Fabrication and characterization of solution-gated graphene field-effect transistors and graphene hall sensors for developing microfluidic molecular communication receivers
Mikroakışkan moleküler haberleşme alıcılarının geliştirilmesi için çözüm kapılı grafen alan etkili transistörlerin ve grafen hall sensörlerinin üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 926255
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Moleküler haberleşme (MH), mekansal olarak ayrılmış varlıklar arasında bilgi aktarımı için kimyasal sinyalleri kullanan biyolojik olarak esinlenen bir haberleşme paradigmasıdır. Daha önce teorik MH yöntemleri üzerinde çalışmalar yapılmış olsa da, bu teorileri gerçek dünya senaryolarına dönüştürebilecek pratik sistemler geliştirme çalışmalarında büyük açıklar bulunmaktadır. Mikro ve nano ölçeklerde test platformlarının olmaması, araştırmacıları genellikle haberleşme kanal koşulları ve alıcı-verici tasarımları üzerinde basitleştirilmiş varsayımlara yönlendirmektedir. Bunun yanı sıra, MH, geleneksel bilgi ve iletişim teknolojileri araçlarının yeterli derecede açıklayamadığı karmaşık, doğrusal olmayan ve zamanla değişen kanal özellikleri nedeniyle alışılmadık zorluklara sahiptir. Bunun sonucu olarak, büyük ölçüde geleneksel elektromanyetik haberleşme modellerinden uyarlanmış olan birçok mevcut MH yöntemi, pratik test platformları olmadan doğrulanamamıştır. Bu boşluğu kapatmak için, gerçekçi MH yöntemlerini ve Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (Internet of Bio-Nano Things, IoBNT) uygulamalarını geliştirmek için test platformu görevi gören nano ölçekli MH alıcılarına sahip pratik MH sistemleri geliştirmeye ihtiyaç vardır. Bu bağlamda, mikro/nano ölçekli alan etkili transistör (FET) tabanlı biyosensörler ve Hall olayı sensörleri, bilgiyi kodlamak için kullanılabilecek çeşitli molekülleri seçici olarak tespit etme özellikleriyle pratik MH alıcıları için umut vadeden mimariler oluşturmaktadır. FET tabanlı sensörler, FET kanal iletkenliğini düzenleyen ligand-reseptör etkileşimleri yoluyla nükleotidler gibi yüklü bilgi moleküllerini tespit etmektedir. Buna karşılık Hall olayı sensörleri, Hall olayına dayalı ölçülebilir voltaj modülasyonuyla yerel manyetik alanı değiştiren, manyetik nano parçacıkları (MNP) tespit etmek üzere tasarlanmıştır. Her iki sensör mimarisi de sürekli, etiketsiz ve seçici moleküler algılamayı mümkün kılarak, bunları MH sistemlerine alıcı olarak entegre etmek için uygun hale getirmektedir. Olağanüstü elektriksel özellikleriyle grafen, FET tabanlı biyosensörler ve Hall olayı sensörleri için kullanılan nanomalzemeler arasında öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, bu tezde, grafen FET tabanlı DNA sensörleri ve grafen Hall olayı sensörlerine dayalı MH alıcılarının tasarım ve üretim süreçleri rapor edilmiştir. Üzerine çalışılan temel zorluklar arasında hassas grafen transferi, yüksek kaliteli metal elektrotların oluşturulması, etkili dielektrik katmanlarının depozit edilmesi ve mikroakışkan kanallarla entegrasyon ile birlikte geleneksel algılamanın ötesinde MH alıcı uygulamalarıyla ilgili zorluklar yer almaktadır. Optik ve elektriksel karakterizasyon yöntemleri ile her iki sensörün performansını ve kalitesini değerlendirerek hassas ve güvenilir MH alıcılarının potansiyelleri doğrulanmıştır. Bu tezde, pratik MH sistemlerinin geliştirilmesi için temeller atılmış ve gerçekçi MH yöntemlerinin ve IoBNT uygulamalarının gelişmesine katkıda bulunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Molecular Communication (MC) is a bio-inspired communication paradigm that uses chemical signals to transmit information between spatially separated entities. While significant research has been conducted on the theoretical aspects of MC, there remains a notable gap in developing practical systems that can transition these concepts into real-world applications. The absence of established testbeds at the micro- and nanoscale often leads researchers to rely on simplified assumptions regarding channel conditions and transceiver designs. Furthermore, MC presents unique challenges due to its highly complex, nonlinear, and time-varying channel properties, which conventional ICT tools cannot adequately address. As a result, many existing MC methods, largely adapted from traditional electromagnetic communication models, remain unvalidated without practical testbeds. To bridge this gap, it is essential to develop practical MC systems with nanoscale MC receivers that can serve as testbeds for advancing realistic MC methods and Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) applications. In this context, micro/nanoscale field-effect transistor (FET)-based biosensors and Hall effect sensors emerge as promising architectures for practical MC receivers due to their ability to selectively detect a wide range of molecules that can be used to encode information. FET-based sensors detect charged information molecules, such as nucleotides, through ligand-receptor interactions that modulate the FET channel conductivity. In contrast, Hall effect sensors are designed to detect magnetic nanoparticles (MNPs), which alter the local magnetic field, inducing measurable voltage modulation based on the Hall effect. Both sensor architectures enable continuous, label-free, and selective molecular detection, making them well-suited for integration into MC systems as receivers. Graphene, with its exceptional electrical properties, stands out among nanomaterials used for FET-based biosensors and Hall effect sensors. In light of this, in this thesis, I report the design and fabrication processes of MC receivers based on graphene FET-based DNA sensors and graphene Hall effect sensors. Key challenges addressed include precise graphene transfer, formation of high-quality metal electrodes, deposition of effective dielectric layers, and integration with microfluidic channels, along with specific challenges related to MC receiver applications beyond conventional sensing. Through optical and electrical characterization methods, I evaluate the performance and quality of both sensors, confirming their potential as sensitive and reliable MC receivers. As such, this thesis lays the foundation for the development of practical MC systems and contributes to advancing realistic MC methods and IoBNT applications.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of liquid electrolyte gated polymer field effect transistor for basic circuit applications
Temel devre uygulamaları için sıvı elektrolit kapılı polimer ince film transistörlerin üretimi ve incelenmesi
BERKAN YAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. ŞENOL MUTLU
- Solution processable semiconductor thin films: Correlation between morphological, structural, optical and charge transport properties
Başlık çevirisi yok
DİLEK IŞIK
Doktora
İngilizce
2013
Metalurji MühendisliğiUniversité de Montréal (Ecole Polytechnique de Montréal)PROF. CLARA SANTATO
PROF. SYLVAIN TURENNE
- Organik alan etkili transistörlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of organic field effect transistors
HİDAYET GÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ALTINDAL
- Fabrication and characterization of P3HT-WO3 hybrid thin films and device applications
P3HT-WO3 hibrit ince filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları
FATMA BEYZA YEDİKARDEŞ ER
Doktora
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ZAYİM
PROF. DR. MUSTAFA ALTUN
- Yüksek bor ayırma kapasitesine sahip yeni nesil ince film nanokompozit membranlar
Novel thin film nanocomposite membranes with high boron removal capacity
SÜER KÜRKLÜ KOCAOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ