A study of scattering and absorption of electromagnetic waves in the visible and microwave regime and their optical applications

Abstract

Understanding the scattering and absorption of electromagnetic (EM) waves, which describe the redirection and dissipation of EM waves impingent on an object, is essential for developing advanced toolsets and devices across the full EM spectrum. The ability to adjust the EM properties by structural modification of the target object suggests endless potential strategies in achieving practical applications such as microwave absorbers, color filters, solar cells, photocatalysts, and optoelectronic devices. In this dissertation, I study the scattering and absorption properties of nano and micro sized dielectric materials and apply them in the visible and microwave range, respectively. Specifically, our study focuses on structural color generation, microwave absorption, and crystalline phase transitions. In chapter Ⅱ, I control the diameter and size distribution of polydisperse TiO2 microparticles to elicit various structural colors based on incoherent Mie scattering. It was confirmed that these structural colors are very sensitive to the optical index of the surrounding environment, suggesting their potential use in optical refractive index sensing. In the following two chapters (chapter Ⅲ and chapter Ⅳ), I manage microwave absorption using particles that are orders of magnitude smaller than the wavelength. I show that the dielectric and absorption properties of BaTiO3 particles can be controlled by adjusting the oxygen deficiency concentration. Through experimental and theoretical analysis, the increased dielectric constant of the oxygen deficient BaTiO3 particles improved the microwave absorption performance. This study was followed up with the addition of soft-magnetic FeSiAl flakes to the oxygen-deficient BaTiO3 particles. This composite was found to exhibit increased overall permittivity and permeability, maximizing microwave absorption. Furthermore, it was experimentally and computationally confirmed that the addition of more oxygen deficient BaTiO3 particles enhanced the refractive index which enabled the composite to shrink in thickness. Finally, in chapter Ⅴ, I return to the visible range to use the lowest energy Mie resonance to photothermally induce a crystalline phase transition in a BaTi2O5 nanowire. A hybrid structure composed of a BaTi2O5-Ag core-shell nanowire excites a strong dipole resonance along the nanowire axis, whose field is tightly confined within the BaTi2O5 core. I show that the dissipated heat is strong enough to drive a ferroelectric phase transition that is normally above 430℃ for bulk BaTi2O5. Through this simple strategy, I propose the possibility of using these nanowires in various optoelectronic switching devices. ;물체에 충돌하는 전자파의 방향과 소멸을 설명하는 전자기파(EM)의 산란과 흡수를 이해하는 것은 전체 전자파 스펙트럼에 걸쳐 여러 장치를 개발하는 데 필수적이다. 대상 물체의 구조적 수정을 통해 전자파 특성을 조정할 수 있는 능력은 마이크로파 흡수기, 컬러 필터, 태양 전지, 광촉매 및 광전자 장치와 같은 실용적인 응용을 달성하는 데 있어 무한한 잠재적 전략을 제시한다. 본 논문에서는 나노 및 마이크로 크기의 유전체 재료의 산란 및 흡수 특성을 연구하여 각각 가시 범위와 마이크로파 범위에 적용한다. 구체적으로, 이 학위논문의 연구들은 구조적인 색 생성, 마이크로파 흡수 및 결정성 상전이에 초점을 맞추고 있다. Ⅱ장에서, 일관성 없는 Mie 산란을 기반으로 다양한 구조적 색상을 도출하기 위해 다분산 TiO2 마이크로입자의 직경과 크기 분포를 제어한다. 이러한 구조색은 주변 환경의 광학적 지수에 매우 민감하다는 것을 확인하였으며, 이는 광학적 굴절률 감지에 잠재적으로 사용될 수 있음을 시사한다. 다음 두 장에서는 파장보다 몇 배 작은 입자를 사용하여 마이크로파 흡수를 제어한다. 이 연구에서는 산소 결핍 농도를 조정하여 BaTiO3 입자의 유전 및 흡수 특성을 제어할 수 있음을 보여주었다. 실험 및 이론적 분석을 통해 산소 결핍 BaTiO3 입자의 유전율 상수가 증가함에 따라 마이크로파 흡수 성능이 향상됨을 또한 확인하였다. 이 연구는 산소가 부족한 BaTiO3 입자에 연자성 FeSiAl 플레이크를 추가하는 것으로 이어졌다. 이 복합체는 전체적으로 유전율과 투자율이 증가하여 마이크로파 흡수를 극대화하는 것으로 나타났다. 또한, 산소결핍 BaTiO3 입자를 더 많이 첨가하면 굴절률이 향상되어 복합체의 두께가 작아지는 것을 실험적, 계산적으로 확인할 수 있었다. 마지막으로, Ⅴ장에서, BaTi2O5 나노와이어의 결정상 전이를 광열적으로 유도하기 위해 가장 낮은 에너지의 Mie 공진을 사용하기 위해 가시 범위로 돌아간다. BaTi2O5-Ag 코어-쉘 나노와이어로 구성된 하이브리드 구조는 BaTi2O5 코어 내에 필드가 강력하게 제한된 나노와이어 축을 따라 강한 쌍극자 공명을 자극한다. 나아가, 분산된 열이 벌크 BaTi2O5의 경우 일반적으로 430°C 이상인 강유전체 상전이를 구동할 수 있을 정도로 강하다는 것을 보여준다. 이러한 간단한 전략을 통해 다양한 광전자 스위칭 소자에서 이러한 나노 와이어를 사용할 수 있는 가능성을 제안한다.