عنوان

طراحی حسگر زیستی بلور فوتونی یک بعدی شامل شبه فلز دیراک در محدوده فرکانسی تراهرتز

Number

پ۲۹۱۱۰

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

طراحی حسگر زیستی بلور فوتونی یک بعدی شامل شبه فلز دیراک در محدوده فرکانسی تراهرتز

First Statement of Responsibility

کیمیا رضائی کلج

Name of Publisher, Distributor, etc.

فیزیک

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۲

Specific Material Designation and Extent of Item

۷۸ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

فوتونیک گرايش فوتونیک

Date of degree

۱۴۰۲/۰۶/۱۴

Text of Note

در سال هاي اخير توسعه ی حسگرهاي زيستي با حساسيت بالا از اهداف اصلي محققین براي تشخيص و جلوگيري از بيماري به شمار مي آيد. در اين ميان حسگرهاي زيستي نوري توجه زيادي را در زمينه ی دارو، پزشکی، صنایع شیمیایی، تستهاي محيطي و غیره بـه خود جلب کرده اند. حسگرهای زیستی انواع مختلفی دارند که یکی از آنها حسگرهای زیستی بلور فوتونی است که مبتنی بر امواج سطحی بلاخ است. بلورهای فوتونی ساختارهای مصنوعی متناوب از مواد دی الکتریک یا فلز-دی الکتریک هستند که در آنها تغییرات متناوب ضریب شکست مانع انتشار امواج الکترومغناطیس در بازه ی فرکانسی خاص، موسوم به گاف نواری فوتونی می شود. وجود همین گاف فوتونی امکان کنترل نور را در محدوده ی فرکانسی خاص فراهم می کند. یکی از ویژگیهای جالب امواج سطحی بلاخ در مقایسه با امواج پلاسمون-پلاریتونها که در سطوح فلزی ایجاد می شوند، حساسیت بالای آنهاست و به دلیل ضریب جذب پایین لایه های دی الکتریک بلور فوتونی می توان تشدیدهای با ضریب کیفیت بالا را بدست آورد. نشان داده شده است که با بکارگیری مواد قابل تنظیم از قبیل گرافن در ساختار حسگر زیستی می توان عملکرد آن را بهبود بخشید. اخیراً ماده دیراک جدیدی بنام شبه فلز دیراک سه بعدی با توجه به توانایی آن در کنترل انتشار نور و آسان بودن ساخت آن نسبت به گرافن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. شبه فلزات دیراک به عنوان ماده توپولوژی، مشابه با گرافن دارای رابطه پاشندگی خطی در فضای اندازه حرکت است و به گرافن سه بعدی معروف است. انرژی فرمی شبه فلز دیراک و در نتیجه تابع دی الکتریک آن می تواند بصورت دینامیکی از طریق اعمال یک ولتاژ گیت خارجی کنترل شود. این مواد دارای تحرک پذیری بالا، مقاومت مغناطیسی فوق العاده بالا و ویژگیهای الکترونیکی عالی هستند. در این پایان نامه حسگر زیستی ضریب شکست برپایه تشدید امواج سطحی بلاخ در ساختار بلورفوتونی یک بعدی شامل لایه نقص شبه فلز دیراک و لایه حسگری طراحی شده و با استفاده از روش ماتریس انتقال طیف بازتابی ساختار برحسب زاویه تابش برای هر دو قطبش نور فرودی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج محاسبات نشان می دهد که یک دره با پهنای تیز به ازای زاویه فرودی معین در طیف بازتابی ظاهر می شود که ناشی از جفت شدگی نور تابشی با امواج سطحی بلاخ واقع در فصل مشترک بلور فوتونی و لایه حسگری است. به منظور بررسی حساسیت حسگر زیستی طراحی شده، اثر تغییرات ضریب شکست لایه حسگری، تاثیر پارامترهای ساختاری از قبیل ضخامت لایه حسگری، ضخامت شبه فلز دیراک و انرژی فرمی آن بر روی طیف بازتابی ساختار در بازه فرکانسی تراهرتز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج محاسبات نشان داد که عملکرد حسگر را می توان با تنظیم پارامترهای ساختاری مختلف بهبود بخشید. همچنین وجود تغییر در طیف بازتابی حسگر زیستی به دلیل تغییر در انرژی فرمی شبه فلز دیراک، امکان طراحی حسگرهای زیستی قابل تنظیم را ممکن می سازد. نتایج محاسبات نشان می دهد که ساختار ارائه شده برای نور فرودی با هر دو قطبش الکتریکی و مغناطیسی دارای حساسیت و معیار شایستگی خوبی در محدوده تراهرتز می باشد که به شدت به تغییرات انرژی فرمی، ضخامت شبه فلز دیراک و ضخامت لایه حسگری و ضریب شکست لایه حسگری وابسته است.

Text of Note

In recent years, the development of biosensors with high sensitivity is one of the main goals of researchers to diagnose and prevent disease. Meanwhile, optical biosensors have attracted a lot of attention in the field of medicine, medical, chemical industry, environmental testing, etc. There are different types of biosensors, one of which is photonic crystal biosensors based on Bloch surface waves. Photonic crystals are artificial periodic structures made of dielectric or metal-dielectric materials, in which the alternating changes of the refractive index prevent the propagation of electromagnetic waves in a specific frequency range, known as the photonic band gap. The presence of photonic gap provides the possibility of controlling light in a specific frequency range. One of the interesting features of Bloch surface waves compared to plasmon-polariton waves that are created on metal surfaces, is their high sensitivity and resonances with a high quality factor can be obtained due to the low absorption coefficient of the dielectric layers of the photonic crystal. It has been shown that by using tunable materials such as graphene in the biosensor structure, its performance can be improved. Recently, a new Dirac material called 3D Dirac semimetal, has attracted much attention due to its ability to control light propagation and its ease of fabrication compared to graphene. As a topological material, Dirac semimetal, similar to graphene, have a linear dispersion relationship in the momentum space and are known as three-dimensional graphene. The Fermi energy of the Dirac semimetal and as a result its dielectric function, can be dynamically controlled by applying an external gate voltage. These materials have high mobility, extremely high magnetic resistance and excellent electronic properties. In this thesis, a refractive index biosensor based on Bloch surface wave excitation in a one-dimensional crystal including a Dirac semimetal defect layer and a sensing layer is designed and reflectance spectrum of the structure analyzed using the transfer matrix method in terms of the incident angle for both polarizations of the incident light. The numerical results show that a dip with a sharp width appears in the reflection spectrum for a certain angle of incidence, which is caused by the coupling of the radiated light with Bloch surface waves located at the interface of the photonic crystal and the sensing layer. In order to evaluate the sensitivity of the designed biosensor, the effect of changes in the refractive index of the sensing layer, the structural parameters such as the thickness of the sensing layer, the thickness of the Dirac semimetal and its Fermi energy on the reflection spectrum of the structure has been investigated in the terahertz frequency range. The calculational results showed that the performance of the biosensor can be improved by adjusting different structural parameters. Also, the changes in the reflectance spectrum of the biosensor due to the change in the Fermi energy of the Dirac semimetal makes it possible to design tunable biosensors. The numerical results show that the proposed structure has a good sensitivity and figure of merit in terahertz frequency range for both electric and magnetic polarizations, which strongly depends on the Fermi energy, the thickness of the Dirac semimetal, the thickness of the sensing layer, and the refractive index of the sensing layer.

Variant Title

Design of one-dimensional photonic crystal biosensor containing Dirac semimetal in terahertz region

Entry Element

رضائی کلج،

Part of Name Other than Entry Element

کیمیا

Relator Code

تهیه کننده

Entry Element

رضائی،

Entry Element

‏‏احمدی کندجانی،

Part of Name Other than Entry Element

‏بهروز

Part of Name Other than Entry Element

‏سهراب

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏تبریز