Terahertz dalgaları için VO2 ince film metayüzeylerin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

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.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.