Plasmonic biosensor design and alternative plasmonic materials

Abstract

Light-matter interaction is the one of the most important and studied topic in time dependent quantum mechanic especially for description of spectroscopy. Light matter interaction can be described in two ways. First one is classic way which explains as ligh-matter interactions are the outcome of the charged particles interaction with oscillating electromagnetic field. Second one is quantum mechanically which explain as coupling of quantum states of the matter with light fields. This thesis focuses on a field of light matter interactions called Plasmonics. Plasmonics can be described as manipulation of light at certain frequencies along different interfaces such as metal-dielectric, metal-insulator in nanometric scale. These interactions are investigated with different technologies like surface plasmon resonances, localized surface plasmon resonances, extraordinary optical transmission, and surface lattice resonance. These four technologies have their own advantages and disadvantages which makes them suitable for different applications. In the field plasmonics mostly used materials are gold and silver due to their high DC conductivities and small ohmic losses. Nevertheless, optical frequencies requires another feature related to interband transition which occurs when an electron moves to fermi surface or empty conduction band. Also, nanofabrication of gold and silver have some challenges like morphological changes. These challenges and features of light make scientist to find new materials to use in plasmonics field. Metals like copper, aluminum, titanium, nickel, platinum also metal nitrides like titanium nitride, zirconium nitride are studied as candidates to replace gold and silver in the field of plasmonics. Inside these materials' aluminum, titanium nitride, hafnium nitride and zirconium nitride are chosen and studied to compare with gold and silver. Parameters used to compare these materials are surface sensitivity, thickness of the nanohole, radius of the nanohole, different substrates and period of the nanoholes. Nanoholes are constructed using simulation software for each of the material and each of the parameter. Simulations were made results are extracted and investigated via excel and Origin.

Madde-Işık etkileşimi, zamana bağlı kuantum mekaniğinde özellikle spektroskopinin tanımlanması için en önemli ve çalışılan konulardan birisidir. Madde- Işık etkileşimi iki farklı şekilde açıklanabilir. Bunlardan birincisi klasik yoldur ve şu şekilde açıklar, madde-ışık etkileşimi salınan elektromanyetik alan ile yüklü parçacıkların etkileşimi sonucu oluşur. İkinci yol ise kuantum mekaniğidir ve o da şu şekilde açıklar, maddelerin kuantum durumlarının ışık alanlarıyla eşleşmesiyle oluşur. Bu tez madde-ışık etkileşimlerinin bir dalı olan Plazmonik alanı ile ilgili yazılmıştır. Plazmonik dalı, nanometrik ölçekteki metal-dielektrik, metal-yalıtkan gibi farklı yüzeyler boyunca belirli frekasnalarda ışığın manipülasyonu olarak tanımlanabilir. Bu etkileşimler yüzey plazmon rezonansları, localize yüzey plazmon rezonansları, olağanüstü optik iletim ve yüzey kafes rezonansı gibi farklı teknolojilerle araştırılır. Bu dört teknolojinin birbirleri üzerinde farklı uygulamalar için onları tercih sebebi yapan kendilerine has avantaj ve dezavantajları vardır. Plazmonik alanında yüksek direk akım iletkenlikleri ve düşük omik kayıpları nedeniyle en çok kullanılan malzemeler altın ve gümüştür. Ancak, optik frekanslar, bir electron fermi yüzeyine veya boş iletim bandına hareket ettiğinde meydana gelen bantlar arası geçiş ile ilgili başka bir özellik daha gerektirir. Ayrıca altın ve gümüşün nanofabrikasyonunda ana maddeden farklı morfolojik değişiklikler oluşmasından kaynaklı zorluklar oluşmaktadır. Işığın bu zorlukları ve özellikleri, bilim adamlarını plazmonik alanında kullanmak için yeni malzemeler bulma gereği oluşturmuştur. Bakır, alüminyum, nikel, platin gibi metaller ve titanium nitrür, hafniyum nitrür and zirkonyum nitrür gibi metal nitrürler plazmonik alanında altın ve gümüşün yerini alacak adaylar olarak incelenmektedir. Bu malzemeler arasından aluminyum, titanium nitrür, hafniyum nitrür ve zirkonyum nitrür; altın ve gümüş ile karşılaştırılmak için seçilip tez boyunca farklı açılardan incelenmiştir. Bu malzemeleri karşılaştırmak için kullanılan parametreler yüzey hassasiyeti, nanodeliğin kalınlığı, nanodeliğin yarıçapı, farklı substratlar ve nanodelik periyodlarıdır. Nanodelikler her malzeme ve parameter için tek tek oluşturulmuş ve simule edilmiştir. Simulasyonlar yapıldıktan sonra çıkan veriler excel ve Origin programları aracılığıyla incelenmiş ve yorumlanmıştır. Sonuçların incelenmesi sonucunda Titanyum Nitrür ve Hafniyum Nitrür'ün performansları göze çarpmıştır.