Geri Dön

Metamalzeme tabanlı plazmonik nanoanten dizi tasarımları ile biyo-algılama ve savunma sistemlerine yönelik uygulamalar

Design of metamaterial-based plasmonic nanoantenna arrays for applications in bio-sensing and defense systems

  1. Tez No: 917632
  2. Yazar: AHMET MURAT ERTURAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN, DR. ÖĞR. ÜYESİ HABİBE DURMAZ SAĞIR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 146

Özet

Işığın, elektriğin ve ısının kontrolü, tüm insanlık tarihi boyunca elektrik ve elektromanyetik teknolojilerdeki birçok yeniliğin temelini oluşturmuştur. Sensörler, lazerler, gelişmiş bilgisayar teknolojileri ve kablosuz haberleşme sistemleri gibi birçok devrimsel gelişmenin kapısını aralayan ilk adımlar, ışığın ve diğer enerji formlarının hareket biçimini kontrollü olarak yönetme motivasyonuna dayanır. Işığın ya da elektromanyetik dalgaların nano ölçekteki yapılarla kontrolü, son yıllarda çığır açan araştırmaların başında gelir ve bu henüz bir başlangıçtır. Şüphesiz, bu başlangıcın en önemli mihenk taşlarından biri metamalzemelerin keşfidir. Metamalzemeler, doğada var olmayan ve olağanüstü elektriksel ve manyetik davranışlar gösteren kompozit malzemelerdir. Metamalzeme fikrinin ortaya atılması ve ilerleyen yıllarda geliştirilmesi sonucunda, ışığın ve daha genel bir resimde elektromanyetik dalgaların benzersiz bir şekilde manipüle edilerek birçok disipline uygulanabileceği gösterilmiştir. Plazmonik yapılar, metamalzemelerin daha yüksek frekanslarda ve çok küçük boyutlarda tasarımına dayanır. Bunun altında yatan fiziksel fenomen, dalga boyu altı metal parçacıkların ışıkla girdiği etkileşim sonucunda yüzey boyunca yayılan yüzey plazmonlarıdır. Bu plazmonlar, metal-dielektrik arayüzde yayılarak ışığı farklı formlara manipüle edebilme yeteneği sunar. Metamalzeme tabanlı plazmonik yapılar sayesinde yüzeye gelen elektromanyetik dalga, olağanüstü kırılma, yansıma ya da mükemmel emilim gibi davranışlara maruz bırakılır. Dalga boyu altı nanoparçacıkların ışıkla etkileşimi sonucu yayılan plazmonlar, yüzeyde elektrik ve manyetik alanlar oluştururken, kolektif salınan bu yüklerin harmonik salınımlara uğraması lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) fenomenini doğurur. Böylece yüzey üzerinde sınırlı ama oldukça güçlü elektrik alanlar oluşur ve yüzey boyunca meydana gelebilecek değişiklikler bu davranışta bozulmaya neden olur. Metamalzeme tabanlı plazmonik sensörler bu davranışı ele alarak çalışır ve yüzey boyunca meydana gelebilecek çok küçük kırılma indisi değişikliklerini bile yüksek hassasiyetle, etiketsiz ve eş zamanlı olarak algılar. Tüm bu gelişmelerden hareketle, tez kapsamında ele alınan konu temelde metamalzeme tabanlı plazmonik yapılar ve bu yapıların tıp, askeri savunma veya çevre güvenliği gibi geniş alanlara veya farklı disiplinlere yönelik uygulanabilirliğini göstermektedir. Olağanüstü optik özellikleri, ışığı manipüle etme yetenekleri ve kullanım avantajlarının detaylı analizleriyle önerilen nanoanten yapılarının matematiksel modellemesi, nümerik analizleri, fabrikasyon süreçleri ve ölçüm adımları detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Tez kapsamında tasarlanan metamalzeme tabanlı plazmonik sensörlerden ilki, protein IgG'nin tespitine yönelik SEIRA yöntemi kullanan çift rezonatörlü ve çift bantlı bir nanoanten modellemesidir. Burada elde edilen sonuçlarda Amid-1, Amid-2 ve Amid-3 bantlarının yanı sıra PMMA direncine ait C=O bağlarının da spektral parmak izleri rezonans modlarıyla açıklanmış ve detaylı olarak analiz edilmiştir. İkinci olarak ele alınan konu, kimyasal moleküler tespit yapmak amacıyla yine SEIRA yöntemini baz almış bir sensör yapısı önermiştir. Bu sensörün amacı, son derece tehlikeli bir patlayıcı olan TNT'nin öncül maddesi 2,4-DNT'nin metamalzeme tabanlı plazmonik bir nanoanten dizisi ile tespitini yapmaktır. Elde edilen sonuçlarda, 2,4-DNT'nin üç spektral imzası, sensörün rezonans modunda dip işaretleri ortaya çıkarmış ve bu molekülün tespiti yapılmıştır. Önerilen sensörün etiketsiz algılama, eş zamanlı tespit ve küçük boyutta olma avantajları, onların askeri savunma sistemlerine entegrasyonlarını ciddi şekilde kolaylaştırır. Üçüncü olarak ele alınan konu, dünya genelinde yaygın bir psikiyatrik hastalık olan Majör Depresif Bozukluğun (MDB) erken tanısının kantitatif, etiketsiz ve non-invaziv bir yöntemle tespitine yönelik geliştirilen metamalzeme tabanlı plazmonik sensör yapısıdır. Burada kullanılan yöntem Olağanüstü Optik İletim (EOT) fenomenine dayanır. Bu fenomenin temelinde, görünür bölgede yüzeye gelen ışığın iletimi prensibi yatar. Vücutta dengesizlikleri depresyona neden olduğu bilinen dopamin, serotonin, VEGF ve IL-6 biyomoleküllerinin 0.1 ng/mL LoD (Tespit sınırı) değeriyle tespiti başarılı bir şekilde yapılmış ve literatüre kantitatif bir yöntemle depresyonun tespiti önerisi sunulmuştur. Son olarak, metamalzemelerin ışığın manipülasyonu yeteneğine yeni bir katkı sunan ve ışığın fazı, polarizasyonu gibi diğer parametrelerini de manipüle edebilen metayüzeyler konusu ele alınmıştır. Bu metayüzeyler bugüne kadar genellikle ortogonal doğrusal polarizasyonla ışık girişimi için tasarlanmıştır. Ancak bu yapılar, optik algılama, görüntüleme ve spektroskopide oldukça önemli bir yere sahip olan dairesel polarize ışıkla verimsizdirler. Bundan dolayı, RCP ve LCP ışık altında çalışabilen, hem rezonans fazı hem de geometrik fazı destekleyen metayüzey tasarımı ele alınmıştır. Elde edilen bulgularda, gelen ışığın açısına duyarlı olarak RCP ve LCP ışığı başarılı bir şekilde ayırıp filtreleme yapılabildiği gösterilmiştir. Tüm önerilen metayüzeylerin fabrikasyon süreçleri ve ölçümleri detaylı olarak aktarılmıştır.

Özet (Çeviri)

The control of light, electricity, and heat has formed the foundation of numerous innovations in electrical and electromagnetic technologies throughout human history. The initial steps that paved the way for revolutionary advancements such as sensors, lasers, advanced computing technologies, and wireless communication systems were motivated by the aspiration to manage the behavior of light and other energy forms in a controlled manner. In recent years, the control of light or electromagnetic waves through nanoscale structures has been at the forefront of groundbreaking research, marking merely the beginning of this scientific journey. Undoubtedly, one of the most pivotal milestones of this journey is the discovery of metamaterials. Metamaterials are composite materials that exhibit extraordinary electrical and magnetic properties not found in nature. The conceptualization and subsequent development of metamaterials have demonstrated the ability to uniquely manipulate light and, more broadly, electromagnetic waves for application in numerous disciplines. Plasmonic structures build upon the design of metamaterials at higher frequencies and on much smaller scales. The underlying physical phenomenon involves surface plasmons, which are waves propagating along the surface as a result of interactions between subwavelength metal particles and light. These plasmons propagate at the metal-dielectric interface, offering the capability to manipulate light into various forms. Metamaterial-based plasmonic structures enable incoming electromagnetic waves to exhibit extraordinary behaviors such as anomalous refraction, reflection, or perfect absorption. The interaction of subwavelength nanoparticles with light generates plasmons, creating electric and magnetic fields on the surface. The collective oscillations of these charges result in harmonic oscillations, giving rise to the phenomenon of localized surface plasmon resonance (LSPR). This creates confined yet highly intense electric fields on the surface, where even minor changes in the environment cause significant disruptions to this behavior. Metamaterial-based plasmonic sensors leverage this principle to detect minute refractive index changes on the surface with high sensitivity, in a label-free and real-time manner. Building on these advancements, the research presented in this thesis focuses on metamaterial-based plasmonic structures and their applicability in diverse fields such as medicine, military defense, and environmental security. The extraordinary optical properties, light manipulation capabilities, and functional advantages of the proposed nanoantenna structures are analyzed in detail. The thesis elaborates on the mathematical modeling, numerical analyses, fabrication processes, and measurement steps of these structures. The first metamaterial-based plasmonic sensor designed in this study employs the SEIRA method and features a dual-resonator, dual-band nanoantenna model for detecting the protein IgG. The results elucidate the spectral fingerprints of Amid-1, Amid-2, and Amid-3 bands, along with the C=O bonds of the PMMA resist, through resonance modes, which are analyzed in detail. The second study proposes a sensor structure also based on the SEIRA method, aimed at detecting chemical molecules. This sensor is designed to identify 2,4-DNT, a precursor to the highly explosive TNT, using a metamaterial-based plasmonic nanoantenna array. The results reveal three spectral signatures of 2,4-DNT, producing dip signals in the sensor's resonance mode, thereby enabling detection. The proposed sensor's advantages, including label-free detection, simultaneous identification, and compact size, significantly facilitate its integration into military defense systems. The third study focuses on the early diagnosis of Major Depressive Disorder (MDD), a widespread psychiatric condition, through a quantitative, label-free, and non-invasive method using a metamaterial-based plasmonic sensor. This method is based on the Extraordinary Optical Transmission (EOT) phenomenon, which relies on the transmission of light at visible wavelengths. Biomolecules such as dopamine, serotonin, VEGF, and IL-6, known to cause imbalances associated with depression, were successfully detected at a LoD (Limit of Detection) value of 0.1 ng/mL. A quantitative method for diagnosing depression was proposed and contributed to the literature. Finally, the research examines metasurfaces, which offer a new contribution to the ability of metamaterials to manipulate light, including its phase, polarization, and other parameters. These metasurfaces have traditionally been designed for light interference under orthogonal linear polarization. However, they exhibit inefficiency when interacting with circularly polarized light, which is highly significant in optical sensing, imaging, and spectroscopy. To address this limitation, a metasurface design capable of functioning under both RCP and LCP light, supporting both resonance and geometric phases, was investigated. The findings demonstrated that RCP and LCP light could be effectively separated and filtered with angle-sensitive accuracy. The fabrication processes and measurements of all proposed metasurfaces are described in detail.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    683751

    Plasmonic metamaterial based structures for designing of multiband and thermally tunable light absorbers, multiple thermal infrared emitter, and high-contrast asymmetric transmission optical diode

    Çoklu bant ve termal ayarlanabilir ışık soğurucuları, çoklu termal kızılötesi yayıcı ve yüksek karşıtlıklı asimetrik iletim optik diyot tasarımı için plazmonik metamalzeme tabanlı yapılar

    ATAOLLAH KALANTARI OSGOUEI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKMEL ÖZBAY

  2. Tez No

    484354

    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

    ERDEM ASLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mühendislik BilimleriErciyes Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU

  3. Tez No

    772079

    Metamalzeme tabanlı plazmonik nanoantenler ile mükemmel soğurucu tasarımı ve analizi

    Perfect absorber design and analysis with metamaterial-based plasmonic nanoantennas

    VAGIF ZEYNALOV

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN

  4. Tez No

    527744

    Design, fabrication and characterization of an ultra-broadband metamaterial absorber using bismuth in the near infrared region

    Yakın kızılötesi bölgesinde çalışan çok geniş bantlı bir metamalzeme soğurucunun bizmut kullanılarak tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu

    İMRE ÖZBAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖNÜL SAYAN

  5. Tez No

    930598

    Metamaterials and their applications in biomedical engineering

    Metamalzemeler ve biyomedikal mühendisliginde üygülamaları

    MORTEZA TEYMOORI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA

Geri Dön