın üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu metamalzeme tasarımını gerçeklemek için farklı boyutlarda olan ve birbirlerinden farklı mesafelerde bulunan Altın nano birimlerin üzeri eşit şekilde ince bir aluminyum oksit (Al2O3) katman ile kaplanmış, aluminyum oksit katmanının üzerine ise Kuantum Noktaler serilmiştir. Böylece oluşan metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) kavite yapısı ışıma yapan Kuantum Noktalara konak vazifesi görmüştür. Yaptığımız nümerik hesaplamalar ve deneysel çalışmalar, optimum yalıtkan kalınlığı kullanıldığında, aynı anda hem geniş bantlı Fabry-Perot (FP) rezonansının hem de plazmonik sıcak noktaların oluşmasından dolayı, kuantum noktaların ışık emiliminin arttığını göstermiştir. Işık emiliminde oluşan bu artış neticede ışıldama (fotoluminesans) miktarının artmasına sebep olmaktadır. Bu çalışma büyük ölçekte ve litografi kullanılmadan üretilen rastgele plazmonik nanokavitelerin verimli ışık kaynakları için konak olarak kullanılabilme potansiyelini göstermiştir. Özetle, bu tez büyük ölçekli üretilebilir metamalzeme tasarımlarının renk üretimi için kullanılmasına alternatif bir bakış açısı sunmaktadır. Önerilen tasarım ve üretim yolları, başka işlevsel fotoelektronik aygıt tasarımları için de kullanılacak şekilde genişletilebilir. Bu yöntemler sayesinde yüksek performanslı fotoelektronik aygıtlar ölçeklenebilir mimarilerde tasarlanabilir. Anahtar kelimeler: Optik malzemeler, metamalzemeler, renk filtreleri, ışık salınımı, kuantum noktalar, plazmonik, ölçeklenebilir fotonik malzemeler