Electromagnetic wave absorbers have the potential to enable important applications in the mid-infrared wavelength range such as thermal imaging and infrared spectroscopy. The choice of absorbing material has significant implications for the ultimate utility of any photonic device or structure. So far, traditional metals are employed as common absorbing materials, especially in metamaterial designs. However, many of these metals react with the atmosphere or water, limiting their utility for a wide range of applications. There are many materials, other than conventional metallic components, that exhibit lossy properties and provide advantages in device performance, design flexibility, fabrication, integration, and tunability. Here, we investigate highly doped silicon as an efficient absorbing material for the mid-infrared regime. The absorption is achieved by the free carriers in the silicon which can be spectrally tuned by controlling its carrier concentration. Most of the resonant absorbers suffer from narrow operating absorption waveband. A common approach is to use multiple resonance centers to increase bandwidth. However, the number of resonators combined within the same unit cell is limited. We propose highly doped silicon based absorbers with a patterned silicon-on-insulator substrate that provide enhanced bandwidth without compromising absorption performance. Broadband absorption is achieved by the combined effects of bulk absorption, and vibrational and plasmonic absorption resonances. Moreover, we investigate black silicon concept for mid-infrared regime. The structures investigated unveil wideband and efficient absorbers. An analytical description of the wave propagation in black silicon texture is presented, showing agreement with the experiment and the computational analysis.Some other applications, such as selective thermal emitters and detectors, and bio-chemical and refractive index sensors, require narrow absorption bands. Plasmonic absorbers typically have narrow resonance bands and they can be utilized in highly sensitive detection schemes. Traditional metals are common materials for these applications. However, apart from their fabrication challenges, they have extremely large, negative permittivity. This feature of metals significantly limits their plasmonic mode confinement in the mid-infrared regime. In this regime, highly doped silicon is a promising plasmonic material for sensing applications owing to its suitable plasma frequency. Here, we demonstrate plasmonic perfect absorbers based on high conductivity silicon and investigate refractive index sensing performance of the absorbers.

Elektromanyetik dalga soğurucuları orta-kızılötesi bölgede termal görüntüleme ve kızılötesi spektroskopi gibi önemli uygulamalara imkan sağlamaktadırlar. Soğurucu materyalin seçimi herhangi bir fotonik yapının kullanışlılığında çok önemli bir etkiye sahiptir. Bu zamana kadar, özellikle de metamalzemeli yapılarda, geleneksel metaller soğurucu materyal olarak kullanılmışlardır. Fakat, bu metallerin bir çoğu atmosferle veya su ile tepkimeye girmekte ve bu da onların birçok uygulamada kullanımını sınırlandırmaktadır. Bu metallerin dışında soğurucu özelliklere sahip birçok materyal bulunmakta ve bu materyaller performans, tasarım esnekliği, üretim, entegrasyon ve tonlanabilirlik açısından avantaj sağlamaktadır. Biz burada, yüksek düzeyde doplanmış silikonu orta-kızılötesi bölgede soğurucu bir materyal olarak inceledik. Soğurma, silikon içerisindeki serbest taşıyıcılar ile sağlanmakta ve silikonun içerisindeki taşıyıcı yoğunluğu değiştirilerek kontrol edilebilmektedir.Rezonant soğurucuların çoğu dar işletim dalgabandına sahiptir. Çoklu rezonans merkezlerinin aynı anda kullanılması band genişliğini artırmanın yaygın yöntemidir. Ancak, aynı birim yapıdaki rezonatör sayısı sınırlıdır. Biz burada soğurma veriminden taviz vermeden yüksek derecede doplanmış silikon tabanlı, şekillendirilmiş yalıtkan üzerinde silikon alttaş kullanarak, ultra geniş bantlı bir soğurucu önerdik. Geniş bantlı soğurma özelliği kütle (bulk) soğurma, vibrasyonel ve plazmonik soğurmanın birleşiminden gelmektedir. Biz ayrıca bu çalışmaya ek olarak siyah silikon kavramını orta-kızılötesi ışık için inceledik. Bu yapılar ile de geniş bantlı ve yüksek performanslı soğurucular elde ettik. Elektromanyetik dalganın bu yapı ile etkileşimini analitik olarak açıkladık ve deneysel ve simulasyon sonuçları ile karşılaştırdık. Biyo-kimyasal ve kırılma endeksi sensörleri ile seçici termal yayıcılar ve dedektörler gibi bazı uygulamalar ise dar bir soğurma bandı gerektirirler. Plazmonik soğurucular genelde dar soğurma bandına sahiptirler ve bu yüzden yüksek derecede hassas algılama düzeneklerinde kullanılabilirler. Bu uygulamalarda geleneksel metaller yaygın olarak kullanılırlar. Fakat, üretimdeki zorluklarının yanında metaller orta-kızılötesi bölgede çok negatif bir elektriksel geçirgenliğe sahiptir bu yüzden metallerin plazmonik mod toplanması zorlaşmaktadır. Bu bölgede yüksek derecede doplanmış silikon, uygun plazma frekansından dolayı, gelecek vaad eden bir materyaldir. Biz burada yüksek derecede doplanmış silikon kullanarak yüksek verimlilikte bir plazmonik soğurucu tasarladık ve bu soğurucuyu kırılma endeksi sensörü olarak inceledik.