Numerical simulation of a sub-wavelength plasmonic THz antenna for bio-sensing applications
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik | |
| dc.contributor.referee | Witzigmann, Bernd (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hillmer, Hartmut (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2023-09-11T14:35:34Z | |
| dc.date.available | 2023-09-11T14:35:34Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202309108746 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/15065 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation.projectid | DFG 255715243 | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | plasmonics | eng |
| dc.subject | thz | eng |
| dc.subject | germanium-on-silicon | eng |
| dc.subject | antenna | eng |
| dc.subject | sensor | eng |
| dc.subject | bio-sensing | eng |
| dc.subject | 3d-simulation | eng |
| dc.subject | FEM | eng |
| dc.subject | electromagnetics | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Plasmonik | ger |
| dc.subject.swd | Terahertzbereich | ger |
| dc.subject.swd | Silicium | ger |
| dc.subject.swd | Germanium | ger |
| dc.subject.swd | Antenne | ger |
| dc.subject.swd | Biosensor | ger |
| dc.subject.swd | Finite-Elemente-Methode | ger |
| dc.subject.swd | Elektromagnetismus | ger |
| dc.subject.swd | Simulation | ger |
| dc.title | Numerical simulation of a sub-wavelength plasmonic THz antenna for bio-sensing applications | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | In the past decades, bio-sensing has become a steadily growing field in the life-sciences. Popular subjects of investigation are proteins, which for instance mediate intra-cellular transfer of substances and thus are attractive drug targets. They are also responsible for the occurence of degenerative diseases such as Alzheimer’s disease and the Creutzfeld-Jakob disease. Examining proteins to uncover their fundamental properties and behavior is important in order to advance modern health care and medicine. One way to investigate such proteins is to take advantage of their vibrational and rotational resonances in the THz regime that occur in the range from 0.2 to 2 THz. The difficulty in obtaining meaningful results from investigating proteins in this range of frequency is the difference in size between the excitation wavelength, which ranges from 1.5mm to 150µm, and the size of the protein itself. The protein including its hydration shell has a typical size of a few tens of nanometers. The interaction between incident electromagnetic wave and a protein is therefore very weak. In this work, several sensor designs employing highly doped germanium bow-tie antennas for plasmonic sensing are devised and their electromagnetic properties are investigated. Previous work is used as a basis to further explore the possibility of utilizing asymmetrical Fano resonances to improve the sensor’s properties. The designs are investigated via 3D full-wave numerical simulations solving Maxwell’s equation in the frequency domain. The results give insights to the electromagnetic properties of the systems and their constituents. In a first investigation, bow-tie antennas are placed in an array arrangement and investigated regarding their properties for use as a plasmonic sensor. The potential of utilizing the coupling of an array of bow-tie antennas to guided modes in strip- and slab waveguides is explored. The main results of this work show the presence of coupled modes in the proposed structures consisting of antenna arrays placed on strip- and slab waveguides. It is further shown that utilizing this Fano resonant coupling can improve the Q factor and thus the figure of merit of the sensor structure. Additionally, experimental results confirm the predictions and are presented and discussed as well. Part of this work has been published or is currently in process of being published, which is detailed in chapter 7. | eng |
| dcterms.abstract | In den letzten Jahrzehnten ist das Gebiet der Life Sciences ständig gewachsen und hat an Bedeutung gewonnen. Proteine sind beliebte Forschungsobjekte im Bereich der Grundlagenforschung der Biologie. Diese sind unter Anderem verantwortlich für intra-zellulären Transport von Substanzen im menschlichen Körper und sind daher insbesondere für die pharmazeutische Forschung von Bedeutung. Proteine sind ebenso für das Auftreten degenerativer Krankheiten wie Alzheimer oder Creutzfeld-Jakob verantwortlich. Daher ist die Erforschung von Proteinen und derer zugrundeliegenden Funktionen unerlässlich, um die moderne Medizin weiterzuentwickeln. Ein möglicher Weg, das Verhalten von Proteinen zu untersuchen ist es, Vibrationen und Rotationen mit Resonanzen im Bereich des THz-Bandes auszunutzen. Derartige Resonanzen treten bei Proteinen im Frequenzbereich zwischen 0.2 und 2 THz auf. Aussagekräftige Daten aus Messungen von Proteinen in diesem Frequenzbereich zu erheben ist wegen des Größenunterschieds zwischen dem Bio-Molekül und derWellenlänge der anregenden elektromagnetischen Strahlung eine Herausforderung. Die typische Größenordnung von Proteinen, einschließlich ihrer Hydrationshülle, liegt in einer Größenordnung zwischen 10 und 100 Nanometern. Elektromagnetische Strahlung im Bereich zwischen 0.2 und 2 THz hingegen deckt einen Wellenlängenbereich zwischen 1.5 mm und 150 μm ab. Dies sorgt dafür, dass eine einfallende elektromagnetische Welle eine sehr schwach ausgeprägte Interaktion mit dem Protein aufweist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Designs für Bio-Sensoren für den THz-Bereich entwickelt und untersucht. Für die Antennen wird hoch dotiertes Germanium verwendet, welches im THz-Bereich metallisch ist. Dadurch können plasmonische Effekte für die Detektion von Bio-Molekülen wie Proteinen genutzt werden. Als Basis wurde die bisherige Forschungsarbeit an diesen Antennen genutzt, um die Möglichkeit zur Verwendung von Fano-Resonanzen zur Verbesserung der Sensoreigenschaften zu untersuchen. Diese Designs wurden mithilfe von Simulationsprogrammen untersucht, welche die elektromagnetischen Eigenschaften durch das Lösen der Maxwell’schen Gleichungen im Frequenzbereich mithilfe der Methode der finiten Elemente zum Vorschein bringen können. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Grüßing, Soenke | |
| dcterms.dateAccepted | 2023-07-07 | |
| dcterms.extent | xxiv, 115 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |