Design and analysis of metamaterial based perfect absorbers

Dalga boyundan daha küçük boyuttaki ışık soğurucuları optoelektronik, foton algılama, solar hücre ve sensör alanlarında çok büyük bir potansiyele sahiptir. Cihazın boyutlarını küçültmek yapay ve ileri seviye özellikler kazandırır. Günümüz yarı iletken teknolojisindeki daha küçük boyutta ve daha yüksek performans gösteren cihazların üretilmeye çalışılmasının yükselen bir trend olması bundan dolayıdır. Elektromanyetik dalga soğurucularının performansını ve çalıştığı ışık tayfı bölgesini belirleyen iki temel özellik vardır: malzeme seçimi ve yapının şekli. Mükemmel ışık soğurucuları ışığı yapılarında hapsedebilmek için bir metal, yarı iletken veya herhangi çeşitte soğurma özelliği olan bir katmana ihtiyaç duyar. Geleneksel metaller çoğunlukla birincil olarak tercih edilen malzeme olmasına rağmen hem yitimli bir yapıya sahip olan hem de üretim, entegrasyon ve ayarlanabilirlik gibi daha üstün termal özellikleri olan başka türde malzemeler de mevcuttur. Geleneksel metaller yitimli bir yapıya sahip olmaları sebebiyle harika soğrucu malzemeler olmalarına rağmen aşınma ve oksitlenmeye karşı dayanıklı değillerdir. İlk çalışmamızda, geleneksel metallere alternatif bir malzeme olarak geçiş metali karbürlerinin ve geçiş metali nitrürlerinin ışığın görünür bölgeden (Vis) yakın kızıl ötesi bölgeye (NIR) kadar çok geniş bir frekans aralığında mükemmel bir şekilde soğurulmasındaki eşsiz potansiyelini inceledik. İlk olarak, mükemmel ışık soğurucularının gereksinimleri hakkında bir öngörü sahibi olmak için geçiş matrisi metodu (TMM) olarak adlandırılan sistematik bir modelleme tekniği kullanıldı. Elde edilen modelleme sonuçları geçiş metali karbürlerinin ve nitrürlerinin elektriksel geçirgenlik değerlerinin ideal değerler ile çok iyi örtüştüğünü ispatlamaktadır. Ayrıca bu seramik malzemeler metallere kıyasla daha iyi termal özelliklere ve de aşınma ve oksitlenmeye karşı dayanıklı olduklarından da tercih edilmektedirler. Bu özellikleri sayesinde yüksek verimlilikle çalışan ve uzun süreli stabil olan ışık toplayan sistemlerin dizaynı için bir fırsat sunmaktadırlar. Düzlemsel ve ikizkenar yamuk şeklinde sıralanmış katmanlardan oluşan iki farklı şekil kullanıldı. Numerik simülasyon teknikleri kullanılarak her bir karbür ve nitrür için yapıların optik performansları optimize edildi. Bulunan sonuçlar bu seramik malzemelerin bütün yitimli yapıdaki ve plazmonik özellikteki metallere kıyasla daha geniş aralığı soğurabildiğini göstermektedir. Düzlemsel dizilişte titanyum karbür (TiC) 405 nm-1495 nm aralığı kadar geniş bir bandı 0.9'un (normalize olarak) üzerinde soğurarak en geniş soğurma bandını gerçekleştirmiştir. İkizkenar yamuk dizilişinde ise vanadyum nitrürün (VN) 300 nm ile 2500 nm aralığı kadar geniş bir bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın çıktıları solar buhar üretimi ve termal fotovoltaik gibi hem optik hem de termal gereksinimleri olan alanlar dahil olmak üzere gelecekteki yüksek performanslı enerji dönüşüm cihazlarının dizaynı konusunda bir yol ışığı olabilecek niteliktedir. Mevcut dizaynların büyük bir çoğunluğu üretim aşamasında bir litografi aşaması gerektirmektedir ki bu da yapının büyük boyutlarda üretilmeye uygunluğunu ve tekrar edilebilirliğini engellemektedir. İkinci çalışmamızda, litografisiz üretilebilen, sadece bizmut (Bi) metalinden yapılmış nanoyapılardan oluşan, çift fonksiyon gösteren, görünür ve yakın kızıl ötesi bölgede çok geniş bantlı soğurucu, orta kızıl ötesi bölgede ise çok yüksek kırıcılık indisi hassaslığı olan bir dart bantlı soğurucu olarak davranan bir yapı dizayn ettik, ürettik ve karakterize ettik. Bizmutun geleneksel metallere kıyasla çok daha iyi bir elektriksel geçirgenlik özelliği olduğu geçiş matrisi metodu ve Bruggeman'ın etkin ortam kuramı (EMT) kullanılarak ayrıntılı bir şekilde incelendi ve açıklandı. Yapının litografi kullanılmadan, büyük boyutlarda üretimini mümkün kılacak şekilde üretilmesi için eğik açılı kaplama tekniği kullanılarak çok yoğun biçimde dizilmiş ve rastgele yerleşmiş/yönelmiş Bi nanoyapıları elde edildi. Ayrıca, bu üretim tekniğinin alttan üste işlemleme yaklaşımıyla üretilen yapının yerleşmesinin ve uzunluğunun kontrol edildiği gösterilmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre yapı görünür ve yakın kızılötesi bölgelerinde 0.8 üzerinde soğurmaya sahipken orta kızılötesi bölgede ise 6.54 µm merkezlenmiş dar bantlı bir soğurma göstermektedir. Bi yapılarının çok yoğun bir biçimde paketlenmesinden ve sıradışı bir geçirgenlik özelliğine sahip olmasından dolayı nanoyapılar, aralarındaki çok küçük boşluklarda güçlü bir şekilde ışığı hapsedebilmektedir ve bu özellikleri algılama uygulamalarında kullanılmaya uygundur. Yapılan incelemede Bi nanoyapılarının 2.151 µm/birim kırıcılık indisi (RIU) kadar yüksek bir hassaslık değerine sahip olduğu ölçülmüştür. Bu değer bilindiği kadarıyla şimdiye kadar deneysel olarak elde edilen en yüksek hassaslık değeridir. Basit ve büyük boyutlarda üretime uygun olan üretim rotasının olması ve bizmutun eşsiz optik özellikleri, bu dizaynı birçok optoelektronik ve sensör uygulamaları için ümit verici kılmaktadır.