T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ KOORDİNASYON BİRİMİ

T.C.

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ

KOORDİNASYON BİRİMİ

KIZILÖTESİ BÖLGEDE ÇALIŞAN RÜZGÂR GÜLÜ ŞEKLİNDEKİ NANO YAPILARIN TASARIMI VE ÜRETİMİ

Proje No: FBA-2014-5048

NORMAL ARAŞTIRMA PROJESİ (NAP)

SONUÇ RAPORU

Proje Yürütücüsü Yrd. Doç. Dr. Sabri Kaya

Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Bölümü

Araştırmacılar Doç. Dr. Mustafa Türkmen Doktora Öğrencisi Ekin Aslan Yüksek Lisans Öğrencisi Halis Karakaya

Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Bölümü

AĞUSTOS 2015 KAYSERİ

ÖNSÖZ-TEŞEKKÜR

Proje kapsamında kızılötesi frekans bölgesinde çalışan rüzgâr gülü şeklindeki nano yapılar tasarlanmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Birinci bölümde optik antenler (nano antenler) ve kiral yapılar ile ilgili genel bilgiler verilerek projenin amacı açıklanmıştır.

İkinci bölümde nanoantenlerin analizinde kullanılan zaman domeninde sonlu farklar metodu hakkında bilgi verilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan cihaz ve malzemelerle ilgili bilgiler yine ikinci bölümde yer almaktadır.

Üçüncü bölümde proje kapsamında tasarlanan rüzgâr gülü şeklindeki açıklık ve parçacık nano yapılarla ilgili detaylı bilgi verilmiştir. Teorik ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar literatürdeki sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Geometrik parametrelerin nano yapıların optik özelliklerine etkisi de üçünde bölümde verilmiştir.

Dördüncü bölümde ise proje kapsamında gerçekleştirilen teorik, simülasyon ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir.

Kızılötesi frekans bölgesinde çalışan rüzgâr gülü şeklindeki nano yapıların sunulduğu bu proje Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi (ERÜ BAP) tarafından desteklenmiştir.

ii ÖZET

Anten çeşitlerinden birisi olan optik antenler, bulundukları ortamda yayılan optik ışımaları elektriksel işaretlere veya elektriksel işaretleri optik ışımalara verimli bir şekilde dönüştüren aygıtlardır. Optik antenler elektromanyetik ışımayı çok küçük boyutlara sıkıştırabilirler ve yerel kaynaklardan uzak alanlara çok verimli bir şekilde gönderebilirler. Optik antenler, ışık ile nano-madde arasında etkileşmeyi sağlayarak çalışırlar.

Boyutlarından herhangi biri 100 nanometrenin altında olan optik anten yapıları

“nanoantenler” olarak isimlendirilmektedir. Tek bir nanoparçacık veya nanoaçıklık kullanarak nanoanten tasarlanabildiği gibi birden fazla parçacık veya açıklık nanoanten kullanılarak nano-üretim teknikleri ile nanoanten dizileri üretilebilir. Nanoparçacık ve nanoaçıklık dizilerinin geometrilerinin veya yerleşimlerinin değiştirilmesi ile istenilen optik özelliklere sahip sistemler gerçekleştirilebilir. Nanoantenler çok yeni bir çalışma konusu olmakla birlikte, nanoantenlerle ilgili yapılan çalışmalar hızla artmaktadır. Nanoantenler, optik dedektör uygulamalarında, yüksek çözünürlüklü mikroskopi uygulamalarında ve kimyasal- veya biyo- sensör uygulamalarında kullanılmaktadır.

Bu projede, kızılötesi frekans bölgesinde çalışan, keskin köşeleri sayesinde çok yüksek elektromanyetik alan depolama kabiliyeti olan rüzgâr gülü şeklindeki iki farklı nano yapı tasarlanmıştır. Bunlardan birisi Rüzgâr Gülü Şeklindeki Nano-Açıklıklar (RGŞNA), diğeri ise Rüzgâr Gülü Şeklindeki Kiral Nano Parçacıklardır (RGŞKNP). Projede kapsamında RGŞNA dizileri tasarlanmış ve üretimleri elektron demet litografi tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. RGŞNA dizilerinin karakterizasyonu Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi kullanılarak yapılmıştır. Zaman domeninde sonlu farklar metoduna dayanan nümerik simülasyonlar deneysel bulguları açıklamak için kullanılmıştır. RGŞNA dizilerinin rezonans karakteristikleri için ayrıca eş değer devre modeli de sunulmuştur. RGŞNA dizilerinin spektral cevabı, geometrik boyutları ve film kalınlığı değiştirilerek kontrol edilmiştir. Ayrıca ışık kaynağının polarizasyon yönünün etkisi incelenmiştir. RGŞKNP dizileri ise kiral moleküllerin algılanması için tasarlanmış ve optik özellikleri zaman domeninde sonlu farklar metodu ile elde edilmiştir. RGŞKNP dizilerinin geometrik parametrelere bağlılığı da ayrıca incelenmiştir. Proje kapsamında yapılan teorik ve deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar literatüre sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler: Nanoantenler, Nanoteknoloji, Elektron demet litografi tekniği, Kiral malzemeler, Biyosensörler

DESIGN AND FABRICATION OF WINDMILL-SHAPED NANO STRUCTURES FOR INFRARED REGIME

ABSTRACT

Optical antenna is a type of antennas which can convert the optical radiation to the electrical signals or efficiently convert the electrical signals to the optical radiation. These antennas can capture the light in the small dimensions and efficiently transmit it to long distances from local sources. The theory of optical antennas depends on the light matter interaction phenomenon.

Nanoantenna is a optical antenna which has a metal in Sub-100 nm. Nanoantennas can be designed by using only one nanoparticle/nanoaperture or more. Nanoantennas are fabricated on a substrate by using the nanofabrication techniques. Optical properties of nanoantenna can be controlled by changing the geometrical parameters of nanoparticles or nanoapertures.

Nanoantennas are used in wide range of applications such as optical detectors, high resolution microscopy, chemical and biosensing.

In this project, windmill-shaped two nano structures with multiple sharp corners that gives rise to extreme electromagnetic field enhancements are designed for the infrared regime.

These nano structures are windmill-shaped nano apertures (WS-NA) and windmill-shaped chiral nano particles (WS-CNP). In the project, WS-NA array was designed and fabricated by using the electron beam lithography (EBL) technique. Numerical simulations based on the Finite Difference Time Domain (FDTD) method were used to explain the experimental findings. An equivalent circuit model for the resonant characteristic of the WS-NA array was also proposed. The spectral response of the WS-NA arrays was controlled by varying their geometrical dimensions and film thickness. The effect of the source polarization direction was also investigated. WS-CNP array was designed for sensing of chiral molecules. Optical properties of WS-CNP array were obtained by using the FDTD method. The spectral response of the WS-CNP array was controlled by varying their geometrical dimensions. The results obtained from the theoretical and experimental studies within the project were proposed to literature.

Keywords: Nanoantennas, Nanotechnology, Electron beam lithography technique, Chiral materials, Biosensors

iv

İÇİNDEKİLER

ÖNSÖZ-TEŞEKKÜR ... i

ÖZET ... ii

ABSTRACT ... iii

İÇİNDEKİLER ... iv

TABLOLAR LİSTESİ ... vi

ŞEKİLLER LİSTESİ ... vii

1. BÖLÜM GENEL BİLGİLER 1.1. Nano Antenler ... 1

1.1.1. Nano Açıklıklar ... 4

1.1.2. Kiral Nano Parçacıklar ... 4

1.2. Projenin Amacı ... 5

2. BÖLÜM GEREÇ ve YÖNTEM 2.1. Teorik analizlerde izlenecek yöntem ... 7

2.2. Deneysel çalışmalarda kullanılacak yöntem ... 10

2.3. Deneysel çalışmalarda kullanılacak olan araç gereç ve cihazlar ... 12

3. BÖLÜM BULGULAR 3.1. Giriş ... 13

3.2. Rüzgâr Gülü Şeklindeki Nano Açıklık(RGŞNA) Dizileri ... 13

3.2.1. Nanoanten yapılarının üretilmesi... 14

3.2.2. Nanoanten karakterizasyonunun gerçekleştirilmesi ... 15

3.2.3. RGŞNA dizilerinin spektral cevabının geometrik parametrelere bağımlılığı ... 17

3.2.4. Elektrik alan yoğunluklarının

karşılaştırılması………...22

3.2.5. Işık kaynağının polarizasyonuna bağımlılık ... 24

3.3. Rüzgâr Gülü Şeklindeki Kiral Nano Parçacık (RGŞKNP) Dizileri ... 26

3.3.1. RGŞKPN dizisinin kiral-optik yakın alanları ... 29

3.3.2. RGŞKPN dizisinin spektral cevabının ayarlanması ... 31

4. BÖLÜM TARTIŞMA VE SONUÇ 4.1. Tartışma ve Sonuç ... 34

KAYNAKLAR ... 35

vi

TABLOLAR LİSTESİ

Tablo 3.1. Rüzgâr gülü, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık nanoanten dizileri için rezonans frekansı ve maksimum elektrik alan yoğunluğu değerleri ... 24

ŞEKİLLER LİSTESİ

Şekil 2.1. Yee birim hücresi ... 8

Şekil 2.2. Havada asılı şekilde duran bir membran (free-suspended membrane) üretimi...11

Şekil 2.3. Havada asılı membran üzerine açıklık nanoanten dizilerinin üretimi ... 12

Şekil 3.1. RGŞNA yapısının şematik görünümü ... 13

Şekil 3.2. Nano açıklıkların üretimi ... 14

Şekil 3.3. (a) RGŞNA dizisinin yansıma spektrumu. (b) RGŞNA dizisinin iletim spektrumu.(c) Üretilmiş RGŞNA dizisinin SEM görüntüsü. (d) 58 THz’de manyetik alan yoğunluğu dağılımı. (e) Yapının rezonans karakteristiği için eşdeğer devre modeli. ... 16

Şekil 3.4. Yükseklik (L) değişimi için RGŞNA dizisinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı ... 18

Şekil 3.5. Boşluk genişliği (g) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı ... 19

Şekil 3.6. Periyot (P) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı ... 20

Şekil 3.7. Altın tabakası kalınlığı (tAu) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı ... 21

Şekil 3.8. Açıklık dizilerinin yansıma spektrumu ... 23

Şekil 3.9. Polarizasyon açısı (θ) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı ... 25

Şekil 3.10. RGŞKNP’nin üstten ve yandan görünümü ... 27

Şekil 3.11. RGŞKNP dizisinden elde edilen sonuçlar. (a) LCP uyarım için iletim, yansıma ve emilim spektrumu. (b) RCP uyarım için iletim, yansıma ve emilim spektrumu. (c) Üstten uyarım için dairesel dikroizm. (d) Alttan uyarım için dairesel dikroizm ... 28

Şekil 3.12. RGŞKNP dizisinin f1 ve f2 rezonans noktalarında RCP için ve LCP için elektrik alan dağılımları ... 29

Şekil 3.13. RGŞKNP dizisinin f1ve f2 rezonans noktalarındaki RCP için ve LCP için optik kiralitesi ... 31

Şekil 3.14. RGŞKNP dizisinin dairesel dikroizm sonuçları ... 32

1. BÖLÜM

GENEL BİLGİLER

1.1. Nano Antenler

Antenler, elektromanyetik dalgaları göndermek veya almak için kullanılan aletlerdir [1].

Antenler, verici devrelerde iyi ayarlanmış ışıma diyagramları ile uzak mesafelere gönderilmek üzere elektromanyetik dalgaların oluşturulmasında, alıcı devrelerde ise uzak mesafedeki bir kaynaktan gönderilen kodlanmış bilgileri elde etmek için elektromanyetik dalgaların alınmasında kullanılırlar. Antenler, uygulama alanlarına göre, ışıma özelliklerine göre, yapısal özelliklerine göre, genel özelliklerine göre veya frekans bantlarına göre sınıflandırılabilirler.

Anten çeşitlerinden birisi olan optik antenler, bulundukları ortamda yayılan optik ışımaları elektriksel işaretlere veya elektriksel işaretleri optik ışımalara verimli bir şekilde dönüştüren aygıtlardır [2]. Optik antenler elektromanyetik ışımayı çok küçük boyutlara sıkıştırabilirler ve yerel kaynaklardan uzak alanlara çok verimli bir şekilde gönderebilirler. Optik antenler, ışık ile nano-madde arasında etkileşmeyi sağlayarak çalışırlar. Farklı geometrilerde tasarlanan optik antenler çeşitli uygulamalarda kullanılabilmektedirler [3, 4] .

Nanometre boyutlarında üretilen optik antenler “nanoantenler” olarak isimlendirilirler.

Nanoantenler, tek bir nanoparçacığın veya birden fazla nanoparçacığın plazmonik metamalzemeler üzerinde kimyasal yollarla veya çeşitli nano-üretim teknikleri kullanılarak elde edilirler. Nanoparçacık dizilerinin geometrilerinin veya yerleşimlerinin değiştirilmesi ile istenilen optik özelliklere sahip sistemler oluşturulabilir [5-14]. Farklı atomlar bir araya getirilerek üretilen plazmonik metamalzemelerle ışığın bu malzemeler içerisinde hapsedilmesi veya ışığa istenildiği gibi yön verilebilmesi mümkündür [15-17]. Plazmonik metamalzemelerle tasarlanan nanoantenlerin optik özellikleri nanoparçacık dizilerinin geometrisine ve yerleşimine doğrudan bağlıdır.

1980`li yıllarda araştırmacılar deneysel olarak, ışık dalgalarının, bir metal ve dielektrik ara yüzeyine doğru şartlar altında gönderilmesinin metal yüzeyindeki dalgalar ile hareketli elektronlar arasında bir rezonans etkileşimine neden olduğunu göstermişlerdir. Bir başka ifadeyle, yüzeydeki elektronların salınımı ile metalin dışında bulunan elektromanyetik

alandakiler etkileşmektedir. Sonuçta, yüzey plazmonlarının oluşmasına ve elektronların yoğunluk dalgalarının, suya attığınız bir taşın, göl yüzeyinde dalgalar şeklinde yayılması gibi ara yüzeyde ilerlemesine neden olmaktadır.

Plazmonik, nano-fotoniğin bir dalı olup nanometre büyüklüğündeki yapıları kullanarak ışığın çok küçük boyutlardaki yapılarda sınırlandırılması ve yönlendirilmesiyle ilgilenir [18].

Araştırmacılar, optik sinyallerin, plazmon olarak tanımlanan elektron yoğunluk dalgalarının üretilmesiyle, ışığı küçücük metal parçacıklar içerisinde sıkıştırabileceklerini keşfettiler.

Plazmonik devreler, mikroskopların çözünürlüğünü, ışık saçan diyotların etkinliğini, kimyasal ve biyolojik algılayıcıların duyarlılığını geliştirmekte kullanılmaktadır [19].

2000 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Prof. Atwater ve grubu, bu alanda yapılacak araştırmaların tamamen yeni bir cihaz sınıfı ile sonuçlanacağını hissederek, gelişme sürecinde olan bu disipline “plazmonik” adını vermişlerdir [20]. Mikroskopların çözünürlüğünün geliştirilmesi, ışık saçan diyotların etkinliğinin arttırılması, kimyasal ve biyolojik sensörlerin hassasiyetlerinin artırılması, plazmonik bileşenlerin çok çeşitli cihazlarda uygulanması ile mümkün olabilecektir. Bazı bilim insanları, tasarladıkları küçük taneciklerin plazmon rezonans soğurma özelliklerini kullanarak kanserli dokuların yok edilmesi gibi bazı tıbbi uygulamalar üzerinde de çalışmalar yapmaktadırlar [21, 22].

Yüzey plazmonları ile ilgili araştırmalar 1970’li yılların ortalarında, kimyagerlerin bu olguyu Raman Spektrokopisi kullanarak, bir örnekten saçılan lazer ışığının yansımasını gözlemesi ile moleküler titreşimlerden örneğin yapısının belirlenmesini içeren çalışmalar sırasında başlamıştır [23]. 90’lı yıllarda ise Ebbesen [24], milyonlarca mikroskobik delik ile baskılanmış ince bir altın filmi aydınlattığında, bir şekilde folyonun deliklerinin sayı ve boyutuna göre, tahmin edilenden daha fazla ışığın yayıldığını bulmuştur. Daha sonraki yıllarda yine Ebbesen ve ekibi [25], film üzerindeki yüzey plazmonunun elektromanyetik enerjinin iletimini şiddetlendirdiği yorumuna varmışlardır.

Plazmonik konusundaki çalışmalar, elektron salınımının şaşırtıcı optik özelliklere neden olan yeni meta malzemelerin keşfi ile başka bir ilerleme kaydetmiştir. Plazmonik alanında elde edilen başarılar araştırmacıların, plazmonik etkiler ile yaratılmış karmaşık elektromanyetik alanların simülasyonlarını doğru bir şekilde yapabilmelerini ve nano boyuttaki yapıların

3

yapımı için yeni yöntemlerin geliştirilmesi ile ultra küçük plazmonik cihaz ve devrelerin yapımı ve denenmesi mümkün olmuştur.

Nanoplazmonik biyosensörler altın ve gümüş gibi soy metallerin iletkenlik elektronlarının optiksel frekanslarda salınımlarından oluşan yüzey plazmonlarının kullanımına dayanmaktadır. Nanoyapılı yüzeylerde oluşan yüzey plazmonları altın ve gümüş nanoparçacıkların büyüklüğüne, şekline ve nano parçacığın hazırlandığı metalin türüne, içindeki bulundukları ortama bağlı olarak değişmekte ve bazı spektroskobik olayları etkileyebilmektedir.

Biyosensör uygulamaları için kullanılabilecek olan plazmonik nanoantenler genel olarak optik nanoantenler olarak sınıflandırılmaktadır. Plazmonik nanoanten yapılarının üretilmesindeki temel amaç, ışığın oda sıcaklığında nano boyuttaki anten yapıları içerisinde hapsedilmesidir.

Bu anten yapılarının algılaması istenilen protein ve virüslerin moleküler rezonanslarında yüksek oranda ışık hapsedebilme özelliğine sahip olması gerekmektedir. Hapsedilen elektromanyetik enerji protein ve virüs molekülleriyle etkileşime girecek ve anten yapısı üzerine konulan solüsyon içerisinde ilgili protein veya virüslerin var olup olmadığı nanoantenlerin frekans cevaplarındaki değişimler yoluyla anlaşılabilecektir. Böylelikle yerinde, hassas ve ucuz bir şekilde biyo algılama gerçekleştirilmesi mümkün olacaktır.

Nanoantenler çok yeni bir çalışma konusu olmakla birlikte, nanoantenlerle ilgili yapılan çalışmalar hızla artmaktadır. Literatürdeki mevcut çalışmalarda, nanoanten yapılarının geometrileri geleneksel geometriler olarak tabir edebileceğimiz dikdörtgen ve dairesel geometrilere sahip nano parçacıklardan oluşmaktadır. Ancak yapılacak olan geometrik düzenlemelerle daha fazla elektromanyetik enerjinin hapsedilmesi ve nanoantenlerin rezonans frekanslarının çok daha farklı protein ve virüsleri algılayabilecek frekans değerlerine ayarlanması mümkündür. Hatta tasarlanacak olan nanoantenlerin aynı geometrik özelliklere sahip açıklık veya parçacıklardan oluşması bile nanoanten yapılarının özelliklerini değiştirmektedir.

1.1.1. Nano Açıklıklar

Nanoanten çeşitlerinden birisi olan açıklık nanoantenler son zamanlarda çeşitli disiplinlerden önemli ölçüde ilgi görmektedir [26-47]. Açıklık nanoantenler yakın alan optik cihazların anahtar elemanıdır ve birçok fotonik yapı onun elektromanyetik özelliklerine dayanır. Açıklık nanoanten boyunca ışık iletiminde güçlü ve beklenmedik artışların olduğu ilk defa Ebbesen [26] tarafından 1998 yılında keşfedilmiştir. Bu keşiften sonra, birçok araştırmacı açıklık nanoantenlerin yüzey plazmonlarının (SP: Surface Plasmons) temel fiziğini keşfetmek ve mümkün olabilecek uygulamalarını bulmak için çok sayıda deneysel ve teorik çalışma yapmıştır. Yapılan bir kaç çalışmada standart açıklık teorisine uygun sonuçlar elde edilmiştir [27-29]. Açıklık nanoantenlerdeki sıra dışı iletim genel olarak metal dizinin alt ve üst yüzeyindeki yüzey plazmonlarının uyarılmasına bağlanmaktadır [30-32]. Birçok araştırmacı açıklık nanoantenlerin mikrodalga [33], optik [31, 34-36], kızılötesi [36-39] ve Terahertz [30, 40-42] frekans bölgelerindeki iletim karakteristiklerini incelemişlerdir. Açıklık nanoantenler kızılötesi frekanslarda, biyo kimyasal algılama ve spektroskopi uygulamaları için tasarlanmıştır [36-39]. Teorik ve deneysel çalışmalar, açıklık nanoantenlerin optik karakteristiklerinin büyük ölçüde ortamın kırılma indisine [43], film kalınlığına [34, 35], polarizasyon açısına [36, 42], ışığın geliş açısına [43], dizinin uzaysal periyoduna [37], film malzemesinin çeşidine [36], açıklığın kafes geometrisine [44] ve açıklığın şekline [26, 45-47]

bağlı olduğunu göstermiştir. Çalışma frekans aralığı, açıklık nanoantenlerin boyutları değiştirilerek ayarlanabilir. Keskin köşe ve kenarlara sahip açıklık nanoantenlerin çok yüksek elektromanyetik (EM) alan depolama kabiliyetleri vardır. Bu nedenle, Bowtie-, Haç- ve X- şeklindeki keskin köşelere ve küçük deliklere sahip açıklık nanoantenler literatüre sunulmuştur [46, 47].

1.1.2. Kiral Nano Parçacıklar

Kiralite ve kiraliteye bağlı dairesel dikroizm (CD: Circular Dichroism), biyomoleküllerin çok ilgi çeken özellikleridir. Kiralite, asıl mikroskobik veya makroskobik yapının, aynadaki aksi ile eşleşmediği geometrik bir özelliği ifade eder. Sola dairesel kutuplu (LCP: Left Circular Polarized) ve sağa dairesel kutuplu (RCP: Right Circular Polarized) ışığın emilimindeki fark olarak tanımlanan dairesel dikroizm, kiralite çalışmalarında en sık kullanılan spektroskobik tekniklerden birisidir. Dairesel dikroizm spektroskopisi, önemli yapısal bilgiler sağlar, organik ve biyolojik moleküllerin karakterize edilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır [48-72].

5

Kiral yapılar 1970’li yıllardan bu yana pek çok araştırmacı tarafından gözlemlenmiş ve analiz edilmiştir [48-72]. Son on senede, çok çeşitli iki veya üç boyutlu kiral yapılar öne sürülmüş ve tartışılmıştır. Üç boyutlu plazmonik nano yapıların kiral optik tepkisi oldukça güçlendirilmiş olsa da, bu nano-yapıların fabrikasyonu, düzlemsel yapılara oranla daha zordur [51-56]. Diğer yandan, gerçek anlamda kiral olmasalar da, sola veya sağa yönlü yarı düzlemsel ve düzlemsel plazmonik yapılar da, dairesel polarize ışık ile yoğun bir kiral etkileşim gösterirler [57-65]. Kiral bölgesel yüzey plazmon rezonanslarının (LSPR: Localized Surface Plasmon Resonances) optik uyarılması, kiral elektrik alanları oluşturmaktadır [72].

LSPR, ışığın dalga uzunluğundan daha küçük boyda iletken nanopartiküller içerisine sıkışmış bir ışık dalgası tarafından üretilen optik bir oluşumdur [73, 74]. Bu oluşum, bir iletken bant içerisinde düşen ışık ile yüzey elektronlarının etkileşiminin bir sonucudur. Bu etkileşim, bağdaşık, bölgesel plazmon salınımları üretir ve bu salınımlar ağırlıklı olarak içerik, boyut, geometri ve dielektrik ortama bağlıdır [73, 74].

Kiral plazmonik yapıların etrafında güçlü optik kiraliteye sahip elektromanyetik alanlar oluşur ve bu alanlar kiral moleküller ile güçlü bir etkileşim gerçekleştirirler [56, 66-68]. Bu elektromanyetik alanlar plazmonik nano yapının aracılığındaki harici ışık alanı ile çok güçlü bir biçimde etkileşiminin sonucu olarak, bu alanların nihayetinde farklı kiral moleküllerinin ve ayrımlarının tespitinde faydalı olabilecekleri öne sürülmüştür [69-71]. Mikrodalga [59], yakın kızılötesi [50, 60-63] ve görünür ışık [64, 65, 69] bölgelerinde güçlü dairesel dikroizm ve optik kiralite elde etmek için düzlemsel yapılar literatüre sunulmuştur. Ancak, orta kızılötesi bölgede farklı kiral moleküllerin tespiti için literatürde güçlü dairesel dikroizm ve optik kiraliteye sahip bir düzlemsel yapı bulunmamaktadır.

1.2. Projenin Amacı

Bu araştırma projesinin amacı, biyosensör uygulamalarında kullanılabilecek, kızılötesi bölgede çalışan nano yapıların tasarlanmasıdır. Bu amaçla proje kapsamında ilk olarak, tasarlanacak nanoanten yapıları zaman domeninde sonlu farklar (FDTD: Finite Difference Time Domain) metodu ile teorik olarak analiz edilmiştir. Teorik analizlerde literatürdeki nanoanten yapılarından çok daha fazla elektromagnetik alan depolama kabiliyeti ve protein/virüslerin moleküler rezonans frekansları ile aynı rezonans frekansına sahip nanoanten geometrileri belirlenmiştir. Daha sonra biyosensör uygulamaları için uygun olduğu tespit edilen Rüzgâr Gülü Şeklindeki Nano Açıklık (RGŞNA) dizileri, elektron demet litografisi

(EBL: Electron Beam Lithography) tekniği ile deneysel olarak üretilmiştir. Üretilen nanoantenlerin karakterizasyonu Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR: Fourier Transform Infrared) kullanılarak yapılmıştır. Proje kapsamında kiral moleküllerin algılanmasında kullanılabilecek kızılötesi bölgede çalışan Rüzgâr Gülü Şeklindeki Kiral Nano Parçacık (RGŞKNP) dizileri de tasarlanmıştır. RGŞKNP dizisinin optik özellikleri FDTD metodu ile elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu projede protein ve virüslerin algılanmasında kullanılabilecek kızılötesi bölgede çalışan rüzgâr gülü şeklindeki nano yapılar tasarlanmış ve üretimi gerçekleştirilmiştir.

2. BÖLÜM

GEREÇ ve YÖNTEM

2.1. Teorik analizlerde izlenecek yöntem

Araştırma projesi kapsamında sunulan plazmonik nanoanten yapılarının geometrileri seçilirken literatürdeki çalışmalar göz önüne alınmış ve molekül veya virüslerin algılanmasında kullanılabilecek farklı geometrik yapılardaki nanoanten dizileri ele alınmıştır.

Tasarımı gerçekleştirilen nanoantenlerin teorik analizleri FDTD tabanlı Lumerical FDTD isimli paket program ile yapılmıştır [75]. Simülasyonlardan elde edilen veriler sonucunda protein ve virüslerin algılanması için uygun optik özelliklere sahip nanoanten yapıları belirlenmiştir.

Sonlu farklar (FD: Finite Difference) yöntemi uzun zamandır bilinmesine rağmen zaman domeninde Maxwell denklemleri için kullanımı ilk olarak 1966 yılında Yee Kane [76]

tarafından ortaya atılmıştı. Bunun sonucunda elektromagnetik dalga yayılımını modelleyen Maxwell denklemlerinin FD ile yeniden yazılması ve zamana göre türevlerinin de sayısallaştırılarak genelleştirilmesiyle zaman domeninde sonlu farklar (FDTD) metodu olarak isimlendirilmiştir.

FDTD metodu Maxwell denklemlerindeki diferansiyel operatörlerin zamanda ve konumda ayrıklaştırılması temeline dayanmaktadır. Üç boyutlu (3D) yapıların ele alınması gerektiği durumlarda uzaydaki ayrıklaştırma Şekil 2.1’de verilmekte olan Yee Kane [76] tarafından önerilen birim hücre kullanılarak gerçekleştirilmektedir.

Şekil 2.1. Yee birim hücresi [76]

3D-FDTD için Yee birim hücresi kullanıldığında elektrik ve magnetik alanların bileşenleri iteratif denklemlerle ele alınır. Kayıplı bir ortamda;

E t E

H σ

µ =−∇× −

∂

∂

0 (1)

t H E =∇×

∂ ε∂

(2)

şeklinde verilen ilk iki Maxwell denklemi ayrıştırıldığında, n: zaman adımı, i, j ve k ise sırasıyla x, y, ve z’deki konum adımları olmak üzere alan bileşenleri,

( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

( ) ( )

[

]

y t

k j i E k j i z E k t

j i H k j i H

n z n

z

n y n

y n

x n

x

, 1 , ,

,

1 , , ,

, ,

, ,

,

0 0

~ 1

~

−

∆ − + ∆

−

∆ −

− ∆

= ⁻

µ µ

(3)

( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

( ) ( )

[

]

, , 1 ,

, ,

, ,

,

0 0

~ 1

~

−

∆ − + ∆

−

∆ −

− ∆

= ⁻

k j i E k j i z E t

k j i E k j i x E k t

j i H k j i H

n x n

x

n z n

z n

y n

y

µ µ

(4)

9

( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

( ) ( )

[

]

x t

k j i E k j i y E k t

j i H k j i H

n y n

y

n x n

x n

z n

z

, , 1 ,

,

, 1 , ,

, ,

, ,

,

0 0

~ 1

~

−

∆ − + ∆

−

∆ −

− ∆

= ⁻

µ

µ (5)

( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

(

)

[

(

)

(

) ]

k j i H k j i z H t k t

j i t E k t

j i E

n z n

z

n y n

y n

x n

x

, 1 , ,

2 , 2

1 , , ,

2 , , 2 2 ,

, 2

, ¹

−

∆ −

∆ + + ∆

−

∆ −

∆ +

− ∆

∆ +

∆

= − ⁻

σ ε

σ ε σ

ε σ ε

(6)

( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

( ) [ (

) (

) ]

2 2

, , 1 ,

2 , , 2 2 ,

, 2

, ¹

−

∆ −

∆ + + ∆

−

∆ −

∆ +

− ∆

∆ +

∆

= − ⁻

k j i H k j i z H t t

k j i H k j i x H t k t

j i tE k t

j i E

n x n

x

n z n

z n

y n

y

σ ε

σ ε σ

ε σ ε

(7)

( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ]

( ) [

(

)

(

) ]

x t t

k j i H k j i y H t k t

j i tE k t

j i E

n y n

y

n x n

x n

z n

z

, , 1 ,

2 , 2

, 1 , ,

2 , , 2 2 ,

, 2

, ¹

−

∆ −

∆ + + ∆

−

∆ −

∆ +

− ∆

∆ +

∆

= − ⁻

σ ε

σ ε σ

ε σ ε

(8)

şeklinde bulunur. Burada ~n=n+1/2’dir. Hücre yapısı nedeniyle 3D-FDTD için, zamanın tam katlarında elektrik alanlar, kesirli katlarında ise magnetik alanlar hesaplanmaktadır. Burada verilen denklemler (µ = µ0) boşluğun permiabilitesine sahip, kayıplı dielektrik ortamlarda geçerlidir.

Temel FDTD algoritması, belirli bir zaman döngüsünde Yee hücrelerinden oluşmuş 3D-FDTD uzayında her nokta için altı elektromagnetik alan bileşeninin hesaplanmasını içermektedir. Kapalı uzayda açık bir bölgenin simülasyonu yapıldığı için sınır koşullarının da temel algoritmaya eklemesi gerekmektedir. Bu tür problemlerin çözümü karmaşık hesaplamalar gerektirdiğinden genellikle paket programlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir.

Sunulan bu projede FDTD çözümleri, Lumerical FDTD isimli paket program kullanılarak gerçekleştirilmiştir [75].

2.2. Deneysel çalışmalarda kullanılacak yöntem

Plazmonik nanoanten yapılarının üretilmesindeki temel amaç ışığın oda sıcaklığında nano boyuttaki anten yapıları içerisinde hapsedilmesidir. Bu anten yapılarının, algılanması istenilen protein ve virüslerin moleküler rezonanslarında yüksek oranda ışık hapsedebilme özelliğine sahip olması gerekmektedir. Hapsedilen elektromagnetik enerji protein ve virüs molekülleriyle etkileşime girmekte ve anten yapısı üzerine konulan solüsyon içerisinde ilgili protein veya virüslerin var olup olmadığı nanoantenlerin frekans cevaplarındaki değişimler yoluyla anlaşılabilmektedir. Böylelikle yerinde, hassas ve ucuz bir şekilde biyo algılama gerçekleştirilmesi mümkün olmaktadır. Bu projede ilk olarak farklı geometrik yapıdaki açıklık nanoanten yapıları FDTD metodu ile analiz edilmiştir. Simülasyonlarda farklı geometrik özellikteki açıklık nanoanten dizilerinin frekans cevapları ve alan dağılımları hesaplanarak hangi frekans noktasında ne kadarlık bir elektromagnetik enerjinin depolandığı tespit edilmiştir.

FDTD analizleri sonucunda biyosensör uygulamaları için uygun optik özelliklere sahip olduğu belirlenen açıklık nanoanten yapıları her iki tarafı Silikon Nitride (SiN) ile kaplanmış Silikon (Si) taban malzemeleri üzerinde EBL tekniği kullanılarak üretilmiştir. Taban malzemesi olarak her iki tarafı SiN ile kaplanmış Si kullanılması için ilk olarak havada asılı bir biçimde duran zarlar yani membranlar üretilmiştir. Çünkü biyo algılama için üretilecek olan çiplerin yansıma ve geçirme gibi frekans cevaplarının alınabilmesi için bu yapıların

~80-100 nm kalınlığındaki bir membran üzerinde olması gerekmektedir. Bu durum nanoanten yapılarının havada asılı duran metamalzemeler gibi davranmasını sağlamaktadır. Membran üretimine ait adımlar Şekil 2.2’de yer almaktadır. Membran üretiminde ilk olarak Şekil 2.2(a)'da görülen üst ve alt katmanları Silikon Nitride (SiNx) kaplanmış bir Silikon (Si) alt taşa ait çok katmanlı bir wafer yapısı kimyasal olarak temizlenmektedir. Daha sonra fotorezist olarak adlandırılan ve ışığa duyarlı malzemeyle (PMMA: Polymethyl methacrylate) kaplama işlemi Spinner cihazı kullanılarak gerçekleştirilmektedir (Şekil 2.2 (b)). Ardından ışık litografisi ve kuru oyma işlemi ile uygun gaz karışımları kullanılarak belirli bir bölge (~ 900 µm’lik bir alan) oyulmakta (Şekil 2.2 (c)) ve sonraki adımda ise kimyasal oyma işlemi ile Si katman oyularak sadece en alttaki SiNx katmanın kalması sağlanmaktadır (Şekil 2.2 (d)). Şekil 2.2(e)'de görüldüğü gibi elde edilecek olan SiNx katmanın genişliği

~ 300 µm ve kalınlığı ~80-100 nm arasında olmaktadır.

11

Şekil 2.2. Havada asılı şekilde duran bir membran (free-suspended membrane) üretimi

Bir sonraki üretim aşaması ise üretilen havada asılı membran yapısı ters çevrilerek üzerine nano açıklıklar şekilde üretilecek olan nanoanten yapılarının aktarılmasıdır. Açıklık nanoantenlerin üretiminde izlenecek adımlar Şekil 2.3’te görülmektedir. Şekil 2.3(a)’da görüldüğü gibi ilk olarak taban malzemesi temizlenir ve Spinner’a alınarak yüzeyine belirli bir kalınlıkta PMMA kaplanır. Daha sonra Zeiss Supra cihazı kullanılarak EBL tekniği ile istenilen desen bu kimyasal katman üzerine yazılır (Şekil 2.3(b)). Daha sonra taban malzemesi MIBK/IPA (MIBK: Methyl isobutyl ketone, IPA: Isopropanol) gibi kuvvetlendiriciler kullanılarak kuvvetlendirilir (development) ve RIE (Reactive ion etching) cihazına alınarak SF6 ve Ar gibi gazlar kullanılarak oyma (etching) işlemi yapılır.

(Şekil 2.3(c)). Kimyasal katmanın güçlendirilmesinden sonra taban malzemesi üzerine yapıştırma katmanı olarak çok ince bir metal (Cr veya Ti) tabaka kaplanır. Ardından da buharlaştırma (evaporation) yöntemi ile metal kaplama yapan Sharon cihazı kullanılarak taban malzemesi istenilen kalınlıkta altın (Au) film ile Şekil 2.3(d)'deki gibi kaplanır. Böylece metal ve dielektrik katmanlardan oluşan plazmonik açıklık nanoanten yapısı üretilmiş olur.

Si

b) PMMA kaplama c) Işık Litografisi ve kuru oyma işlemleri (SF6 + He)

d) Kimyasal oyma işlemi (KOH, 54.7°)

~550 µm

~ 900 µm

~ 900 µm

~ 300 µm

~100 nm

a) İki tarafı SiNx kaplanmış Si

e) Havada asılı şekilde duran bir membran yapısı

Şekil 2.3. Havada asılı membran üzerine açıklık nanoanten dizilerinin üretimi

2.3. Deneysel çalışmalarda kullanılacak olan araç gereç ve cihazlar

Nanoantenler, elektron demet litografisi (EBL), iyon demeti odaklama (FIB: Focused Ion Beam) ve nano baskı litografisi (NIL: Nano-Imprint Lithography) gibi değişik nano-üretim teknikleri ile imal edilebildikleri gibi kimyasal olarak da imal edilebilmektedirler.

Bu çalışmada nano açıklık dizileri, Boston Üniversitesi Fotonik Merkezi bünyesinde yer alan opto-elektronik işleme tesisindeki entegre optik laboratuarındaki Spinner, RIE, Shanon Vacuum ve Zeiss Supra cihazları kullanılarak EBL tekniği ile üretilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen açıklık nanoantenler, Boston Üniversitesi'nde mevcut olan FTIR cihazı kullanılarak karakterize edilmiştir. FTIR cihazı kullanılarak ölçüm yapılırken nanoantenler üzerine gönderilen ışığın kutuplama (polarizasyon) şekli nanoantenlerden alınacak optik cevabın değişmesine neden olmaktadır. Gönderilen ışığın kutuplama şekli (polarizasyonu) x veya y yönünde lineer kutuplu olabildiği gibi, sağa veya sola dairesel kutuplu da olabilmektedir. Proje kapsamında satın alınan kutuplayıcı (polarizer) ile nanoantenlerin üzerine gönderilen ışığın kutuplama şeklini ayarlamak mümkündür. Böylece, proje kapsamında üretilen nanoantenlerin üzerine gelen ışığın kutuplama şekline göre optik özelliklerinin nasıl değiştiği görülmüştür. Proje kapsamında üretilen nanoantenlerin görüntülerinin alınmasında ve yüzey analizlerinin gerçekleştirilmesinde elektron tarama mikroskobu (SEM: Scanning Electron Microscope) kullanılmıştır.

b) PMMA üzerine EBL ile yazma a) PMMA Kaplama

c) Kuru oyma SF6 + Ar

d) Metal kaplama Au

+ Ti

3. BÖLÜM

BULGULAR

3.1. Giriş

Bu projede, kızılötesi frekans bölgesinde çalışan, keskin köşeleri sayesinde çok yüksek elektromanyetik alan depolama kabiliyeti olan rüzgâr gülü şeklindeki iki farklı nano yapı tasarlanmıştır. Bunlardan birisi Rüzgâr Gülü Şeklindeki Nano Açıklık (RGŞNA) dizileri, diğeri ise Rüzgâr Gülü Şeklindeki Kiral Nano Parçacık (RGŞKNP) dizileridir. Proje kapsamında tasarımı gerçekleştirilen nano yapılarla ilgili detaylı bilgiler aşağıda verilmiştir.

3.2. Rüzgâr Gülü Şeklindeki Nano Açıklık (RGŞNA) Dizileri

Araştırma projesi kapsamında, kızılötesi frekans bölgesinde çalışan, keskin köşeleri ve küçük delikleri sayesinde çok yüksek elektromanyetik alan depolama kabiliyeti olan RGŞNA dizileri tasarlanmış ve üretilmiştir. RGŞNA yapısının geometrik parametreleri ve enine kesiti Şekil 3.1'de görülmektedir. Bu şekilde, L, g ve P sırasıyla yapının yüksekliğini, açıklığın merkezindeki boşluk genişliğini ve açıklıkların dizideki periyodunu göstermektedir. Bu çalışmada açıklık nanoanten dizisinin spektral cevabı deneysel ve nümerik olarak elde edilmiştir. Nümerik analiz için RGŞNA dizisi FDTD metodu ile modellenmiştir. Bu simülasyonlarda, altın (Au) ve titanyumun (Ti) dielektrik sabiti Palik’ten [77] alınmıştır.

Simulasyonlarda x ve y ekseni boyunca periyodik sınır şartları kullanılmıştır, elektromanyetik dalga yayılımı da z ekseni boyunca kabul edilmiştir.

Şekil 3.1. RGŞNA yapısının şematik görünümü. (a) RGŞNA yapısının geometrik parametrelerini içeren üstten görünümü. (b) RGŞNA yapısının yandan görünümü.

3.2.1. Nanoanten yapılarının üretilmesi

Proje kapsamında yapılacak olan 3D-FDTD analizleri sonucunda biyosensör uygulamaları için uygun olduğu belirlenen nanoanten dizilerine ait çipler, Boston Üniversitesi Fotonik Merkezi bünyesinde yer alan opto-elektronik işleme tesisindeki entegre optik laboratuarında Spinner, RIE, Shanon Vacuum ve Zeiss Supra cihazları kullanılarak EBL tekniği ile üretilmiştir. FDTD analizleri sonucunda biyosensör uygulamaları için uygun optik özelliklere sahip olduğu belirlenen açıklık nanoanten yapıları her iki tarafı Silikon Nitride (SiN) ile kaplanmış Silikon (Si) taban malzemesi üzerinde EBL tekniği kullanılarak üretilmiştir.

Rezonans karakteristiğinin deneysel gösterimi için, RGŞNA dizileri 80 nm kalınlığında kırılma indisi 2.16 olan silikon nitrat (SiNx) membran üzerinde üretilmiştir. Üretim süreci Şekil 3.2’de özetlenmiştir. 100 µm×100 µm SiNx membran elde etmek için, her iki tarafı SiN kaplı olan Silikon malzeme üzerinde sırasıyla fotolitografi, RIE (kuru) ve KOH (ıslak) oyma yöntemleri uygulanmıştır. Nanoaçıklıklar PMMA (Poly methyl methacrylate) üzerine EBL tekniği kullanılarak yapılmıştır ve kuru oyma metodu [38] [39] açıklık şekillerini SiN tabakasının üzerine geçirmek için kullanılmıştır, ardından elektron ışık buharlaştırma yöntemi ile 5 nm titanyum (Ti) ve 70 nm altın (Au) kaplama yapılmıştır.

Şekil 3.2. Nano açıklıkların üretilmesi. (a) SiNx membran elde etmek amacıyla, üst SiNx ve silikon katmanlarını yok etmek için fotolitografi ve RIE (kuru) ve KOH (ıslak) oyma yöntemlerinin kullanılması. (b) Tersini döndürme ve PMMA kaplama, EBL ile desen yazma.

(c) Kuru oyma ile nano-açıklıkların elde edilmesi. (d) Metal kaplama.

15

3.2.2. Nanoanten karakterizasyonunun gerçekleştirilmesi

EBL tekniği kullanılarak üretimi gerçekleştirilen RGŞNA dizisinin optik karakterizasyonu y kutuplu FTIR mikroskobu ile yapılmıştır. Deney düzeneği bir BrukerTM FTIR spektrometresi ve KBr - IR spektrometresinden oluşmaktadır. Yansıyan/iletilen kızılötesi sinyal sıvı N2 ile soğutmalı civalı kadmiyum telluride detektörü içerinde kuple edilmiş Cassagrian optik yansıma (Nümerik açıklık; NA = 0.4) ile toplanmıştır. Ölçüm sonucunda elde edilen sonuçlar, teorik sonuçlar ile Şekil 3.3'te karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçların, teorik sonuçlar ile uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar RGŞNA dizilerinin biyo kimyasal sensörler, aktif modülatörler ve optik filtreler içeren geniş bir uygulama alanında kullanılabileceğini göstermiştir.

Şekil 3.3'te L = 1500 nm, g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm için üretilmiş nano-açıklık dizisinin SEM görüntüsü ve optik cevabı gösterilmiştir. Yansıma ve iletim spektrumları sırasıyla Şekil 3.3(a) ve Şekil 3.3(b)'de verilmiştir. Sunulan RGŞNA dizisinin 58 THz’de rezonansının olduğu görülmektedir. Bir tek açıklığın ışığın yayılmasına izin vermemesine rağmen nano-açıklık dizisi bir rezonans noktasında çok yüksek bir iletime sahiptir. Bu da Şekil 3.3(c)'de SEM görüntüsü verilen periyodik RGŞNA dizisinin sıra dışı yüksek iletime sahip olduğunu göstermektedir. RGŞNA dizisinin optik davranışlarının fiziksel kaynağını anlamak için bu çalışmada, rezonans pikindeki yakın alan dağılımları analiz edilmiştir. Şekil 3.3(d) yansıma piki olan 58 THz için hava-metal ara yüzeyindeki (açıklığın üst yüzeyi) toplam manyetik alan yoğunluğunu |H|² göstermektedir. Şekil 3.3(d)’den RGŞNA yapısının rezonans modunun dört güçlü lobu olduğu ve bunların ikişerli olarak sağ üst ve sol alt açıklık uçlarında bulunduğu görülmektedir.

Şekil 3.3. (a) RGŞNA dizisinin yansıma spektrumu. (b) RGŞNA dizisinin iletim spektrumu.(c) Üretilmiş RGŞNA dizisinin SEM görüntüsü. (d) 58 THz’de manyetik alan yoğunluğu |H|² dağılımı. (e) Yapının rezonans karakteristiği için eşdeğer devre modeli.

L = 1500 nm, g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm.

Bu çalışmada, RGŞNA dizisinin rezonans karakteristiği için bir eş değer devre modeli de sunulmuştur. Yapının eş değer devre modeli için, Şekil 3.3(e)’de gösterilen basit devre tasarımı kullanılmıştır. Bu basit devre Davis [78] tarafından tasarlanan modele dayanmaktadır. Şekil 3.3(b) nümerik (mavi çizgi), deneysel (kırmızı çizgi) ve devre modeli (siyah çizgi) sonuçlarını göstermektedir. Yük direnci RL ve kaynak direnci RS, duran dalgaların etkisinden sakınmak için iletim hattının karakteristik empedansı, Z0, ile eşleştirilmiştir. Açıklık antenin rezonans dalga boyu C1 kapasitörü ve L1 indüktörü tarafından devre modelinde gösterildiği gibi ayarlanır, λ = 2π/(L1C1)^-1/2 ve R1 sistemin kaybını hesaba

17

katar. Devre modelinin kalite faktörü görüldüğü üzere rezonans dalga boyuna ve kapasitöre bağlıdır, Q = πC1Z0/(λ). Yük ve kaynak dirençleri iletim hattının karakteristik empedansı Z0

ile eşleştiği zaman sistemin iletimi aşağıdaki gibi yazılabilir:

( )

( )

2

0 0

0 2 0

21 ||

1 ||

|

| 











+

− −

=

= Z Z Z

Z Z S Z

P P

g g IN

T (9)

(

) (

)

= R jwL jwC

Z_g (10)

Şekil 3.3(b)'den devre modelinin rüzgâr gülü şeklindeki açıklığın davranışını tahmin ettiğini görülmektedir. Burada, devre elemanlarının değerleri C1 = 0.04 fF, L1 = 0.19 pH ve R1 = 8 Ω kullanılmıştır. Modelin L1, C1 ve R1 değerlerini sırasıyla indüktör, kondansatör ve rezistans değerlerini elde etmek için derecelendirilmiştir. Tahmin edilen sonuçlar ve deneysel/nümerik sonuçlar arasındaki benzerlik, eş değer devre modelinin RGŞNA dizisinin rezonans frekansını tahmin etmekteki etkinliğini göstermektedir. Sunulan model RGŞNA dizisiyle sınırlı değildir ve indüktör, kondansatör ve rezistans değerlerini değiştirerek farklı yapıları analiz etmekte kullanılabilir [79].

3.2.3. RGŞNA dizilerinin spektral cevabının geometrik parametrelere bağımlılığı

Proje kapsamında tasarlanan RGŞNA dizilerinin spektral cevabını kontrol etmek için, RGŞNA dizilerinin spektral cevabının yükseklik (L), boşluk genişliği (g), periyot (P) ve altın tabakası kalınlığı (tAu) gibi geometrik parametrelere bağımlılığı nümerik olarak analiz edilmiştir. Yansıma spektrumu ve toplam elektrik alan yoğunluğu, |E|² = |Ex|² + |Ey|² +|Ez|², rezonans noktasında hava-metal ara yüzeyindeki (açıklığın üst yüzeyi) dağılımı FDTD metodu ile elde edilmiştir. Aşağıdaki bölümlerde, y kutuplu kaynak altında rüzgâr gülü şeklindeki nano-açıklığın yansıma spektrumunun ve rezonans noktasındaki toplam elektrik alan yoğunluğu |E|² dağılımlarının geometrik parametrelere bağlı olarak nasıl değiştiği üzerinde durulmuştur.

A. Yükseklik (L)

Şekil 3.4, sabit g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm değerleri için L (yükseklik) değişimi ile ilgili nümerik analiz sonuçlarını göstermektedir. Şekil 3.4(a)’da RGŞNA dizilerinin üç farklı yükseklik değeri için yansıma spektrumu verilmiştir. Açıklığın yüksekliği artarken, yapının rezonans frekansı oldukça azalmıştır. Şekil 3.4(b-d) sırasıyla L = 1100 nm, L = 1300 nm ve L = 1500 nm için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluk dağılımını göstermektedir. Şekil. 3.4(b-d)’de RGŞNA dizilerinin toplam elektrik yoğunluğunun artan L değerleri ile azaldığı görülebilmektedir.

Şekil 3.4. Yükseklik (L) değişimi için RGŞNA dizisinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm) (a) Yansıma spektrumu.(b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluk dağılımları (b) L = 1100 nm, (c) L = 1300 nm ve (d) L = 1500 nm.

19 B. Boşluk Genişliği (g)

Şekil 3.5’de sabit L = 1500 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm değerleri için boşluk genişliğinin (g) etkisi gösterilmiştir. Yansıma spektrumu g = 25 nm, g = 125 nm ve g = 225 nm için Şekil 3.5(a)’da verilmiştir. Yapının rezonans frekansı artan boşluk genişliği değerleriyle artmaktadır. Şekil 3.5(b-d) üç farklı g değeri için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3.5’de görüldüğü gibi, toplam elektik alan yoğunluğu en küçük boşluk genişliği için en büyük değerindedir.

(g = 25 nm).

Şekil 3.5. Boşluk genişliği (g) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) g = 25 nm, (c) g = 125 nm ve (d) g = 225 nm.

C. Periyot (P)

Yansıma spektrumunun ve toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımının periyoda (P) göre bağımlılığı Şekil 3.6’da sabit L = 1500 nm, g = 125 nm ve tAu = 70 nm değerleri için gösterilmiştir. Yansıma spektrumu P = 1900 nm, P = 2000 nm ve P = 2100 nm değerleri için Şekil 3.6(a)’da verilmiştir; rezonans frekansı periyottaki (P) değişikliklerden etkilenmemektedir. Şekil 3.6(b-d) üç farklı periyot (P) değeri için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. RGŞNA dizisinin toplam elektrik alan yoğunluğu açıklığın artan periyot değerleriyle artmaktadır.

Şekil 3.6. Periyot (P) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, g = 125 nm ve tAu = 70 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) P = 1900 nm, (c) P = 2000 nm ve (d) P = 2100 nm.

21 D. Altın Tabakası Kalınlığı (tAu)

Bu çalışmada, RGŞNA dizilerinin altın tabakası kalınlığının (tAu) spektruma etkisi de incelenmiştir. Şekil 3.7 sabit L = 1500 nm, g = 125 nm ve P = 1900 nm değerleri için rezonans noktalarındaki yansıma spektrumu ve toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3.7(a) tAu = 50 nm, tAu = 70 nm ve tAu = 90 nm değerleri için RGŞNA dizilerinin yansıma spektrumunu göstermektedir. Yapının rezonans frekansı artan altın tabakası kalınlığı ile hafifçe artmaktadır. Şekil 3.7(b-d) üç farklı altın tabakası kalınlığı (tAu) için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. RGŞNA dizilerinin toplam elektrik alan yoğunluğu artan altın tabakası değerleriyle çok az azalır.

Şekil 3.7. Altın tabakası kalınlığı (tAu) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı (L = 1500 nm, g = 125 nm ve P = 1900 nm). (a) Yansıma spektrumu. (b-d) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) tAu = 50 nm, (c) tAu = 70 nm ve (d) tAu =90 nm.

İletilen ışığın yapının merkezindeki açıklıkların uçlarına yoğunlaştığı ve aydınlatma kaynağının polarizasyon yönüne paralel olduğu Şekil 3.7’den görülmektedir. RGŞNA dizilerinin optik karakteristikleri RGŞNA yapısının yükseklik ve boşluk genişliğine güçlü bir biçimde bağlıdır. RGŞNA dizisinde yapının rezonans frekansı periyottan ve altın tabakası kalınlığından etkilenmez. Sunulan açıklık dizilerinin rezonans frekansı, RGŞNA yapısının yükseklik ve boşluk genişliği ölçülerini değiştirerek kolaylıkla ayarlanabilir.

3.2.4. Elektrik alan yoğunluklarının karşılaştırılması

RGŞNA dizilerinin iletim performansını anlamak için, aynı boşluk boyutuna sahip (50 nm × 50 nm) RGŞNA dizilerinin nümerik analiz sonuçları X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. RGŞNA, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin yansıma spektrumu L = 1400 nm, g = 50 nm, P = 2100 nm ve tAu = 70 nm için Şekil 3.8(a)’da gösterilmiştir. Ayrıca fW, fX, fB ve fC sırasıyla açıklığın rezonans noktalarını göstermektedir. Şekil 3.8(b)’de RGŞNA dizileri için toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımı, hava-metal ara yüzeyindeki (açıklığın üst yüzeyi) rezonans noktasında (fW) gösterilmiştir. X, Bowtie ve Haç şeklindeki nano-açıklık dizileri için rezonans noktalarındaki (fX), (fB) ve (fC) toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımı, |E|², sırasıyla Şekil 3.8(c), 3.8(d) ve 3.8(e)’de verilmiştir. Bu sonuçlar tasarlanan RGŞNA dizisi için iletilen alanın ışık kaynağının alanından yaklaşık 75000 kere daha fazla olduğunu göstermektedir. Bu faktör X, Bowtie ve Haç şeklindeki nano açıklıklar için sırasıyla 49000, 24000 ve 9500’dür.

23

Şekil 3.8. (a) Açıklık dizilerinin yansıma spektrumu. fW, fX, fB ve fC sırasıyla aynı boşluk genişliğine sahip (50 nm × 50 nm) rüzgâr gülü, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklıkların rezonans çukurlarıdır. (b-e) Rezonans noktalarındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımı (b) Rüzgâr gülü şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (c) X şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (d) Bowtie şeklindeki nano-açıklık dizileri için, (e) Haç şeklindeki nano-açıklık dizileri için. (L = 1400 nm, g = 50 nm, P = 2100 nm ve tAu = 70 nm).

Tablo 3.1’de RGŞNA dizilerinin nümerik analiz sonuçları X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık dizilerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Rezonans frekansları ve bu rezonans frekanslarında açıklık dizilerinin maksimum elektrik alan yoğunluğu değerleri Tablo 3.1’de listelenmiştir. (tAu = 70 nm). Tablo 3.1’den görüldüğü gibi, RGŞNA dizilerinin elektrik alan şiddeti X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık nanoanten dizilerininkinden daha fazladır. Farklı geometrik parametreleri (L, g, P) ve aynı boşluk genişliğine sahip (g × g) RGŞNA dizileri için benzer karşılaştırma sonuçları elde edilmiştir, fakat tekrardan kaçınmak için burada

verilmemiştir. Bu bulgular, RGŞNA dizilerinin yakın alan çözünürlük kabiliyetlerinin daha önce tasarlanmış geometrilerle karşılaştırıldığında daha iyi olduğunu desteklemektedir.

Yüksek elektrik alan şiddetine sahip RGŞNA dizilerinin Raman, flüoresan ışığı, kızılötesi spektrometre ve biyo algılama uygulamalarında kullanılma potansiyeli yüksektir.

Tablo 3.1. Rüzgâr gülü, X, Bowtie ve Haç şeklindeki açıklık nanoanten dizileri için rezonans frekansı ve maksimum elektrik alan yoğunluğu değerleri

Geometrik Ölçüler

(µm)

Rezonans Frekansı (THz)

|E|²max

( x 10³)

L g P R X B H R X B H

1.2 0.1 1.7 68.3 86.9 63.5 91.0 26.7 19.9 6.9 8.7 1.2 0.1 1.9 67.4 86.1 63.3 90.4 59.7 28.8 10.3 12.9 1.2 0.2 1.7 75.2 95.4 67.7 100.6 13.8 11.3 3.0 4.5 1.2 0.2 1.9 74.1 93.8 67.0 96.0 20.7 17.0 4.7 10.8 1.6 0.1 1.7 51.8 68.9 43.2 66.8 16.7 13.6 3.5 5.1 1.6 0.1 1.9 52.6 67.9 47.3 69.5 26.4 20.3 5.9 8.1 1.6 0.2 1.7 56.7 76.0 46.5 71.9 8.0 7.3 1.6 2.5 1.6 0.2 1.9 57.3 74.5 50.5 76.1 12.4 11.0 2.7 4.1

3.2.5. Işık kaynağının polarizasyonuna bağımlılık

RGŞNA dizilerinin rezonans karakteristiklerinin ışık kaynağının polarizasyon yönüne olan bağımlılığı FDTD metodu ile nümerik olarak analiz edilmiştir. Işık kaynağının polarizasyonu Şekil 3.1’de gösterildiği gibi xy düzlemine paraleldir. Polarizasyon açısı (θ) elektrik alanın yönü ve x ekseni arasındaki açı olarak belirlenmiştir. Şekil 3.9, sabit L = 1500 nm, g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu=70 nm değerlerinde çeşitli polarizasyon açıları (θ) için rezonans noktalarında yansıma spektrumunu ve toplam elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. θ = 0° (x-kutuplu), 30°, 60° ve 90° (y-kutuplu) için yansıma spektrumu Şekil 3.9(a)’da verilmiştir. Şekil 3.9(a)’dan görülebileceği gibi, RGŞNA dizilerinin rezonans frekansı polarizasyon açısının (θ) değişimlerinden etkilenmez. Şekil 3.9(b-e) sırasıyla θ = 0°, 30°, 60° ve 90° açıları için rezonans noktalarında RGŞNA dizilerinin elektrik alan yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Şekil 3.9(b-e) x-kutuplu kaynak (θ = 0°) ile y-kutuplu kaynak (θ = 90°) için maksimum elektrik alan yoğunluklarının eşit olduğunu göstermektedir. Tahmin edileceği gibi elektrik alan açıklığın uçlarında yoğunlaşmıştır ve aydınlatma kaynağının polarizasyon yönüne paraleldir. Işık Şekil 3.9(b)’de ve Şekil 3.9(e)’de gösterildiği gibi, x-kutuplu için (θ = 0°) açıklığın merkezinin sağ ve sol tarafındaki noktalarda yoğunlaşmıştır

25

ve y-kutuplu için (θ = 90°) açıklığın merkezinin üst ve alt tarafındaki noktalarda yoğunlaşmıştır. Şekil 3.9(c) ve Şekil 3.9(d)’de sırasıyla gösterildiği gibi RGŞNA dizisinin maksimum optik iletimi θ = 60° için olurken minimum optik iletimi θ = 30° için olmaktadır.

Şekil 3.9, yansıma spektrumunun polarizasyon açısına (θ) bağlı olmadığını fakat toplam elektrik alan yoğunluğu değerlerinin polarizasyon açısına (θ) bağlı olduğunu göstermektedir.

Şekil 3.9. Polarizasyon açısı (θ) değişimi için RGŞNA dizilerinin spektral cevabı ve elektrik alan yoğunluğu dağılımı, (L = 1500 nm, g = 125 nm, P = 1900 nm ve tAu = 70 nm).

(a) Yansıma spektrumu (b-e) Rezonans noktasındaki elektrik alan yoğunluğu dağılımları (b) θ = 0° (x-kutuplu), (c) θ = 30°, (d) θ = 60° ve (e) θ = 90° (y-kutuplu).

Bu araştırma projesi kapsamında, RGŞNA dizileri tasarlanmış ve EBL tekniği kullanılarak üretilmiştir. Üretilen RGŞNA dizilerinin spektral cevapları FTIR kullanılarak elde edilmiştir.

FDTD metoduna dayanan nümerik simülasyonlar deneysel bulguları açıklamak için kullanılmıştır [75]. RGŞNA dizilerinin rezonans karakteristikleri için ayrıca eş değer devre modeli de sunulmuştur. RGŞNA dizilerinin spektral cevabı, geometrik boyutları ve film kalınlığı değiştirilerek kontrol edilmektedir. Ayrıca ışık kaynağının polarizasyon yönünün etkisi incelenmiştir. RGŞNA dizilerinin performans artışını anlamak için elektrik alan artış özellikleri Bowtie, Haç ve X şeklindeki açıklık dizileriyle karşılaştırılmıştır. RGŞNA dizileri biyo kimyasal sensörleri, aktif modülatörleri ve optik filtreleri içeren geniş bir uygulama alanında kullanılabilir.

3.3. Rüzgâr Gülü Şeklindeki Kiral Nano Parçacık (RGŞKNP) Dizileri

Araştırma projesi kapsamında, orta kızılötesi bölge için RGŞKNP dizileri tasarlanmış ve optik kiralitesi elde edilmiştir. RGŞKNP dizilerinden güçlü dairesel dikroizm (CD) elde edilmiştir.

RGŞKNP dizilerinin optik kiralitesi ve elektrik alan dağılımları FDTD metodu [75] ile belirlenmiştir. RGŞKNP geometrik parametreleri üzerindeki spektral karakteristik bağımlılığı FDTD metodu ile incelenmiştir.

Şekil 3.10’da RGŞKNP yapısının şematik gösterimi görülmektedir. Şekil 3.10(a)’da H yapının yüksekliğini, W yapının merkez genişliğini ve P yapının dizideki periyodunu göstermektedir. RGŞKNP dizisindeki her bir birim hücre Şekil 3.10(b)’de gösterildiği gibi d kalınlığında magnezyum florür (MgF2) ile ayrılmış t kalınlığında iki altın (Au) katman içermektedir. Bu yapı, tipik haliyle düzlemsel bir yapı olarak kullanılan metal dielektrik metal sandviç yapılarına bir örnektir [50]. Sola yönlü rüzgârgülü şeklindeki nano parçacıklar kırılma indeksi 1.42 olan CaF2 üzerine yerleştirilmiştir [80]. MgF2’nın kırılma indeksi 1.38’dir [62].

Bu simülasyonlarda, altın (Au) ve titanyumun (Ti) dielektrik sabiti Palik’in [77] kitabından alınmıştır.

27

Şekil 3.10. RGŞKNP’nın (a) üstten ve (b) yandan görünümü

Bu çalışmada, RGŞKNP dizilerinin nümerik analizi FDTD metodu ile yapılmıştır [75]. FDTD paket programı dikdörtgen biçiminde yapıyı Kartezyen tipi alt alanlara bölmektedir. Temel simülasyon miktarının (materyal içeriği ve geometrik bilgisi, elektrik ve manyetik alanları) bölünen her bir alt alan için ayrı ayrı hesaplanması anlamında önemlidir. Bu program paketi konformal bir alt alan algoritmasına sahiptir ki, bu sayede çok küçük birbirine yakın karmaşık yapıların hızlı değişen alan değerleri daha doğru elde edilmektedir. Bu çalışmada keskin nokta etrafında sayısal ızgara yoğunluğunu artırmak için kullanılan alt alan boyutu 5nm alınmıştır. Periyodik sınır şartları x ve y eksenleri boyunca katmanlar ise z ekseni boyunca kullanılmıştır. Tasarımı gerçekleştirilen RGŞKNP dizisinde sola ve sağa dairesel kutuplu ışık ile uyarılmaktadır. Işık dalgaları yapıya çarpması sonucunda emilim, yansıma ve iletim gerçekleşmektedir.

Sola yönlü RGŞKNP dizisinde dairesel dikroizmi (CD) hesaplamak için, kiral yapıya ait iletim ve yansıma spektrumları H=1600 nm, W=100 nm, P=1900 nm, t=35 nm ve d=35 nm değerleri için FDTD metodu kullanılarak elde edilmiştir. Kiral yapıya ait emilim spektrumu ise iletim ve yansıma spektrum sonuçları kullanılarak hesaplanmıştır. Dairesel dikroizm LCP ve RCP emilim farklarından hesaplanmaktadır (CD=ALCP – ARCP). Sola dairesel kutuplu (LCP) elektromanyetik dalga bu kiral yapıya üstten gönderildiğinde yapının frekans spektrumu Şekil 3.11(a)’daki gibi olmaktadır. Sağa dairesel kutuplu (RCP) elektromanyetik dalga bu kiral yapıya üstten gönderildiğinde yapının frekans spektrumu Şekil 3.11(b)’deki gibi olmaktadır. Şekil 3.11(a) ve 3.11(b)’de iletim rezonanslarının 50 THz, 81 THz ve 111 THz frekanslarında olduğu görülmektedir. 50 THz rezonansında gönderilen sola ve sağa dairesel kutuplu elektromanyetik dalgaların her ikisi için de iletim sıfıra yakındır. Bu kiral yapının bu rezonans noktasında sola ve sağa dairesel kutuplu uyartımlar için benzer davranış