Biyosensör uygulamaları için fraktal geometrili plazmonik nanoanten dizileri tasarım ve üretimi
Design and fabrication of fractal shaped plasmonic nanoantenna arrays for biosensing applications
Yazar: EKİN ASLAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRKMEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fraktal şekilli plazmonik nanoantenler; ölçekli olarak tekrarlanan geometrilerinden dolayı, tüm optik spektrumda; çoklu-spektral ve çoklu-ölçekli konumsal dağılımlara sahip, yüksek yerel elektromanyetik alanlara neden olabilirler. Bu nedenle de, yüzey güçlendirilmiş spektroskopi uygulamalarında, biyolojik ve kimyasal algılama için çok-bantlı sensör geliştirmede büyük bir potansiyele sahiptirler. Bu bağlamda, literatürde bilinen Cesaro tip fraktal geometriye ve literatüre sunulan ters-Cesaro tip fraktal geometriye sahip üç yeni rezonant nanoparçacık ortaya konulmuştur. Bu nanoyapıların, optik frekanslardaki plazmonik saçılma karakteristikleri ve hiyerarşik fraktal dağılımlara sahip rezonant yakın alan özellikleri; zaman domeninde sonlu farklar (FDTD) simülasyonlarıyla çalışılmıştır. Elektron demet litografisi (EBL) yoluyla üretilen nanoanten dizilerinin optik karakterizasyonu, Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) mikrospektroskopisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Cesaro tabanlı fraktal nanoantenlerin kızılötesi algılama potansiyelini göstermek için nano kalınlıktaki bir polimerin üç farklı moleküler bandının ve bakteriyodopsin zarının on farklı moleküler bandının algılama sonuçları sunulmuştur. Düşük hassasiyetleri nedeniyle, geleneksel kızılötesi algılama platformları az miktarlardaki moleküllerin algılanmasında bazı dezavantajlara sahiptir. Fraktal nanoaçıklıklardan elde edilen yüksek iletim, bu problemlerin giderilmesinde çözüm olabilmektedir. Bu amaçla kare ve dikdörtgen fraktal benzeri nanoaçıklık dizileri de incelenmiştir. Kare fraktal benzeri nanoanten dizileri, EBL yoluyla üretilmiştir ve FTIR mikrospektroskopisi ile karakterize edilmiştir. Bu tez çalışmasında sunulan fraktal tabanlı nanoantenlerin mühendisliği; gelecekte plazmonik-fotonik platformlara verimli şekilde entegre edilebilen, çoklu-spektral optik biyosensörler için yeni bir strateji sağlayacaktır.

Abstract:
Fractal shaped plasmonic nanoantennas can give rise to strongly enhanced local electromagnetic fields with multi-spectral and multi-scale spatial distribution in the whole optical spectrum, owing to their scale-invariant geometry. Thus, they have a large potential to enable multiband sensors in surface-enhanced spectroscopic applications for biological and chemical detection. In this context, three novel resonant nanoparticles based on fractal geometries which are known as Cesaro type and presented to literature as inverse-Cesaro type are introduced. Plasmonic scattering characteristics in the optical frequencies and resonant near-field properties with hierarchical fractal distributions of these nanostructures are studied by resorting to finite difference time domain (FDTD) simulations. Optical characterization of nanoantenna arrays fabricated by electron-beam lithography (EBL) is experimentally realized by Fourier transform infrared (FTIR) microspectroscopy. In order to demonstrate the infrared sensing potential of Cesaro based fractal nanoantennas, triple-band-detection results of a polymer with nanoscale thickness and decuple-band-detection results of a bacteriorhodopsin membrane are presented. Due to their lower sensitivity, conventional infrared sensing platforms have some disadvantages with detecting the small quantities of molecules. Enhanced transmission from fractal nanoapertures can be a solution for this problem. For this purpose in this study, nanoaperture arrays based on square and rectangular fractal-like geometries are studied. Square fractal-like nanoantenna arrays are fabricated by EBL and characterized by FTIR microspectroscopy. The engineering of fractal based nanoantennas in this thesis study can provide a novel strategy for multispectral optical biosensors that can be conveniently integrated in future plasmonic-photonic platforms.