Grafen FET tabanlı moleküler haberleşme alıcılarının frekans-bölgesi modellemesi ve optimizasyonu

Moleküler Haberleşme (MH), bilgi aktarımında molekülleri kullanan biyomimetik bir haberleşme paradigmasıdır. Bu alışılmadık haberleşme tekniği üzerine yapılan araştırmalar son dönemde teorik incelemelerden, mikroakışkanlar ve sensör teknolojilerinden faydalanan pratik test platformu uygulamalarına geçiş yapmıştır. Gerçek dünya senaryolarını yansıtan bu platformlarda giriş-çıkış ilişkileri için doğru modellerin geliştirilmesi, modülasyon ve algılama tekniklerinin değerlendirilmesi, optimize edilmiş MH yöntemlerinin oluşturulması ve fiziksel parametrelerin performans üzerindeki etkisinin anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu tezde, bir grafen alan etkili transistör biyosensörü (bioFET) tabanlı MH alıcısına sahip pratik bir mikroakışkan MH sistemi model olarak ele alınmış ve analitik bir uçtan uca frekans-alanı modeli geliştirilmiştir. Model, alınan sinyallerin dağılımı ve bozulması hakkında pratik içgörüler sağlayarak yeni frekans-alanı MH tekniklerinin, modülasyon ve algılama yöntemlerinin tasarımına katkıda bulunmaktadır. Geliştirilen modelin doğruluğu, mikroakışkan kanallarda atım iletiminin ve alıcı yüzeyindeki ligand-reseptör bağlanma reaksiyonlarının parçacık tabanlı uzamsal stokastik simülasyonları ile doğrulanmıştır. İkinci bölümde, grafen bioFET tabanlı bir MH alıcısının üretimi ve karakterizasyonu üzerine yürütülen çalışmalar detaylandırılmaktadır. Bu mikro/nano ölçekli alıcı, bir mikroakışkan kanala entegre edilerek, sıvı kanalından geçen hedef bilgi moleküllerini tespit etmek amacıyla tek sarmallı DNA molekülleri tabanlı reseptörlerden oluşan bir biyo-tanıma katmanı ile fonksiyonelleştirilmiştir. Veri hızını artırmak için denge-öncesi (pre-equilibrium) bir algılama yöntemi araştırılmıştır. Sensörün ilk testleri, iyonik konsantrasyona dayalı algılama ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen MH alıcısı, her fonksiyonelleştirme adımında transfer karakteristikleri ve histerezis açısından elektriksel olarak karakterize edilmiştir. Grafenin parazit akımı ve mobilitesi elde edilmiştir. DNA reseptörler ile fonksiyonelleştirildikten sonra, sensörün zamana bağlı yanıtı, hem sabit hem de değişen atım genişliklerine sahip hedef DNA konsantrasyonu atımları kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca, sensörün semboller arası girişim (SAG) performansını değerlendirmek için bir SAG analizi yapılmıştır. Son olarak, çeşitli veri hızları ve sistem parametreleri incelenerek, MH düzeneği ile ikili (binary) veri iletimi gerçekleştirilmiştir. Atım genişliği, sembol süresi, akış hızı ve hedef DNA konsantrasyonu gibi anahtar faktörlerin etkileri incelenmiştir. Bu bağlamda, bu deneysel çalışma, önceki metodolojileri ve tasarımları optimize ederek, pratik MH tekniklerinin ilerlemesine katkı sağlamayı hedeflemiştir.