Plazmonik nanoanten dizilerinin tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve kızılötesi spektroskopi tabanlı biyoalgılama uygulamaları
Design, fabrication, characterization and infrared spectroscopy based biosensing applications of plasmonic nanoantenna arrays
Yazar: SEMİH KORKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRKMEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Plazmonik nanoanten dizileri, metaldeki elektron osilasyonu olan plazmonlar yoluyla ışığı çok küçük boyutlarda hapsedebilme, istenilen dalga boyunda ışığı tutma, kontrol etme ve yönlendirme özelliklerine sahiptirler. Yüksek parametre hassasiyeti, elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinde çoklu bant spektruma sahip olma ve üzerine gelen sinyalin kuvvetlendirilmesi diğer önemli özellikleridir. Plazmonik nanoanten dizilerinin sahip olduğu bu özellikler, 10 nm'den daha küçük polimer malzemelerin yüksek verimlilikle algılanmasını sağlamaktadır. Bu amaçla, bu tez çalışmasında literatürden farklı dört geometrik yapılı nanoanten dizilerinin tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve biyolojik ve kimyasal numunelerin güçlü bir şekilde algılanmasında kullanılması hedeflenmiştir. Bu yapıların, optik frekanslardaki temel karakteristikleri zaman domeninde sonlu farklar (FDTD) metodunu kullanan simülasyon programıyla ortaya konulmuştur. Nanoanten dizilerinin üretimi elektron demet litografisi (EBL) yöntemiyle, optik karakterizasyonu ise Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopi ile gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, kutuplama bağımsız nanoanten dizilerinin temel spektral özellikleri nümerik olarak incelenmiştir. Tasarlanan diğer üç yapının ise nümerik analizlerine ek olarak deneysel olarak üretilmesi sağlanmıştır. Üretimi gerçekleştirilen iki yapının ilki ile 10 nm kalınlığında polimetil metakrilat (PMMA)'ın iki temel kimyasal bağının algılanması sağlanmıştır. İkinci yapı ile 8 nm kalınlığına sahip protein A/G ve protein immünoglobulin (IgG) bileşeninden oluşan yapının temel kimyasal bağı algılanmıştır.

Abstract:
Plasmonic nanoantenna arrays have the ability to trap light in very small dimensions by means of electron oscillations in the metal, as well as to hold, control and direct light at the desired wavelength. High parameter sensitivity, having multiband spectra in the infrared region of the electromagnetic spectrum and the enhancing of the incoming signal are other important features. These properties of plasmonic nanoantenna arrays enable the detection of polymer materials with a thickness of less than 10 nm with high efficiency. For this purpose, in this thesis, it is aimed to design, fabricate and characterize four nanoantenna arrays with different geometric structure from literature and detect the biological and chemical samples by using these nanoantennas. The basic characteristics of these structures in optical frequencies are determined by a simulation program based on finite difference time domain (FDTD) method. Electron beam lithography (EBL) method has been used to fabricate nanoantenna arrays and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy has been used for optical characterization of these arrays. Firstly, the basic spectral properties of polarization independent nanoantenna arrays have been examined numerically. In addition to the numerical analyses, the other three structures have also been obtained experimentally. With the first of the two produced structures, the detection of the two basic chemical bonds of polymethyl methacrylate (PMMA), which has a thickness of 10 nm, has been provided. By means of the second structure, the basic chemical bond of the structure consisting of protein A/G and protein immunoglobulin (IgG) component having a thickness of 8 nm has been detected.