Biyosensör uygulamaları için nanofotonik yapıların tasarlanması

Bu tez kapsamında yüzey modlarını destekleyen düşük simetrili fotonik kristaller kullanılarak optik sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Düşük simetri elde etmek için, fotonik kristalin öteleme simetrisi bozulmadan korunurken, birim hücre boyutu bakımından dönme simetrisi bozulmuştur. Ayrıca algılanmak istenen malzeme ile etkileşimi arttırmak için yüzeye bir hava yarık yerleştirilmiştir. Yüzeyde yer alan küçük deliklerin açısal olarak yer değişimi ve yüzeye eklenen yarık sayesinde bant aralığı bölgesinde yüzey modu elde edilmiştir. Önerilen sensör yapısı için hem üç boyutlu frekans ve hem de üç boyutlu zaman alanı hesaplamaları yapılmıştır. Yüzeye hapsolmuş bir şekilde ilerleyen ışık ile yüzeye enjekte edilen malzemenin güçlü bir şekilde etkileşimi sonucu ~2100 nm/RIU gibi yüksek bir hassasiyet değeri elde edilmiştir. Yüzeydeki küçük deliklerin farklı açı değerleri ve farklı yarık genişlikleri için farklı hassasiyet değerlerini gösteren hassasiyet haritası oluşturulmuştur. Ayrıca, düşük simetrili fotonik kristal sensör yapısının biyosensör uygulamaları açısından belirli kırılma indisi değerleri için nümerik analizi gerçekleştirilmiştir. Tezde yapılan diğer bir çalışmada ise silikon ve silikon nitratın periyodik diziliminden oluşan ve yüzeyinde hava yarık bulunan tek boyutlu fotonik kristal kullanılarak biyosensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Biyosensör yapısının frekans ve zaman düzleminde analizleri yapılmıştır. Tek boyutlu fotonik kristalin yüzeyinde belirli bir bozukluk meydana getirilerek Bloch yüzey dalgası elde edilmiştir. Yüzeyde ilerleyen ışık dalgasının malzeme ile etkileşimi sağlanarak rezonans açıda kayma meydana gelmiştir. Tasarlanan yapının hassasiyet değeri 258 derece/RIU olarak hesaplanmıştır. Nano yarık yüzey dalgası biyosensör yapısı, yüksek hassasiyet değerine sahip olması ve kompakt olması nedeniyle biyosensör uygulamaları için bir alternatif olarak gösterilebilir. Yapılan diğer çalışmada asimetrik yüksek kırılma indisi kontrastlı dielektrik ızgaraları kullanarak, spektral kırılma indisi algılama yöntemine dayalı yeni bir etiketsiz optik biyosensör konfigürasyonu önerilmiştir. Tasarlanan biyosensörün karakterizasyonu iki ve üç boyutlu zaman alanında sonlu farklar yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Cihazın göze çarpan özellikleri, kompakt olması, etiketsiz çalışması, basit bir ölçüm tekniğine, kolay uyarma senaryosuna ve 450 nm/RIU gibi yüksek bir hassasiyet değerine sahip olmasıdır. Önerilen sensör konfigürasyonu, alternatif biyokimyasal algılama yaklaşımına yeni bir ivme kazandırabilir. Tez kapsamında son olarak sekiz kat simetrik fotonik kuazi kristal yapı sensör uygulamaları açısından araştırılmıştır. Kuazi kristal yapının merkezinde dalga kılavuzu oluşturmak için ortadaki deliklerin çapı artırılmış ve kuazi kristal yapının yasaklı bant bölgesinde çeşitli dalga kılavuzu modları elde edilmiştir. Ayrıca yapıda herhangi bir kusur tanımlanmadan iletimin yüksek olduğu frekanslarda kuazi kristalin belirli bölgelerinin kırılma indisi değiştirilerek sensör uygulaması açısından performansı değerlendirilmiştir. Tasarlanan kuazi kristal yapı ile 105 nm/RIU değerinde bir hassasiyete ulaşılmıştır. Fotonik kuazi kristal yapılar güçlü ışık-madde etkileşimi sayesinde sensör uygulamaları için bir alternatif olarak gösterilebilir.