Adaptive metasurface designs for thermal camouflage, radiative cooling, and photodetector applications

Dalga boyundan küçük yapay nanoyapılar olarak tanımlanan metamalzemeler, doğal malzemelerde bulunamayan ayırt edici elektromanyetik özelliklere sahip üretilmiş bir malzeme sınıfını ifade eder. Termal ayarlanabilirlik, negatif kırılma indisi, mükemmel absorpsiyon ve görünmez perdeleme bu özelliklere örnektir. Burada, metamalzemeleri dört önemli uygulama alanında tasardık ve uyguladık: 1) Görünür-şeffaf bir hBN-ITO nanoanten emitöründe plazmon-fonon polaritonlarının uyarılması yoluyla çoklu spektral kızılötesi kamuflaj, 2) Uyarlanabilir görünür ve kısa dalga kızılötesi kamuflaj kullanarak dinamik olarak ayarlanabilen bir metayüzey, 3) Faz değiştiren malzeme ile birleştirilmiş dielektrik nanoanten kullanan orta kızılötesi uyarlanabilir termal kamuflaj, 4) Termal olarak ayarlanabilir ultra dar bant ışık emilimi için iki boyutlu yarı iletkenlerle birleştirilmiş tamamen dielektrik metayüzey. İlk çalışmada hem görünür hem de SWIR menzillerinde uyarlanabilir kamuflaj sağlamak için bir metasurface tasarımı geliştirildi. Önerilen meta yüzey, bir metal-yalıtkan-metal (MIM, Ag-Sb2S3-Ag) nano kovuk üzerinde bir indiyum kalay oksit (ITO) ızgarasından yapılmıştır. Amorf durumda, tasarım renkli bir geçirgen pencere olarak çalışır, kristal fazda ise yansıtıcı bir aynaya dönüşür. Bu sırada kovuk, 1150-1350 nm (Bölge I) ve 1400-1700 nm'de (Bölge II) iki iletim bölgesini kapsayacak şekilde ayarlanabilir SWIR emilimi sağlayan ITO nanoanteni için termal olarak ayarlanabilen bir yuva görevi görür. Genişletilmiş yüzey plazmonlarının (ESP'ler) ve yönlendirilmiş mod rezonanslarının (GMR'ler) uyarılmasının, SWIR aralığında ışık absorpsiyonundan sorumlu olduğu bulunmuştur. Teorik hesaplamalarımız, tasarımın renk benimseme yeteneğinin yanı sıra, Bölge I/Bölge II'deki SWIR yansımasının amorf/kristal fazlarda 0,37/0,53 ve 0,75/0,25'e düştüğünü göstermektedir. İkinci çalışmada, tüm çoklu spektral kamuflaj gereksinimlerini karşılamak için ITO-hBN ızgarasından yapılmış bir hibrit nanoanten mimarisi önerilmiştir. Bu tasarımda, ITO ve hBN'deki plazmon-fonon polaritonlarının aynı anda uyarılması, NTIR aralığında geniş bant absorpsiyonuna ve MWIR ve LWIR aralıklarında yansımaya yol açar. Ayrıca, ITO filmindeki absorpsiyon, SWIR modu kamuflajı sağlar. Ayrıca, bu hibrit tasarımın önemini vurgulamak için, ITO-hBN tasarımı ITO-TiO2 heteroyapısı (TiO2 arzu ettiğimiz aralıklarda kayıpsız bir dielektriktir) ile karşılaştırılır. Son olarak, meta yüzeyin kamuflaj performansı, meta yüzey tasarımı kara cisim nesnesinin üzerindeyken giden emisyon bastırma kabiliyeti ile değerlendirilir. Üçüncü çalışmada, tasarımın spektral emisyonunu uyarlayarak MIR bölgesinde düşük gözlemlenebilirlik elde etmek için PCM-dielektrik tabanlı bir metasurface nanoanten emitör tasarımı önerilmiştir. Önerilen termal nanoanten yayıcı, kalın bir gümüş (Ag) aynanın üzerinde yüksek indeksli bir dielektrik nano ızgaradan (bizim durumumuzda silikon (Si)) oluşur. Absorpsiyon tepkisini aktif olarak ayarlamak için ızgaraya ultra ince bir VO2 ara katmanı yerleştirilmiştir. Tasarım geometrileri, termal kamuflaj uygulamaları için atmosferik absorpsiyon pencerelerine rezonans dalga boylarını yerleştirmek için ayarlanmıştır. VO2 katmanının konumuna bağlı olarak, tasarımın metal fazdaki optik tepkisi, dar banttan geniş bant termal yayıcıya çeşitli şekillerde ayarlanabilir. Bu nedenle, yüzey sıcaklığındaki artışla, önerilen meta yüzey tabanlı termal nanoanten emitör, kamuflaj teknolojisi gereksinimine dayalı olarak ısısını uyumlu bir şekilde serbest bırakırken, daha güçlü bir ışıma termal emisyonuna sahip geniş bantlı bir emitöre dönüşür. Önerilen tasarımın atmosferik soğurma pencereleri ile mükemmel uyumu vardır, böylece termal kamera sistemleri tarafından gözlemlenmeden ısısını verimli bir şekilde serbest bırakabilir. Yapının olası bir IR sensörü tarafından algılanabilirliği, seçilen spektrumlar üzerinde güç hesaplamaları kullanılarak hesaplanır. Ayrıca VO2 malzemesinin histerezis davranışından dolayı hesaplamalar soğutma ve ısıtma koşulları için ayrı ayrı yapılmıştır. Dördüncü ve son çalışmada, tek katmanlı bir TMDC katmanı içinde ultra dar bant ışık absorpsiyonunu elde etmek için dielektrik tabanlı bir meta yüzey platformu önerilmiştir. Bu amaçla metasurface tasarımı optimize edilmiştir. Daha sonra bu tasarım, daha iyi absorpsiyon sonuçlarını gözlemlemek için tek ve çok katmanlı TMDC'lerle birleştirilir. Bu amaçla, en yaygın kullanılan TMDC'ler olarak MoS2 ve WS2 seçilmiştir. Dielektrik nano ızgara tarafından desteklenen ışığın Mie rezonanslarıyla eşleşmesi, TMDC katmanı içinde dar bantlı absorpsiyon sağlar. Daha fazla iyileştirmeye ulaşmak için, bu dielektrik tabanlı metayüzeye bir kovuk tasarımı entegre edilmiştir. En iyi optimize edilmiş tasarımda, soğurma verimliliği 0,85'e ulaşır ve FWHM, 3,1 nm kadar dar kalır. Son olarak, tasarımın termal ayarlanabilirlik özelliği, herhangi bir faz değiştiren malzeme kullanılmadan gösterilmiştir. Bu, tasarımdaki güçlü ışık hapsi nedeniyle elde edilir. Bu ışık hapsi nedeniyle, rezonans tasarımında kırılma indisindeki herhangi bir küçük değişiklik farkedilir. Böylece rezonans frekansı kaymaları ve termal ayarlanabilirlik elde edilir. Yukarıda bahsedilen optimize edilmiş tasarımın termal hassasiyeti 0,0096 nm/C'ye ulaşır.