Design and Modeling of Semiconductor Terahertz and Infrared Sensing Structures for Protein Characterization

Bettenhausen, Maximilian

dc.date.accessioned	2020-12-04T11:59:36Z
dc.date.available	2020-12-04T11:59:36Z
dc.date.issued	2020
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202010221986
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/12089
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2020
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	biological sensing	ger
dc.subject	membrane proteins	ger
dc.subject	coupled plasmonic antenna structures	ger
dc.subject.ddc	620
dc.title	Design and Modeling of Semiconductor Terahertz and Infrared Sensing Structures for Protein Characterization	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	The subject area of biological sensing becomes progressively more attractive for medicine and fundamental biological research. In these fields, the investigation of characteristic fingerprints of membrane proteins is important, as they are responsible for the communication and activity of biological cells. Moreover, these complex structures are essential for the transport of various substances into the cell and are suitable as a drug target. These kinds of proteins provide vibrational resonances between 200GHz and 2 THz. In this work, the design of coupled plasmonic antenna structures for the THzregime utilizing 3D-full-wave simulations are shown. These antennas consist of highly doped germanium on a silicon substrate and have a target frequency of 500 GHz. They provide high sensitivity for thin films in liquid water and suitable for protein characterization in the THz-regime. As the design with 3Dfull-wave simulations involves a significant computational effort, an alternative for the design of such antennas is shown. Plasmonic antennas are described with lumped circuit elements, which enables first designs with analytical calculations. Due to the description with lumped circuit elements, an approach for impedance matching for such antennas is given, and the structure is further optimized. After the THz-regime, the infrared regime is examined. In this regime, protein binding processes are observable. In this work, a novel structure consisting of silicon micropillar arrays is investigated to estimate the refractive index dispersion of proteins. These pillars provide high sensitivity for sub-monolayer films. The main results of this work provide suitable sensor structures for THz- and infrared protein characterization with high sensitivity. Furthermore, they are compatible with the standard BiCMOS process, which enables low-cost production for lab-on-chip architectures.	eng
dcterms.abstract	Das Gebiet der Bio-Sensorik wird für die Medizin und die biologische Grundlagenforschung immer bedeutender. In diesen Bereichen ist die Untersuchung charakteristischer Eigenschaften von Membranproteinen unerlässlich, da sie die Kommunikation und Aktivität biologischer Zellen verantworten. Darüber hinaus steuern sie den Transport verschiedener Substanzen in die Zelle und eignen sich als Ziel von Medikamenten. Diese Art von Proteinen weisen charakterisitsche Resonanzen zwischen 200GHz und 2 THz auf. In dieser Arbeit wird das Design von gekoppelten plasmonischen THz-Antennen gezeigt. Diese Antennen bestehen aus hochdotiertem Germanium auf einem Siliziumsubstrat und verfügen über eine Resonanzfrequenz von 500 GHz. Sie bieten eine hohe Empfindlichkeit für dünne Schichten in einer wässrigen Lösung und eignen sich für die Charakterisierung von Proteinen im THz-Bereich. Der Entwurf dieser Antennen wird mithilfe von Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Da solch ein Entwurf einen hohen Rechenaufwand umfasst, wird ein weiterer Ansatz gezeigt. Die plasmonische Antenne wird als RLC-Schwingkreis beschrieben, was Designs mit analytischen Berechnungen ermöglicht. Aufgrund dieser Berschreibung kann eine Anpassung der Impedanz zwischen Antenne und Biomolekül durchgeführt werden, wodurch die Struktur weiter optimiert wird. Neben dem THz-Bereich wird auch der Infrarot-Bereich untersucht. Dort sind Proteinbindungsprozesse zu beobachten. In dieser Arbeit wird eine neuartige Struktur untersucht, um die Brechungsindexdispersion von Proteinen zu messen. Für diese Untersuchung wird ein Array aus Silizium-Mikrosäulen analysiert. Sie zeigen eine hohe Sensitivität für sehr dünne Schichten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich die untersuchten Sensorstrukturen für die Charakterisierung von Membranproteinen im THz- und Infrarot-Bereich sehr gut eignen. Weiterin sind sie kompatibel zu BiCMOS Prozessen und ermöglichen die kostengünstige Herstellung von Lab-on-Chip Architekturen.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Bettenhausen, Maximilian
dcterms.dateAccepted	2020-08-28
dcterms.extent	140 Seiten
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik/Informatik
dc.contributor.referee	Witzigmann, Bernd (Prof. Dr. )
dc.contributor.referee	Kusserow, Thomas (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-0910-4
dc.subject.swd	Infrarotmesstechnik	ger
dc.subject.swd	Halbleiter	ger
dc.subject.swd	Terahertz	ger
dc.subject.swd	Lab on a Chip	ger
dc.subject.swd	Biosensor	ger
dc.subject.swd	Membranproteine	ger
dc.subject.swd	Struktur	ger
kup.iskup	true
kup.order	https://www.genialokal.de/Produkt/Maximilian-Bettenhausen/Design-and-Modeling-of-Semiconductor-Terahertz-and-Infrared-Sensing-Structures-for-Protein-Characterization_lid_44489561.html
kup.price	39,00
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin	ger
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 16 / Elektrotechnik / Informatik
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5