Yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi uygulamaları için plazmonik nanoanten tabanlı fotonik metamalzemelerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of plasmonic nanoantenna based photonic metamaterials for surface enhanced spectroscopy applications
Yazar: ERDEM ASLAN
Danışman: PROF. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde yeni elektromanyetik özelliklerin elde edilmesi, dalga boyundan küçük boyutlara sahip yapay fonksiyonel elemanlar içeren ve metamalzeme olarak adlandırılan cihazların üretilmesi ile gerçekleştirilebilmektedir. Metamalzemelerin oldukça ilgi gören türlerinden olan plazmonik soğurucular ve parçacık tabanlı nanoanten dizileri, rezonant özelliklerinin çevresel ortama olan duyarlılığından dolayı algılama ve yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi uygulamalarının geliştirilmesinde oldukça yüksek potansiyele sahiptirler. Bu bağlamda, teze özgün olarak tasarlanan üç ayrı plazmonik soğurucu ve iki ayrı parçacık tabanlı metamalzeme sunulmuştur. Nanoyapıların, orta kızılötesi bölgedeki spektral karakteristikleri zaman domeninde sonlu farklar (FDTD) metodu ile incelenmiştir. Üretimleri elektron demet litografisi (EBL) ile gerçekleştirilen metamalzemelerin optik karakterizasyonları Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan plazmonik soğurucuların, algılama ve yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi uygulamaları için potansiyelini göstermek amacıyla nanometre ölçeğinde kalınlığa sahip polimer bir katmanın titreşimsel soğurma modlarının spektral izinin güçlendirilmesi, nümerik ve deneysel olarak sunulmuştur. Ayrıca plazmonik soğurucuların yakın alan özelliklerinin yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi için oldukça avantajlı olduğu nümerik olarak gösterilmiştir. Döngü şeklinde akım yoğunlukları oluşturabilen parçacık tabanlı metamalzemelerin, rezonans modlarının kökeni çok kutuplu ayrıştırma, yüzey yük, akım, elektrik ve manyetik alan dağılımı analizleriyle incelenmiştir. Spektral davranışlarının geometrik parametrelere göre değişimi nümerik analizlerle ortaya konmuştur.

Abstract:
Nowadays, accessing to new electromagnetic properties can be realized by fabricating metamaterials consist of functional artificial structures which have subwavelength dimensions. Plasmonic absorbers and particle nanoantenna arrays, the types of metamaterials that attract considerable attention, have great potential for the development of sensing and surface enhanced spectroscopy applications due to the dependence of their resonant properties on the surrounding environment. In this context, three novel plasmonic absorber structures and two novel particle based metamaterials are presented. The spectral characteristics of the nanostructures in the mid-infrared region are investigated by utilizing finite difference time domain (FDTD) method. The plasmonic devices fabricated through electron beam lithography (EBL) are characterized by using Fourier transform infrared absorption (FTIR) spectroscopy. In order to reveal the potential of the designed plasmonic absorbers for the sensing and surface enhanced spectroscopy applications, the amplification of the vibrational absorption modes of a polymer layer with nanometer scale thickness is demonstrated numerically and experimentally. Additionally, the advantages of the near-field characteristics of the plasmonic absorbers for surface enhanced spectroscopy are presented numerically. The origin of the resonance modes of the particle based metamaterials are investigated through multipolar expansion decomposition, surface charge, surface current, electric and magnetic field distribution analyzes. The dependence of their spectral characteristics on the geometrical parameters is revealed by utilizing numerical analyzes.