Plazmonik davranış gösteren metalo-dielektrik nano-kompozit filmlerin atomik kaplama metodu ile üretilmesi ve karakterizasyonu
Production of metalo-dielectric nano-composite films that show plasmonic behavior with atomic layer deposition method and characterization
Yazar: SÜMEYYE GÜLEÇ ALASAĞ
Danışman: PROF. DR. NURHAN CANSEVER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Eğitimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yüzey plazmon rezonansı günümüzde moleküler algılama için çok sık kullanılmaktadır. Sensörler (algılayıcılar) basit olarak plazma yaratacak çok ince metalik bir katmandan ve bunu destekleyen cam ya da kristalden ibarettir. Sensör yüzeyine yakın yerdeki moleküller oluşan yüzey plazmonu alanı ile etkileşime girer. Bu etkileşimden dolayı yüzeye gönderilen ışığın yansımasında ve saçılmasında açısal, spektral ve faz açısından değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler optik sensöre eklenen elektro optik bileşenler sayesinde okunup, kayıt edilebilinir. Günümüzde mevcut olan sensörler çok az miktardaki moleküllerin davranışlarını hassas bir şekilde gözlemlemek için yeterli gelmemektedir. Aynı zamanda üretilen filmlerin düzgün olmamaları, içlerinde boşluk ve yabancı madde olması gibi nedenlerle sensörde ışığın istenmeyen kayıpları (saçılımı) olmaktadır ve bu saçılım gürültü olarak sensörden alınan ölçümleri negatif bir şekilde etkilemektedir.
Bu çalışmada, çok ince ve yüksek kaliteli filmleri biriktirme metodu olan Atomik Kaplama Metodu (ALD) kullanarak daha hassas plazmonik sensör uygulamaları için altın-gümüş-alümina katmanlardan oluşan metalo-dielektrik nano kompozit filmler üretilmiş ve optiksel karakterizasyonu yapılmıştır. Öncelikle metal ve dielektrik katmanlar geometrik ve spektral olarak Fresnel denklemlerini temel alan Winspall simülasyon programı vasıtası ile optimize edilmiş ve sensörün en iyi tepkisi (yüksek hassasiyet) için en uygun nano kompozit film konfigürasyonunda katman kalınlıkları 24 nm altın-34 nm gümüş-142 nm alümina olarak hesaplanmış ve en uygun dalga boyu 632,3 nm olarak bulunmuştur. Altın ve gümüş katmanlar sıçratma yöntemi kullanılarak, alümina katman ise ALD yöntemi kullanılarak biriktirilmiştir. İlaveten yapılan çalışmalarda, elde edilen nano kompozit filmler üzerinde ısıl işlem ve sıçratma yöntemleri kullanılarak alümina ve altın nano yapılar üretilmiştir. Bu şekilde yüzeyde oluşturulan nano yapılar ile sensör yüzeyine gönderilen ışığın şiddetinin arttırılması ve farklı dalga boylarında çalışılabilmesi sağlanmıştır. Tüm bu üretilen yapıların yüzeyleri ve kesit alanlarının karakterizasyonu için SEM, yüzey pürüzlülükleri için AFM cihazları kullanılmıştır. Optik karakterizasyonları için UV/Vis/NIR spektrometre cihazında toplam yansıma, geri saçılma, geçirgenlik davranışları incelenmiştir. Emme eğrileri ise yansıma ve geçirgenlik eğrileri kullanılarak oluşturulmuştur. Ayrıca alümina nano yapılı ve altın nano yapılı sensörların farklı kırılma indisine sahip ortamlardaki (hava, saf su, gliserinli su) yansıma davranışları belirlenmiştir.

Abstract:
Recently, surface plasmon resonance is frequently utilized for molecular sensing. Sensors are made up of simply a very thin metallic layer which is supported by glass or crystal. The molecules close by the sensor surface, interacts with the surface plasmon zone. This interaction causes angular, spectral and phase related changes in the reflection and scattering of the light which is exposed to the surface. These changes can be read and recorded by means of the electro-optical components which are attached to the optical sensor. The sensors of today's technology are not adequate for observing the behaviors of tiny amount of molecules accurately. Besides this, undesirable losses of the light (scattering) occur due to the defects on the smoothness of the produced films and the pinhole and impurity inside the films and this scattering, as a source of noise, effects the measurements of the sensors negatively. 
In this study, metallo-dielectric nano composite films, were produced by using Atomic Layer Deposition (ALD) which is a deposition method for very thin and high quality films which were composed of gold-silver-alumina layers for more sensitive plasmonic sensor applications. Besides this, optical characterization was carried out. Firstly, metal and dielectric layers were optimized by using Winspall simulation program which is based on Fresnel equations as geometrical and spectral. Moreover, the film layer thicknesses of the most suitable nano-composite film configuration were calculated as 24 nm gold-34 nm silver-142 nm alumina for the best response of the sensor (high sensitivity). The most suitable wavelength was found to be 632,3 nm. Gold and silver layers were deposited using sputtering method whereas alumina layer was deposited using the ALD method. In additional studies, alumina and gold nano structures were produced by utilizing thermal processing and sputtering methods on the obtained nano composite films. The increase in the light intensity and the operability at various wavelengths were accomplished by means of the nanostructures produced as mentioned. SEM was used for characterization of the surfaces and the cross sectional areas and AFM was used for characterization of surface roughness of all the produced structures. Total reflection, backscattering, transmission behaviors were analyzed at UV/Vis/NIR spectrometry for optical characterization. The absorption curves were obtained using the reflection and transmission curves. In Addition, reflection behaviors of alumina nano-structured and gold nano-structured sensors were determined at different environments (air, deionized water, glycerin-water) which have different refractive indices.