Dielectric metasurfaces as passive radiative coolers, colorimetric refractive index sensors, color filters, and one-way perfect absorber/reflectors with transparent sidebands

Metamateryaller, doğal malzemelerle gözlenemeyecek egzotik özellikleri görmemizi sağlayan, insan yapımı, yapay malzemeleri tanımlamaktadır. Metamateryallerin dalga boyundan daha küçük kalınlığa sahip olan karşılıklarına ise metayüzey denmektedir. Özellikle dielektrik metayüzeyler metamateryallere karşı sundukları azaltılmış kalınlıkları ve ohmik kayıplara sahip olmamaları avantajlarından dolayı oldukça yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Burada, dört önemli uygulamaya yönelik metayüzeyler tasarlıyoruz ve uyguluyoruz: 1. Uzay mekikleri için pasif radiatif soğutucular, 2. kolorimetrik kırıcılık indisi sensörleri, ve 3. tek katman grafin tabanlı renk filtreleri. 4. Rezonant tek yönlü soğurma/yansıtma ve geçirgen yanbantlar işlevselliğine sahip bir metayüzey. Ilk projede, eğik açılı kaplama metodu kullanarak hızlı ve litografi içermeyen bir fabrikasyon rotasını, uzay mekikleri ve etrafı arasındaki fiziksel arayüz olarak kullanılabilecek bir optik solar yansıtıcı üretmek için önerdik. Önerdiğimiz metayüzey düzensiz ve sıkı bir şekilde paketlenmiş İndiyum Kalay Oksit (ITO) nanoçubuk ormanlarını baz almaktadır. Bu nanoçubuk ormanlarının mükemmel ışık hapsetme kapasitesi, geometrik boyutlardaki rastgelelik ve ITO'nun termal-kızılötesi bölgesindeki kayıplı plazmonik optik karakteristiği sayesinde termal-radyasyonun geniş plazmonik rezonanslara bağlanması ve nihayetinde deneysel olarak, 2.5 µm-25 µm aralığında 0.968 termal yayma elde edilmesi sağlanmıştır. Solar spektrumda ise, ITO'nun düşük kayıplı dieletrik karakteristiği deneysel solar emiciliğin 0.168'e limitlenmesini sağlamıştır. Sonuç olarak, yüksek çıktı, sağlamlık, düşük maliyet ve yüksek performans sunan bu dizaynımız, sadece uzay görevlerinde değil, aynı zamanda gezegenimiz için çevre dostu pasif radiatif soğutucuların desteklenmesi ve güvenlik etiketlemesi alanında termal görüntüleme uygulaması için de oldukça umut vadedicidir. Ikinci projemizde, 2 boyutlu, periyodik olarak modüle edilmiş bir dielektrik ızgara-dalga kılavuzu yapısının desteklenen modlarının uyarılması esasına dayanan ve kırıcılık indisine oldukça duyarlı bir sensör öneriyoruz. Optimize edilmiş nanosensörlerin nümerik olarak 0.58 nanometrelik ultra-dar spektral genişliğine sahip (yarı-maksimum noktasındaki tam-genişlik) rezonansları uyarabileceği gösterilmiştir. Hassaslık ise dieletrik katmanların yapı üzerine kaplanması düşünülerek numerik olarak incelenmiştir. Katman kalınlığı 30 nm iken maksimum hassaslık 110 nm/Kırıcılık indisi birimi (RIU)ne kadar çıkmıştır, bu da çok yüksek bir başarım ölçüsü olan 190 değerinin alınmasını sağlamıştır. Fabrike edilen ve üzerlerine Alüminyum Oksit ve Çinko Oksit kaplı örnekler maksimum duyarlılık değeri olarak 235.2 nm/Kırıcılık indisi birimi (RIU)ne ve 19 nm spektral genişliğine kadar erişmiştir. Kolorimetrik tespit etme ve polarizasyona duyarsızlık özellikleri ise basit bir optik mikroskop yardımıyla doğrulanmıştır. Farklı dieletrik katmanlarla kaplanmış örneklerin bariz farklı renklerinin olduğu ve azimutal yönde döndürüldüklerinde renklerinin değişmediği gözlendi. Ayrıca, rezonansların spektral pozistonları ve duyarlılık konusunda deneysel veriler ve nümerik sonuçlar arasında mükemmel bir uyum gözlendi. Sonuç olarak, önerdiğimiz cihaz, biyotıp alanında bakım noktasında kişiselleştirilmiş ve etiketsiz bir şekilde erken tanı koyma, alan analizi ve çevresel monitörleme konuları için verimli, yüksek duyarlılıklı, neredeyse optik kayıpsız ve kompakt bir moleküler tanılama platformu sunmaktadır. Üçüncü projemizde ise, nümerik sonuçlara dayanarak dielektrik bir levha dalga-kılavuzunun desteklenen modlarının özgün bir dielektrik ızgara yapısı sayesinde uyarılması prensibiyle çalışan ve renk filtresi olarak kullanılabilecek bir grafin mükemmel soğurucu öneriyoruz. Bu desteklenen modların grafine kritik bir şekilde grafin ile bağlandığında, 0.8 nm'lik bir spektral genişliğe (yarım-maksimum noktasındaki tam-genişlik) sahip bir mükemmel soğurma elde ettik. Önerdiğimiz dizayn tüm polarizasyon açılarında hem rezonansın spektral pozisyonunu, hem de $\%98$'in üzerinde soğurma şiddetini korumaktadır. Uyarılan rezonansın spektral pozisyonu geometrik parametrelerin değiştirilmesi sonucu görünür ve yakın-kızılötesi (NIR) bölgelerinde 400 nm'ye kadar ayarlanabilmiştir. Önerdiğimiz cihaz bu sonuçlar ışığında verimli, ayarlanabilir, ultra-hassas, kompakt, fabrikasyonu kolay, gelişmiş fotodetektörlerin ve ışık seçici bant durdurma filtreleri için büyük potansiyel göstermektedir. Dördüncü ve son projemizde, nümerik olarak yakın-kızılötesi dalgalarının ayarlanabilir bir spektral aralıkta ve ve komşu bantlarda yüksek geçirgenlik alınarak tek bir yönden mükemmel soğurulmasını öneriyoruz. Bu işlevsel özellik; 2 boyutlu, desteklenen-mod rezonansı tabanlı bir ızgara-dalga kılavuzu yapısı, ara dielektrik katmanı ve soğurucu bir oksit katmanı kullanılarak elde edilmiştir. 1.82 µm'da uyarılan ve 19 nm'lik bir spektral genişliğe sahip (yarım-maksimum noktasındaki tam-genişlik) band aralığında, elektromanyetik radyasyon zıt iki yönden birinden cihaza gelince tamamen soğurulduğunu, diğer yönden geldiğinde ise tamamen yansıtıldığını gözlemledik. Ileri yönden-geri yönden soğurulma miktarlarının oranı 60'a kadar çıktı, aynı zamanda cihazın kalınlığı çalışılan dalga boyunun büyüklüğüne yakın tutuldu. Uyarılan rezonansların spektral pozisyonlarının ve genişliklerinin ayarlanabilmesinin yanı sıra, önerdiğimiz cihaz aynı zamanda komşu frekans bantlarında $\%65$ geçirgenliğe sahip, saydam bölgeleri desteklemektedir. Kullandığımız 2 boyutlu ızgara yapısının aynı zamanda gelen ışığın polarizasyon durumuna duyarsız olduğunu doğruladık. Geometrik parametrelerin modifiye edilmesi dizaynımıza büyük bir ayarlanabilirlik kazandırmıştır, bu sayede soğurma/yansıtma bant aralığının 300 nm'ye kadar çıktığı bir dizaynı da gösteriyoruz.