Grafen tabanlı plazmonik sensörler ve uygulamaları
The plasmonic sensors based on graphene and application
Yazar: GÜLTEN ONAY
Danışman: PROF. DR. NURİ ÜNAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fizikçiler = Physicists ; Güneş pilleri = Solar cells ; Optik = Optic ; Optik sensörler = Optical sensors ; Sensörler = Sensors

Özet:
Metal/dielektrik ara yüzeyinde uyarılan yüzey plazmon polaritonlar, sensör uygulamalarında uzun yıllardır kullanılmaktadır. Bununla birlikte, son yıllarda bilgisayar teknolojisindeki büyük gelişme sayesinde sensörler üzerindeki çalışmalar, simülasyon çalışmalarıyla da desteklenmeye başlamıştır. Simülasyon çalışmalarında, plazmonik sensörler üzerine yapılan çalışmalarda kullanılan aşamaların en aza indirilmesi konusunda yoğunlaşılmaktadır. Ayrıca, elektrik alan etkisiyle optik özelliklerinde değişiklik yapılabilen grafen, tasarlanacak olan plazmonik sensörlerde kullanılmaktadır. Zaman uzayında sonlu farklar yöntemi (FDTD) simülasyon programı ile tasarlanan plazmonik sensörün geniş bir aralıkta frekans cevabını elde etmek mümkün olmaktadır. 
Bu tez kapsamında temel malzeme olarak kullanılan grafen; elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinden THz frekans bölgesine kadar plazmonik özellik gösterebilen bir malzemedir. Ayrıca, tasarlanan yapıya elektrik alan uygulanarak grafenin optik özelliklerinde değişiklik yapılabilmektedir. Böylece, görünür bölgede grafen tabanlı sensör tasarlamak mümkün olmaktadır. Plazmonik sensörün tasarımı aşamasında metot olarak periyodik yapı ile eşleme kullanılmıştır. Bu metot ile yapıların boyut, şekil ve malzeme çeşidi değiştirilerek malzemenin rezonans dalgaboyu değiştirilebilmektedir. Rezonans frekansı aktif olarak ayarlanabilen sensör tasarımının günümüzde büyük avantajları bulunmaktadır. Tasarlanan plazmonik sensörler üretildikten sonra özellikleri değiştirilememektedir. Hâlihazırda tasarlanmış olan sensörü farklı bir dalgaboyu aralığında çalıştırmak için en baştan sensör tasarlamak gerekmektedir. Sensörler üzerine yapılan çalışmalar; sensör tasarımı, simülasyon aşamalarını gerçekleştirme, üretim ve kullanma aşamalarından oluşmaktadır. Ancak deney sonuçları ile hesaplamalar çelişirse ya da parametre değişikliğine gidilecek olursa en başa dönmek gerekmektedir. Bu tez kapsamında rezonans frekansı aktif kontrollü plazmonik sensör tasarlamak günümüz teknolojisi ile birleşerek büyük avantajlar sunmaktadır. Diğer taraftan temel malzeme olarak kullanılan grafene voltaj uygulanarak elektron durum yoğunluğu değiştirilebilmektedir. Böylece grafenin optik özelliklerinde değişiklik yapılabildiği için tasarlanacak sensörde kullanılmaktadır. 
Gerçekleştirilen çalışmalarda temel amaç rezonans frekansı aktif ayarlanabilen plazmonik sensör tasarlanmaktadır. Tasarlanacak olan plazmonik sensörün çok geniş frekans aralığında çalışılmasına olanak sağladığı için grafen temel malzeme olarak kullanılmıştır. Çünkü grafen, THz bölgesinde plazmonik özellik gösterebilen bir malzemedir.  İşte bizim bu noktada amacımız plazmonik sensörlerin rezonans frekansını, grafenin kimyasal potansiyelini değiştirerek aktif olarak ayarlamaktır. Böylece yapılacak çalışmalarda aşamaların tekrarlanmasına gerek kalmadan çalışmalara devam edilebilecektir. Hem zamandan tasarruf edilecek hem de araştırma yelpazesi genişletilecektir.
	Özet olarak; bu tez kapsamında rezonans frekansı aktif olarak ayarlanabilen grafen tabanlı plazmonik sensör tasarımı yapılacaktır. Tasarlanan plazmonik sensör üzerinde istenilen değişiklikler rezonans frekansının aktif kontrolü ile gerçekleştirilecektir.

ANAHTAR KELİMELER: FDTD, grafen, Maxwell denklemleri, plazmonik sensör, rezonans frekansı

Abstract:
The plasmon polaritions on surface, that are induced in the metal/dielectric interface, have been used in sensor applications for a long time. Thanks to the great improvement on the informatic technology, the studies on sensors have begun to be supported with the simulation studies. The phases of the design, simulation, production and usage have been pursued for the studies of the plasmonic sensors. Despite these applying the phases at every turn, designing plasmonic sensors, of which resonance frequency can be tuned in actively, provides important advantages. The plasmonic sensors that will be designed as a graphene,-of which qualifications can be changed, have been also used. This graphene has an electrical traction effect. It has been possible to receive the answer of the frequency of the plasmonic sensor in a large vacancy, that has been designed with FDTD simulation programme. 
The graphene, which is used as a fundemental material within this thesis, is a material, which has a plasmonic qualification between the infrared to THz frequency range. A sensor has been able to design in a visible area by changing its optical qualifications and applying electiric field. The match-up with a periodical structure has been used methodically during the design of the plasmonic sensor. The renosance wavelenght can be changed by changing the dimension, the form and the kind of the material of the structures. The design of the sensor, of which resonance frequency can be tuned in actively, has great advantages nowadays. After the designed sensors have been produced, their qualifications can not be changed. To operate the currently designed sensor in a different wavelenght gap, sensor is supposed to be designed from the beginning. The studies on sensors consist of the phases of the sensor design, bringing about the simulation phases, production and the usage. If the results of the experiment contrasts with the reckonings, or the variance of the parameter decided, it is supposed to be started over. To design a plasmonic sensor,-of which resonance frequency is controlled actively within this project, presents great advantages by combining with the current technology. On the other hand, the electron circumstance intensity of a graphene is able to be changed by applying voltage on it. In this way it has been used on the sensor, which will be designed, because of that the qualifications of a graphen are able to be changed. 
The main purpose of the actualized studies, is to design a plasmonic sensor, of which resonance frequency can be tuned in actively. A graphene has been used, because of that the plasmonic sensor-that will be designed- is supposed to have a large gap for scanning from the large frequency gap, namely; from the infrared area till THz frequency area. Because a graphene is a material that has plasmonic qualifications in THz area. Our aim is to proceed about the studies, without repeating these phases, because of that the resonance frequency of the plasmonic sensors can be tuned in actively. In this way, both the time will be saved, and the researches will be varied. 
In substance, the plasmonic sensor design based on graphene, of which resonance frequency can be tuned in actively, will be do within this thesis. The intended alteration on the designed plasmonic sensor, will be able to carry out without starting over, because of the resonance frequency. 

KEYWORDS: FDTD, graphene, Maxwell equations, plasmonic sensor, resonance frequency