Metamalzeme tabanlı plazmonik nanoantenler ile mükemmel soğurucu tasarımı ve analizi
Perfect absorber design and analysis with metamaterial-based plasmonic nanoantennas
Yazar: VAGIF ZEYNALOV
Danışman: DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Soğurucular = Absorbers ; Yüzey plazmonları = Surface plasmons

Özet:
Günümüzde nanoteknoloji alanında yapılan AR-GE çalışmaları ve araştırma merkezlerinin bu konuya ayırdığı ilgi alaka ve maddi destek artmaktadır. Kısa bir literatür taraması yapıldığında yüzeyi geliştirilmiş raman spektroskopisi (SERS), kızılötesi soğrulma spektroskopisi (SEİRA) gibi spektroskopi yöntemleri, nanoantenler ve mükemmel soğurucularla ilgili araştırılmaların yapıldığı ve araştırmalarında devam ettiği görülmektedir. Plazmonik nanoyapıların mühendisliği, son zamanlarda yüzey destekli algılama yoluyla biyoalgılama için güçlü bir zemin oluşturmuş ve moleküler çalışmalarda yeni uygulamaları teşvik etmiştir. Özellikle, tasarlanmış plazmonik nanoyapılara sahip SEIRA, uzak alan ölçümleriyle ince bir molekül katmanının farklı kızılötesi titreşim izlerini tespit etme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir. 
Metamalzemeler, doğada bulunmayan yapay malzemelerdir. Nano boyuta sahip materyaller yapay şekilde elde edildiğinde metamalzeme olarak düşünülebilir.  Bunlara örnek, nanoantenlerde kullanılan altın, gümüş, alüminyum gibi metaller verilebilir. Gümüş hem görünür hem yakın-kızılötesi, hem de diğer dalga boylarında akım malzemelerinin en düşük kayıplarını sergilediği bölgelerdir. Alüminyum, görünür dalga boylarında çok az bir avantaja sahiptir. Altın ise görünür ve yakın-kızılötesinde eşit derecede iyi performans gösterir. Alüminyumun hem gümüş hem de altın üzerinde, doğal ortamlarda kimyasal olarak kararlı olması, onu plazmonik biyosensörler için çok uygun hale getirme avantajı vardır. Bununla birlikte, ~470 nm'de bir bantlar arası geçiş, 600 nm'nin altındaki dalga boylarında altındaki kayıpları büyük ölçüde artırır.  Alüminyum, ultraviyole rejiminde (<330 nm) en iyi plazmonik malzemedir.
Her biyosensör tabanlı nanoantenin sahip olduğu seçicilik, tekrarlanabilirlik, kararlılık, duyarlılık ve doğrusallık gibi nitelikleri vardır. Bu tez çalışmasında bu özellikler dikkate alınarak, 3 farklı iletken (Altın, Gümüş ve Alüminyum) ve 3 farklı dielektrik (SiO2, MgF2 ve AlO2) malzeme kullanılarak, "Metamalzeme Tabanlı Plazmonik Nanoantenler ile Mükemmel Soğurucu Tasarımı ve Analizi" yapılmıştır. Tezin ilk giriş kısmında farklı kimyasal analiz örnekleri hakkında kısa bilgiler verilmiş ve yapılan çalışmaların amaçlarıyla birlikte analiz örnekleri belirtilmiştir. Kullanılan metallerin genel özellikleri verilmiş, yapılan mükemmel soğurucular birbiri ile kıyaslanmış ve en iyi soğrulmaya sahip 3 nanoanten ile DNT ve PMMA moleküllerinin algılana bilirlikleri ortaya konulmuştur. Yapılan denemeler sonucunda altın ve gümüş kullanılan nanoantende barın (yama) sağ ve sol uzunlukları artırıldığı zaman soğrulmanın arttığı, alüminyum kullanılan nanoantenlerde ise soğrulmanın azaldığı görülmüştür. Sonuç olarak en iyi soğrulma AlSiO2AL (Alüminyum Silika) yapısındaki MIM (Metal İnsulator Metal) nanoanten yapısında bulunmuş ve tasarlanan antenler kızılötesi spektroskopi için uygun görülmüştür. Yapılan tez çalışması gelecekteki çalışmalara yön verebileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Today, the interest and financial support devoted to this subject by R&D studies and research centers in the field of nanotechnology is increasing. When a short literature review is made, it is seen that researches on spectroscopy methods such as surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), infrared absorption spectroscopy (SEIRA), nanoantennas and excellent absorbers have been made and researches continue. The engineering of plasmonic nanostructures has recently established a strong basis for biosensing via surface-assisted sensing and has spurred new applications in molecular studies. In particular, SEIRA with engineered plasmonic nanostructures has the unique ability to detect different infrared vibrational traces of a thin layer of molecules by far-field measurements.
Metamaterials are artificial materials that are not found in nature. When nano-sized materials are obtained artificially, they can be considered as metamaterials. Examples of these are metals such as gold, silver, aluminium used in nanoantennas. Silver is where it exhibits the lowest losses of current materials at both visible, near infrared, and other wavelengths. Aluminium has little advantage at visible wavelengths. Gold performs equally well in visible and near-infrared. Aluminium has the advantage over both silver and gold that it is chemically stable in natural environments, making it well-suited for plasmonic biosensors. However, an interband transition at ~470 nm greatly increases losses at wavelengths below 600 nm. Aluminium is the best plasmonic material in the ultraviolet regime (< 330 nm).
Each biosensor-based nanoantenna has properties such as selectivity, repeatability, stability, sensitivity, and linearity. In this thesis study, "Perfect Absorber Design and Analysis with Metamaterial Based Plasmonic Nanoantennas" was carried out by using 3 different conductors (Gold, Silver and Aluminium) and 3 different dielectric (SiO2, MgF2 and AlO2) materials, considering these properties. In the first introductory part of the thesis, brief information about different chemical analysis samples is given and analysis examples are given along with the aims of the studies. The general properties of the metals used were given, the excellent absorbers were compared with each other and the detectability of the 3 nanoantennas with the best absorption and DNT and PMMA molecules were revealed. As a result of the experiments, it has been observed that when the right and left lengths of the bar (patch) are increased in the nanoantenna using gold and silver, the absorption increases, and the absorption decreases in nanoantennas using aluminium. As a result, the best absorption was found in the MIM (Metal Insulator Metal) nanoantenna structure in AlSiO2AL (Aluminium Silica) structure and the designed antennas were deemed suitable for infrared spectroscopy. It is thought that the thesis study can give direction to future studies.