Altın ve gümüş nanopartiküllerinden oluşan heterojen plazmonik yapıların üretilmesi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of heterogeneous plasmonic structures composed of gold and silver nanoparticles
Yazar: ÖZGE CANPOLAT
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA SERDAR ÖNSES
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Nano boyuttaki metalik yapılar sahip oldukları ilginç özellikleri ile hem birçok bilimsel çalışmaya konu olmakta hem de farklı uygulama alanları için yüksek bir potansiyel taşımaktadırlar. Metalik nanopartiküllerin (NPlerin) sahip oldukları optik özellikler lokalize yüzey plazmonik rezonansları (LSPR) tarafından belirlenmektedir. Bireysel bir metalik NPde, LSPR'ın frekans, şiddet ve kalitesi partikülün boyutu, geometrisi ve kompozisyonu ile bulunduğu yerel ortamın kırılma indisine bağlıdır. Nano boyutta metallerin LSPRları, ilave olarak, yakında bulunan diğer metalik NPlere olukça hassasiyet göstermektedir. Yakın mesafede konumlanmış metalik NPler arasındaki eşleşmeler, partikül çevresindeki yerel elektriksel alanların spektrumu, şiddeti, uzaysal dağılımı ve polarizasyonun ayarlanması için eşsiz bir strateji sunmaktadır. Örnek olarak metal NPler arasındaki plazmonik eşleşmeler ile elektriksel alanın lokalize olarak zenginleştirilmesiyle, yüzey zenginleştirilmiş Raman spektroskopisindeki (SERS) kullanımı mümkün olabilmektedir. Öte yandan, farklı kompozisyonlardaki NPlerin kontrollü bir şekilde yakın mesafelerde konumlandırılmasıyla, hem LSPR'ın hassas bir şekilde ayarlanması hem de çok fonksiyonlu heterojen yapıların üretimi mümkün olmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, yüzeylerin iki farklı kompozisyonda polimer fırçalar ile fonksiyonlandırılması ile kolloidal olarak sentezlenmiş farklı kompozisyondaki metalik NPlerin yüzey üzerinde sabitleştirilmesi ve düzenlenmesi ile heterojen plazmonik nanoyapıların üretilmesi gerçekleştirilmiştir. Bu doğrultuda, uç fonksiyonlu poli(2-vinil piridin) ve poli(etilen glikol)'un yüzeye sırayla aşılanmasıyla ikili fırçalar oluşturulmuş, ve bu fırçaların üzerine ise farklı boyut ve geometrilerde altın ve gümüş NPleri sabitleştirilmiştir. Tez çalışması üç alt başlık altında yürütülmüş olup ilk olarak farklı kompozisyonlarda poli(2-vinil piridin) ve poli(etilen glikol) içeren yüzeylerin üretimi üzerinde çalışılmıştır. İkinci olarak ise, bu yüzeylerin üzerinde altın-gümüş heterojen yapılarının üretimine el verecek koşullar belirlenmiştir. Üçüncü başlık altında ise üretilen altın-gümüş heterojen yapılarının optik özellikleri yer almıştır. Tez çalışmasında elde edilen sonuçlar altın-gümüş heterojen nanoyapılarının etkin bir şekilde ve yüksek bir plazmonik eşleşmeyle üretildiğini göstermektedir.

Abstract:
Metallic structures at the nanometer length scale show great promise both for fundamental scientific studies and practical technological applications. The optical properties of metallic nanoparticles (NPs) are determined by localized surface plasmonic resonances (LSPR). The frequency, intensity and quality of LSPR for an individual metallic nanostructure are dependent on the size, geometry and composition of the particle, and the refractive index of the local medium. Moreover, the LSPR of nanoscale metals can be modulated with the neighbor metallic NPs that are placed in close-proximity, resulting in plasmonic coupling in between the individual NPs. The plasmonic coupling has become an effective approach to tune the optical properties of metallic nanostructures such as the strength and position of electric fields around the particles. A good example to utilization of such plasmonic coupling involves surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) where the strong localization of electric fields in gaps between the individual metallic NPs significantly increase the intensity of Raman scattering of analyte molecules. This enhancement allows of detection of low concentrations of molecules in Raman spectroscopy. The controllable and close placement of metallic NPs of varying composition  is critically important for achieving unique plasmonic properties and multi-functional heterogeneous structures. 
This thesis study involved fabrication of substrates functionalized with two different polymer brushes for immobilization and assembly of colloidal gold and silver NPs with the objective of generating plasmonic heterogeneous structures. In this direction, a binary brushes were fabricated by sequential grafting of end-functional poly(2-vinyl pyridine) and poly(ethylene glycol) to the surface of silicon and glass substrates. Colloidal gold and silver NPs with different sizes and geometries were then selectively immobilized on these substrates functionalized with binary brushes. The thesis study included three main parts. First, substrates with different compositions were fabricated by tuning the grafting conditions of poly(2-vinyl pyridine) and poly(ethylene glycol) chains. Second, immobilization and assembly of gold and silver were studied for high yield generation of heterogeneous plasmonic structures. Finally, the optical and structural properties of gold-silver heterogeneous structures were characterized using different techniques including ultraviolet–visible spectroscopy, SERS and electron microscopy. The results demonstrate effective fabrication of heterogeneous gold-silver nanostructures with high levels of plasmonic coupling.