Grafen tabanlı plazmonik sensörler ve uygulamaları

Abstract

Metal/dielektrik ara yüzeyinde uyarılan yüzey plazmon polaritonlar, sensör uygulamalarında uzun yıllardır kullanılmaktadır. Bununla birlikte, son yıllarda bilgisayar teknolojisindeki büyük gelişme sayesinde sensörler üzerindeki çalışmalar, simülasyon çalışmalarıyla da desteklenmeye başlamıştır. Simülasyon çalışmalarında, plazmonik sensörler üzerine yapılan çalışmalarda kullanılan aşamaların en aza indirilmesi konusunda yoğunlaşılmaktadır. Ayrıca, elektrik alan etkisiyle optik özelliklerinde değişiklik yapılabilen grafen, tasarlanacak olan plazmonik sensörlerde kullanılmaktadır. Zaman uzayında sonlu farklar yöntemi (FDTD) simülasyon programı ile tasarlanan plazmonik sensörün geniş bir aralıkta frekans cevabını elde etmek mümkün olmaktadır. Bu tez kapsamında temel malzeme olarak kullanılan grafen; elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinden THz frekans bölgesine kadar plazmonik özellik gösterebilen bir malzemedir. Ayrıca, tasarlanan yapıya elektrik alan uygulanarak grafenin optik özelliklerinde değişiklik yapılabilmektedir. Böylece, görünür bölgede grafen tabanlı sensör tasarlamak mümkün olmaktadır. Plazmonik sensörün tasarımı aşamasında metot olarak periyodik yapı ile eşleme kullanılmıştır. Bu metot ile yapıların boyut, şekil ve malzeme çeşidi değiştirilerek malzemenin rezonans dalgaboyu değiştirilebilmektedir. Rezonans frekansı aktif olarak ayarlanabilen sensör tasarımının günümüzde büyük avantajları bulunmaktadır. Tasarlanan plazmonik sensörler üretildikten sonra özellikleri değiştirilememektedir. Hâlihazırda tasarlanmış olan sensörü farklı bir dalgaboyu aralığında çalıştırmak için en baştan sensör tasarlamak gerekmektedir. Sensörler üzerine yapılan çalışmalar; sensör tasarımı, simülasyon aşamalarını gerçekleştirme, üretim ve kullanma aşamalarından oluşmaktadır. Ancak deney sonuçları ile hesaplamalar çelişirse ya da parametre değişikliğine gidilecek olursa en başa dönmek gerekmektedir. Bu tez kapsamında rezonans frekansı aktif kontrollü plazmonik sensör tasarlamak günümüz teknolojisi ile birleşerek büyük avantajlar sunmaktadır. Diğer taraftan temel malzeme olarak kullanılan grafene voltaj uygulanarak elektron durum yoğunluğu değiştirilebilmektedir. Böylece grafenin optik özelliklerinde değişiklik yapılabildiği için tasarlanacak sensörde kullanılmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmalarda temel amaç rezonans frekansı aktif ayarlanabilen plazmonik sensör tasarlanmaktadır. Tasarlanacak olan plazmonik sensörün çok geniş frekans aralığında çalışılmasına olanak sağladığı için grafen temel malzeme olarak kullanılmıştır. Çünkü grafen, THz bölgesinde plazmonik özellik gösterebilen bir malzemedir. İşte bizim bu noktada amacımız plazmonik sensörlerin rezonans frekansını, grafenin kimyasal potansiyelini değiştirerek aktif olarak ayarlamaktır. Böylece yapılacak çalışmalarda aşamaların tekrarlanmasına gerek kalmadan çalışmalara devam edilebilecektir. Hem zamandan tasarruf edilecek hem de araştırma yelpazesi genişletilecektir. Özet olarak; bu tez kapsamında rezonans frekansı aktif olarak ayarlanabilen grafen tabanlı plazmonik sensör tasarımı yapılacaktır. Tasarlanan plazmonik sensör üzerinde istenilen değişiklikler rezonans frekansının aktif kontrolü ile gerçekleştirilecektir.