Biyosensör uygulamaları için nanofotonik yapıların tasarlanması
Design of nanophotonic structures for biosensor applications
Yazar: NUR ERİM
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında yüzey modlarını destekleyen düşük simetrili fotonik kristaller kullanılarak optik sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Düşük simetri elde etmek için, fotonik kristalin öteleme simetrisi bozulmadan korunurken, birim hücre boyutu bakımından dönme simetrisi bozulmuştur. Ayrıca algılanmak istenen malzeme ile etkileşimi arttırmak için yüzeye bir hava yarık yerleştirilmiştir. Yüzeyde yer alan küçük deliklerin açısal olarak yer değişimi ve yüzeye eklenen yarık sayesinde bant aralığı bölgesinde yüzey modu elde edilmiştir. Önerilen sensör yapısı için hem üç boyutlu frekans ve hem de üç boyutlu zaman alanı hesaplamaları yapılmıştır. Yüzeye hapsolmuş bir şekilde ilerleyen ışık ile yüzeye enjekte edilen malzemenin güçlü bir şekilde etkileşimi sonucu ~2100 nm/RIU gibi yüksek bir hassasiyet değeri elde edilmiştir. Yüzeydeki küçük deliklerin farklı açı değerleri ve farklı yarık genişlikleri için farklı hassasiyet değerlerini gösteren hassasiyet haritası oluşturulmuştur. Ayrıca, düşük simetrili fotonik kristal sensör yapısının biyosensör uygulamaları açısından belirli kırılma indisi değerleri için nümerik analizi gerçekleştirilmiştir.
Tezde yapılan diğer bir çalışmada ise silikon ve silikon nitratın periyodik diziliminden oluşan ve yüzeyinde hava yarık bulunan tek boyutlu fotonik kristal kullanılarak biyosensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Biyosensör yapısının frekans ve zaman düzleminde analizleri yapılmıştır. Tek boyutlu fotonik kristalin yüzeyinde belirli bir bozukluk meydana getirilerek Bloch yüzey dalgası elde edilmiştir. Yüzeyde ilerleyen ışık dalgasının malzeme ile etkileşimi sağlanarak rezonans açıda kayma meydana gelmiştir. Tasarlanan yapının hassasiyet değeri 258 derece/RIU olarak hesaplanmıştır. Nano yarık yüzey dalgası biyosensör yapısı, yüksek hassasiyet değerine sahip olması ve kompakt olması nedeniyle biyosensör uygulamaları için bir alternatif olarak gösterilebilir.
Yapılan diğer çalışmada asimetrik yüksek kırılma indisi kontrastlı dielektrik ızgaraları kullanarak, spektral kırılma indisi algılama yöntemine dayalı yeni bir etiketsiz optik biyosensör konfigürasyonu önerilmiştir. Tasarlanan biyosensörün karakterizasyonu iki ve üç boyutlu zaman alanında sonlu farklar yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Cihazın göze çarpan özellikleri, kompakt olması, etiketsiz çalışması, basit bir ölçüm tekniğine, kolay uyarma senaryosuna ve 450 nm/RIU gibi yüksek bir hassasiyet değerine sahip olmasıdır. Önerilen sensör konfigürasyonu, alternatif biyokimyasal algılama yaklaşımına yeni bir ivme kazandırabilir.
Tez kapsamında son olarak sekiz kat simetrik fotonik kuazi kristal yapı sensör uygulamaları açısından araştırılmıştır. Kuazi kristal yapının merkezinde dalga kılavuzu oluşturmak için ortadaki deliklerin çapı artırılmış ve kuazi kristal yapının yasaklı bant bölgesinde çeşitli dalga kılavuzu modları elde edilmiştir. Ayrıca yapıda herhangi bir kusur tanımlanmadan iletimin yüksek olduğu frekanslarda kuazi kristalin belirli bölgelerinin kırılma indisi değiştirilerek sensör uygulaması açısından performansı değerlendirilmiştir. Tasarlanan kuazi kristal yapı ile 105 nm/RIU değerinde bir hassasiyete ulaşılmıştır. Fotonik kuazi kristal yapılar güçlü ışık-madde etkileşimi sayesinde sensör uygulamaları için bir alternatif olarak gösterilebilir.

Abstract:
In this thesis, an optical sensor design is realized by using low symmetrical photonic crystals which support surface modes. In order to achieve low symmetry, the translational symmetry of the photonic crystal was maintained while the rotational symmetry in terms of unit cell size was disturbed. Furthermore, an air slot is placed on the surface to increase the interaction with the material to be detected. The surface mode is achieved in the band gap region by the angular displacement of the small holes in the surface and the slot added to the surface. For the proposed sensor structure, both three-dimensional frequency and three-dimensional time domain calculations were performed. A high sensitivity value of ~2100 nm/RIU was obtained as a result of the strong interaction of the material injected into the surface with the light traveling confined in the surface. A sensitivity map has been created showing different sensitivity values for different angle values and different slot widths of small holes on the surface. In addition, numerical analysis of low symmetric photonic crystal sensor structure for specific refractive index values was performed for biosensor applications.
In another study conducted in this thesis, one-dimensional photonic crystal consisting of periodic arrangement of silicon and silicon nitrate with an air slot on its surface was designed for biosensor design. The biosensor structure was analyzed in both frequency and time domain. Bloch surface wave was obtained by creating a certain defect on the surface of one dimensional photonic crystal. The interaction of the light wave travelling on the surface with the material caused a shift in the resonance angle. The sensitivity of the designed structure was calculated as 258 degrees/RIU. The nano slot surface wave biosensor structure can be shown as an alternative for biosensor applications because of its high sensitivity and compactness.
In another study, a new label-free optical biosensor configuration based on spectral refractive index detection method was proposed using asymmetric high refractive index contrast gratings. Characterization of the designed biosensor was carried out using two and three dimensional finite difference time domain method. Its outstanding features are its compactness, simple measurement technique, easy excitation scenario, label-free operation and high sensitivity of 450 nm/RIU. The proposed sensor configuration can give new impetus to the alternative biochemical detection approach.
The last study in the thesis, eight-fold symmetric photonic quasi crystal structure sensor applications have been investigated. In order to create a waveguide in the center of the quasi-crystal structure, the diameter of the holes in the middle was increased and various waveguide modes were obtained in the forbidden band gap of the quasi-crystal structure. In addition, without defining any defects in the structure, the refractive index of certain regions of the quasi-crystal was changed at high transmission frequencies and its performance was evaluated in terms of sensor application. With the designed quasi-crystal structure, a sensitivity value of 105 nm/RIU was reached. Photonic quasi-crystal structures can be shown as an alternative for sensor applications due to the strong light-matter interaction.