Optoelektronisches refraktometrisches Messgerät für Gase basierend auf einem dielektrischen Bogen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18355 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Umwandlung einer Solarzelle aus hydriertem amorphem Silizium (aSiH) in einen optoelektronischen refratometrischen Sensor war durch die Hinzufügung dielektrischer Fliege-Resonanzstrukturen möglich. Die obere Elektrode aus transparentem Indiumoxid wird durch eine dünne Metallschicht ersetzt, um die direkte Lichtübertragung zur aktiven Schicht der Zelle selektiv zu verhindern. Anschließend wird eine Reihe dielektrischer Fliegestrukturen auf dieser Elektrode platziert, um die optische Absorption durch Oberflächenplasmonresonanz (SPR) zu aktivieren. Das gesamte Gerät ist dem zu messenden Analyten, dem umgebenden Medium, ausgesetzt. Für die Fliegen wurden drei verschiedene dielektrische Materialien mit niedrigem, mittlerem und hohem Brechungsindex ausgewählt, nämlich Magnesiumfluorid (MgF\(_2\)), Siliziumdioxid (SiO\(_2\)) und Aluminiumnitrid (AlN). wurden als Kopplungsstruktur für die SPR-Anregung getestet. Die Maximierung des Auslese-/Kurzschlussstroms wurde durch die geometrischen Parameter einer solchen Struktur erreicht. Wir haben die geometrischen Parameter so ausgewählt, dass der von der a-Si-Zelle bei einer bestimmten ausgewählten Wellenlänge gelieferte Kurzschlussstrom maximiert wird. Das Design wurde an Gasmessanwendungen angepasst, bei denen der Brechungsindex etwas über 1 um 10\(^{-4}\) liegt. Unsere Analyse zeigt eine ultrahohe Empfindlichkeit von \(2,4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU und einen Gütefaktor FOM= 107 RIU\(^{-1}\), wenn die Fliege besteht aus SiO\(_2\). Eine Leistungsrallye, die mit den bisher in der Literatur berichteten konkurrenzfähig ist, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sowohl bewegliche Teile als auch spektrale Abfrageelemente umgangen werden.

Die auf dem plasmonischen Effekt basierende optische Sensorik wurde in den letzten drei Jahrzehnten in vielen Bereichen eingesetzt1,2. Diese Technologie wurde für die Materialidentifizierung3, Lebensmittelqualitätssicherung4, Kolorimetrie5, Umweltqualitätstests6 oder Biosensoranwendungen7 demonstriert. Mit Schwerpunkt auf Umweltanwendungen sind Geräte mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit erforderlich, um sehr kleine Mengen atmosphärischer Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, flüchtige organische Verbindungen, mikrobiologische Gefahren usw. zu erkennen.8,9,10,11,12,13,14. Die Überwachung der Luftqualität und -zusammensetzung kann durch die Messung ihres Brechungsindex15,16 erfolgen, der auch von anderen physikalischen Parametern (Temperatur und Druck) und der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre (Feuchtigkeit, Vorhandensein natürlicher oder künstlicher Proben) abhängt )17. Dadurch kann ein refraktometrischer Sensor prüfen, ob bestimmte voreingestellte Bedingungen erfüllt sind oder ob die Konzentration einer bekannten Probe variiert.

Aufgrund ihrer engen selektiven Reaktion sind optoelektronische Geräte, die auf Oberflächenplasmonenresonanzen (SPR) basieren, eine der Lösungen für die Umweltüberwachung und -erfassung18,19. Diese Technologie kann auf die Gasmessung20, die Brechungsindexmessung21,22,23,24 und die chemische Messung25 angewendet werden. Sie können auch in multifunktionale und multiparametrische Sensoren26 integriert werden. Plasmonische Sensoren können winkelmäßig, spektral und optoelektronisch abgefragt werden. Wenn die Winkelabhängigkeit der plasmonischen Reaktion genutzt wird, erfordert das System normalerweise bewegliche Teile und ein hochpräzises Goniometer oder teure integrierte Auslesesysteme27. Das Gleiche gilt für die Spektralabfrage: Sie benötigt hochauflösende Monochromatoren in der Beleuchtung und/oder den Detektionsarmen28. Die rein optoelektronische Abfragemethode nutzt das vom Sensor selbst gelieferte elektrische Signal, ohne dass bewegliche Teile und/oder Monochromatoren erforderlich sind. Diese Tatsache vereinfacht die Abfrage-Subsysteme und macht den Sensor kompakter und zuverlässiger29.

Eine Solarzelle kann als bereits hergestellter und kostengünstiger Lichtdetektor angesehen werden. Obwohl er als photovoltaischer Detektor mit breitem Spektrum konzipiert ist, kann er leicht so umgebaut werden, dass er selektiv durch die Anregung von SPRs reagiert, die von nanostrukturierten Metaoberflächen erzeugt werden30. Insgesamt wird das kundenspezifische Gerät zu einem optoelektronischen Sensor mit eigener Stromversorgung20. Organische und anorganische Dünnschichtsolarzellen sind die besten Kandidaten für kostengünstige, leichte und kompakte Sensorgeräte31. Unter ihnen sind hydrierte amorphe Siliziumzellen (aSiH) kommerzielle Geräte, die ein reichlich vorhandenes, ungiftiges und stabiles Material32,33 zu einem recht erschwinglichen Preis verwenden. Anschließend wird aSiH in dieser Arbeit als Basisgerät betrachtet, das so umgewandelt wird, dass es als refraktometrischer Gassensor fungiert, der optoelektronisch abgefragt wird34.

In diesem Beitrag analysieren wir numerisch und beschreiben quantitativ, wie eine aSiH-Zelle so modifiziert werden kann, dass sie Veränderungen in kontrollierten Atmosphären erkennt. Obwohl mehrere optische Technologien zur Erfassung refraktometrischer Veränderungen in Gasen eingesetzt wurden15,16, sind die meisten davon teuer und komplex in der Bedienung. Unser System basiert auf der selektiven optoelektronischen Reaktion einer Solarzelle, deren freiliegende Oberfläche mit dielektrischen Fliege-Resonanzstrukturen besetzt ist, die auf einer dünnen metallischen Frontelektrode sitzen und die klassische transparente ITO-Schicht ersetzen.

Ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes Simulationspaket COMSOL Multiphysics wird verwendet, um Maxwell-Gleichungen für die Verteilung optischer Felder innerhalb jeder Schicht im dreidimensionalen Modell des Geräts zu lösen. Diese Felder werden zur Berechnung der Absorption in jeder Schicht verwendet. Der vom Gerät entnommene Strom ist direkt proportional zur Absorption in der aktiven Schicht des Geräts. Schließlich gewichten wir diesen Strom mit der einfallenden optischen Leistung, um die Empfindlichkeit zu erhalten18. Der Modellierungsbereich ist eine kleine Elementarzelle oder der Baustein eines großen Arrays, der sich durch Anwendung periodischer Randbedingungen transversal wiederholt. Als Beleuchtungsquelle wird ein Anregungsanschluss mit individuell angepasster Wellenlänge, Intensität und Ausrichtung auf der gesamten Struktur platziert. Oben auf der Beleuchtungsquelle platzieren wir eine perfekte Anpassungsschicht (PML), um reflektierte Wellen zu absorbieren und zu verhindern, dass sie das einfallende Licht fälschlicherweise stören. Unten werden die Zellschichten nacheinander mit der Fliege darüber gestapelt. Diese spätere Struktur regt Oberflächenplasmonwellen auf der Oberfläche der Metallschicht an35. Diese Anregung erfolgt, wenn eine ebene Welle, deren magnetischer Vektor entlang der \(y-\)Achse – der Längsachse der Fliege – verläuft, die Nanostruktur unter normalen Einfallsbedingungen erreicht. In diesem Fall breiten sich die Oberflächenplasmonwellen entlang der \(x-\)-Achsenrichtung aus. Wir wählen die Amplitude des Magnetfelds als \(H_{y0}= 1\) A/m, wobei der Magnetfeldvektor \(\mathbf {H} = (0, H_{y0}e^{-ik_z.z }, 0)\). Die Lichtquelle emittiert bei \(\lambda = 632,8 \) nm, die das Gerät mit einer Bestrahlungsstärke von 50 mW/cm\(^2\) beleuchtet. Dieser Wert ist mit herkömmlichen Diodenlasern erreichbar. Tatsächlich können wir jede monochromatische optische Quelle auswählen, deren Wellenlänge innerhalb des Absorptionsbandes des Geräts liegt und viel breiter ist als die spektrale Breite der meisten Laserdioden36,37. Dann können wir den Zeitraum des Designs optimieren, um für die ausgewählte Wellenlänge zu funktionieren.

Bei der rechnergestützten Elektromagnetisierung ist die Auswahl einer geeigneten Vernetzung ein Schlüsselfaktor für die Gewährleistung zuverlässiger und robuster Ergebnisse. In unserem Fall verwenden physikalische Domänen tetraedrische Elemente, während Perfect Matching Layer (PMLs) ein prismatisches Netz verwenden. Die Dichte der Vernetzungselemente hängt von der Abmessung der kleinsten Struktur ab und sollte gleich oder kleiner als \(\lambda /5\)38,39 sein. Ein feineres Netz führt zu einer besseren Konvergenz der Lösung, allerdings auf Kosten höherer Rechenressourcen. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass unsere Elementarzelle keine extrem kleinen Strukturen enthält, haben wir eine minimale Maschenweite um \(\lambda /10\) für den Bereich in der Nähe der Grenzflächen und \(\lambda /7\) ausgewählt. ) für größere Domänen. Die durchschnittliche Anzahl der Netzelemente erreicht \(10^5\).

Der Schichtaufbau einer herkömmlichen aSiH-Dünnschichtsolarzelle ist in Abb. 1a dargestellt. Wenn Licht vom Substrat (von oben) einfällt, trifft es auf die folgenden Materialien und Schichten: SiO\(_2\) Glassubstrat – Indiumzinnoxid, ITO, transparente Elektrode (100 nm dick) – pTyp-aSiH (paSiH)-Pufferschicht (17 nm dick) – intrinsische aktive Schicht aus aSiH (iaSiH) (400 nm dick) – Pufferschicht aus n-Typ aSiH (naSiH) (22 nm dick) – mit Aluminium dotiertes Zinkoxid, AZO (100 nm dick) – reflektierendes Aluminium Elektrode (200 nm dick)33,40. Dieses Gerät verfügt über eine breitbandige Absorption an der aktiven iaSiH-Schicht im Spektralbereich (300–720) nm, kombiniert mit einem insgesamt niedrigen Reflexionsgrad aufgrund der Transparenz der ITO-Elektrode.

(a) Schichtstruktur einer herkömmlichen aSiH-Dünnschichtsolarzelle mit oberer transparenter Elektrode aus ITO. (b) Das gleiche Gerät, bei dem ITO durch einen nicht transparenten Metallkontakt aus Ag ersetzt wurde. (c) Absorption an der aktiven Schicht und Totalreflexion einer herkömmlichen aSiH-Dünnschichtsolarzelle mit ITO-Elektrode (\(A_\mathrm{ITO}\), \(R_\mathrm{ITO}\)) und für das Gerät mit Ag-Elektrode (\(A_\mathrm{Ag}\), \(R_\mathrm{Ag}\)).

In unserem Design ersetzen wir die obere transparente Elektrode ITO durch eine 40 nm dicke Silberelektrode (siehe Abb. 1b). Silber wird aufgrund seiner schmalen plasmonischen Reaktion ausgewählt. Wenn jedoch die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen ein Problem darstellt, wie dies bei flüssigen Analyten der Fall sein könnte, können wir diese Schicht passivieren, indem wir eine sehr dünne Goldschicht hinzufügen, die das Gesamtverhalten des Systems nicht beeinträchtigt41. Die Reaktion des Bauelements mit Schichtstruktur Abb. 1a ist in Abb. 1c dargestellt, wo wir die Absorption der aktiven Schicht darstellen, die mit dem von der Zelle gelieferten Kurzschlussstrom \(A_\mathrm{ITO}) zusammenhängt. \) und die Totalreflexion der Zelle \(R_\mathrm{ITO}\), wobei sich der Index \(\mathrm{ITO}\) auf das Vorhandensein der transparenten Elektrode bezieht. Diese Eigenschaften sind entscheidend, wenn das Gerät so angepasst werden soll, dass es als effizienter Solarenergie-Harvester auf Basis der Photovoltaik-Umwandlung funktioniert33. Bei der Vorrichtung in Abb. 1b ist jedoch aufgrund dieses Elektrodenaustauschs die Absorption an der aktiven Schicht stark verringert und der größte Teil des einfallenden Lichts wird zurückreflektiert (siehe \(A_\mathrm{Ag}\) und \( R_\mathrm{Ag}\) in Abb. 1c). Die Ag-Schicht verhindert die Verwendung des Geräts als Energiegewinnungselement und bereitet die Struktur auf den nächsten Schritt vor, bei dem SPRs die gewünschte selektive Reaktion erzeugen. Die Dicke der Ag-Schicht ist auf 40 nm eingestellt, um die Übertragung des SPR auf die aktive Schicht zu erleichtern. Eine dünnere Schicht wäre nicht selektiv genug und eine dickere würde das Licht, das die aktive Schicht erreicht, stark blockieren. Dieser Wert liegt innerhalb des Bereichs, der zuvor in der Literatur für Geräte angegeben wurde, die auf der Generierung von SPRs basieren42,43,44. Aus fertigungstechnischer Sicht ist das Design umgekehrt, da die Al-Rückelektrode direkt auf dem Substrat abgeschieden wird (siehe Abb. 1b), während der Einfall in Richtung der metallischen Silberelektrode erfolgt. Die Reaktion des umgedrehten Geräts ist unabhängig vom Substratmaterial, was die Verwendung flexibler, kostengünstiger Kunststoffsubstrate ermöglicht. Dieses Design blockiert die direkte Übertragung des Lichts zur aktiven Schicht stark und sorgt so für eine recht geringe fotoelektrische Reaktion. Der nächste Schritt besteht darin, die Absorption durch Anregung eines SPR selektiv zu aktivieren. Unser Vorschlag beinhaltet eine periodische Anordnung von Fliegestrukturen, die das Licht streuen und plasmonische Resonanzen mit einer schmalen Linienform anregen. Das optische Feld innerhalb der aktiven Schicht wird bei der Resonanzwellenlänge des SPR-Modus stark verstärkt. Die schmalen spektralen Reaktionseigenschaften des SPR werden also auf die Reaktion der Zelle übertragen. Obwohl viele Nanoobjekte für diesen Zweck verwendet werden können, haben wir uns für eine dielektrische Fliege-Resonanzstruktur entschieden, da diese über eine breite Bandstreufähigkeit verfügt45. Dies erzeugt eine plasmonische Multimode-Reaktion, wenn es in der Nähe eines dünnen Metallfilms platziert wird. Darüber hinaus reduziert die Wahl eines transparenten dielektrischen Materials für die Fliege die Reflexions- und Absorptionsverluste des Objekts selbst.

Eine 3D-Darstellung des vorgeschlagenen Entwurfs ist in Abb. 2a dargestellt. Die Elementarzelle, markiert in der linken unteren Ecke des Diagramms und detailliert in Abb. 2b. Unten sind die Zellschichten nacheinander übereinander gestapelt, mit der Fliege darüber.

(a) 3D-Darstellung des vorgeschlagenen Geräts mit einer unendlichen Auswahl an Fliege-Resonanzstrukturen. Die Elementarzelle wird in der linken unteren Ecke hervorgehoben. (b) Detaillierte Anordnung der Elementarzelle einschließlich des Anregungsanschlusses, der Randbedingungen, dargestellt als periodische Bedingungen an den Seitenflächen und als perfekte Matche-Schicht (PML) oben, der mehrschichtigen Struktur des Geräts, des oberen Analytmediums und das Substrat. Der Farbindex in der Mitte definiert alle im Gerät enthaltenen Materialien. (c) Draufsicht und Seitenansicht der vorgeschlagenen Struktur mit allen geometrischen Parametern.

Die oberen (Analyt) und unteren (Substrat) Domänen werden als halbunendlich definiert. In Abb. 2c sind die geometrischen Parameter der Fliege-Elementarzelle dargestellt. Die Fliegeantenne besteht aus zwei dreieckigen Formelementen mit der Basisbreite BW und der Länge L, die durch einen Spalt g getrennt sind, sodass die Gesamtlänge der Fliege \(L_t=2L+g\) beträgt. Die dielektrische Struktur ist in einem Rechteck mit der folgenden Größe zentriert

Dabei ist S der Abstand zwischen Fliegen entlang jeder Richtung (wir betrachten den gleichen Abstand entlang der \(x-\)- und \(y-\)-Achse) und \(P_x\) und \(P_y\) sind die räumlichen Perioden der unendlichen Anordnung der Elementarzelle. Ein zusätzlicher geometrischer Parameter der Elementarzelle ist die Dicke der dielektrischen Fliege, BH. In Tabelle 1 fassen wir die Geometrie und Materialauswahl der Schichten der vorgeschlagenen Struktur zusammen. Jede Schicht des Geräts wird anhand ihrer wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindexdaten definiert, die aus anerkannten Quellen stammen, wie in Tabelle 1 angegeben.

Jede Optimierung beginnt mit der Definition einer aussagekräftigen Gütefunktion, die die gewünschte Leistung des Geräts am besten beschreibt. In unserem Fall wollen wir den vom Detektor gelieferten Kurzschlussstrom \(J_\mathrm{sc}\) maximieren. Dieser Wert ist proportional zur Absorption an der aktiven Schicht des Geräts. Daher ist unsere Gütefunktion diese Absorption \(A_\mathrm{iaSiH}\), die bereits in Abb. 1c ausgewertet wurde. Wir werden die Absorption in der aktiven Schicht der Zelle anhand der geometrischen Parameter der Fliege BW und S für verschiedene Fliegematerialien bewerten.

Für unseren ersten Optimierungsschritt setzen wir die Höhe der Fliege auf \(BH=150\) nm und den Abstand zwischen den beiden Dreiecksteilen auf \(g=20\) nm. Der Einfachheit halber sind die Basis und die Länge der dreieckigen Teile der Fliege gleich, \(BW=L\). Dann arbeiten wir nur mit S und BW als freien Parametern, um zweidimensionale Karten der Gütefunktion darzustellen. Diese Analyse wird für drei dielektrische Materialien der Fliege durchgeführt. Diese Materialien sind MgF\(_2\) (\(n_a \ungefähr \) 1,37), SiO\(_2\) ((\(n_a \ungefähr \) 1,47) und AIN (\(n_a \ungefähr \) 2,1) Diese drei Materialien entsprechen jeweils einem niedrigen, mittleren und hohen Brechungsindex bei \(\lambda =632,8 \) nm.

Absorption in der aktiven Schicht als Funktion der BW- und S-Parameter der Fliege. Die Materialien der Fliege sind (a) MgF\(_2 \), (b) SiO\(_2\) und (c) AlN. Die gestrichelten Kreise stellen den Ort der maximalen Absorption in der aktiven Schicht der Zelle dar. (d) Spektrale Absorption an der aktiven Schicht für die ausgewählten optimierten Parameter für jedes Material. Die Rolle des Spaltabstands zwischen den dreieckigen Teilen der Fliege, g, ist in (e) dargestellt, und die Abhängigkeit in Bezug auf die Dicke der dielektrischen Struktur, BH, ist in (f) für die drei aufgetragen dielektrische Materialien, die in dieser Analyse berücksichtigt werden. Alle diese Berechnungen wurden bei \(\lambda =632,8\) nm durchgeführt (außer Teilplot d).

Die Größe der dielektrischen Fliege BW bestimmt ihre spektrale Streuung, während der Abstand S die Stärke der Kopplung zwischen benachbarten Fliegen bestimmt. Beide Effekte haben einen direkten Einfluss auf die spektrale Lage und Form der durch die Struktur angeregten SPRs. Abbildung 3a–c sind Karten der Gütefunktion in Bezug auf BW und S für die drei untersuchten dielektrischen Materialien (MgF\(_2\), SiO\(_2\) und AIN). Wir können sehen, dass bei niedrigen S-Werten eine höhere Absorption erzielt wird, was engere Schleifen bedeutet. Aus den Diagrammen können wir optimale Abstände von etwa \(S=145, 260, 180\) nm für MgF\(_2\), SiO\(_2\) bzw. AIN definieren. Die vergleichende Analyse dieser Karten lässt den Schluss zu, dass die maximale Absorption an der aktiven Schicht bei kleineren Werten des BW der Fliege auftritt, wenn der Brechungsindex der Fliege steigt. Wir finden diese maximale Absorption bei \(BW= 415, 320, 260\) nm für MgF\(_2\), SiO\(_2\) bzw. AIN.

Ein recht interessantes Merkmal ist, dass der Maximalwert der Absorption für die drei in dieser Analyse betrachteten Materialien ungefähr gleich ist, wobei SiO\(_2\) dasjenige ist, das den größten Wert aufweist. Um die Reaktionen des Geräts für alle Materialien zu vergleichen, haben wir die spektrale Absorption berechnet (siehe Abb. 3d). Diese Analyse zeigt, dass die Linienbreite für SiO\(_2\) und MgF\(_2\) schmaler ist. Allerdings ist der Kontrast zwischen dem Brechungsindex des Analyten (n\(_a\) nahe 1) und dem Streuer für SiO\(_2\) größer als für MgF\(_2\). Diese Tatsache ist wichtig, wenn man die Signaländerung berücksichtigt, die sich ergibt, wenn der Brechungsindex des Analyten variiert47.

Nachdem wir die Absorption an der aktiven Schicht durch eine geeignete Wahl der Geometrie (unter Berücksichtigung von BW und S) und Materialien optimiert haben, haben wir die Rolle der verbleibenden geometrischen Parameter analysiert. Wenn der Spaltabstand zwischen den Teilen der dielektrischen Fliege, g, zunimmt, beobachten wir eine leichte, aber konsistente Abnahme der Absorption an der aktiven Schicht (siehe 3e), insbesondere für g größer als 40 nm. Andererseits zeigt diese Absorption ein Maximum bei einem Wert von \(BH=150\) nm (siehe Abb. 3f), was eine vernünftige Abweichung von diesem Wert (\(\pm 10\) nm) ohne wesentliche Verringerung ermöglicht der Absorption. Daher sind für die SiO\(_2\)-Strukturen die ausgewählten Werte für diese beiden Parameter: \(g=20\) nm und \(BH=150\) nm.

Ein Liniendiagramm für die y-Komponente des Magnetfelds durch das gesamte Gerät ohne Fliege (schwarze Linie) und mit Fliege aus MgF\(_2\) (grüne Linie), SiO\(_2\)(rot Linie) und AlN (blaue Linie). Das Magnetfeld innerhalb der aktiven Schicht wird durch die Anregung von SPRs beim Einbeziehen der Fliegen stark verstärkt. Der Einschub gilt für die Magnetfeldverteilung y-Komponente \(H_y \) in der xy-Ebene bei \( \lambda = 632,8\) nm für die planare Struktur (keine resonanten Elemente) und den Fall der damit hergestellten Fliegen drei ausgewählte Materialien.

Um das elektromagnetische Verhalten des Geräts besser zu verstehen, haben wir den Modul des Magnetfelds entlang der z-Achse aufgetragen, das durch alle Schichten des Geräts bei der Resonanzwellenlänge \(\lambda \)=632,8 nm verläuft. Abbildung 4 zeigt diese Linie für das Gerät mit der Fliege aus MgF\(_2\) (grüne Linie), SiO\(_2\) (rote Linie), AlN (blaue Linie) und für das Gerät ohne Fliege. Krawatte (schwarze Linie). Das Magnetfeld erreicht seinen Maximalwert in der Region nahe der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum, wo die SPRs mithilfe der Fliege angeregt werden. Das Magnetfeld in der aktiven Schicht und an der Grenzfläche ist beim Gerät mit Fliege im Vergleich zum Gerät ohne Fliege sehr groß. Die Eindringtiefe des Feldes in das Analytmedium auf der Oberseite der Zelle ist für SiO\(_2\) am größten und für AlN am niedrigsten. Dies bedeutet ein höheres Wechselwirkungsvolumen für die durch die SiO\(_2\)-Fliege erzeugte SPR und damit eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Variationen des Analyten. Dieser Effekt erhöht die verfügbare optische Leistung an der aktiven Schicht und erzeugt eine größere photovoltaische Reaktion. Der Einschub von Abb. 4 zeigt die räumliche Verteilung des Magnetfelds in der xz-Ebene für das Gerät, das jedes Fliegematerial verwendet, und zeigt die SPR-charakteristischen Abklingmaxima und das entsprechende Feld in der aktiven Schicht. Der Fall der planaren Zellstruktur ohne resonante Elemente ist ebenfalls in der Abbildung dargestellt und zeigt, wie das Feld durch die Fliege-Anordnung verstärkt wird.

Die Erfassungsleistung eines refraktometrischen Sensors wird anhand der Empfindlichkeit \(S_B\) und der FOM18 für die bereits zuvor diskutierten geometrischen Parameter und Materialauswahl bei einer Wellenlänge von \(\lambda =632,8 \) nm bewertet, was eine Konstante in ist unser Design.

Unser Design wird elektronisch abgefragt, dann wird seine Reaktionsfähigkeit \(\mathcal{R}\) als Quotient zwischen dem aus dem Gerät extrahierten Strom \(I_\mathrm{Signal}\) und der einfallenden optischen Leistung definiert. (P_\mathrm{Eingabe} \). Wie für einen plasmonischen Sensor zu erwarten ist, ist \(\mathcal{R}\) eine Funktion des Brechungsindex des Analyten.

Die Empfindlichkeit dieses Sensors kann aus der Variation von \(\mathcal{R}_{S}\) in Bezug auf den Brechungsindex des Analyten, \(n_a\)48,49, ermittelt werden.

und die FOM wird auch im Hinblick auf die Reaktionsfähigkeit \(\mathcal{R}_{S}\)48,49 neu definiert als:

Ein Gas unter atmosphärischem Druck zeigt eine sehr geringe Änderung des Brechungsindex (in der Größenordnung von 10\(^{-4}\)), wenn physikalische oder chemische Parameter der untersuchten Atmosphäre variieren. Beispielsweise liegt der Unterschied zwischen den Brechungsindizes von Vakuum, \(n_\mathrm{Vakuum}=1\), und Luft in der vierten Dezimalstelle: \(n_\mathrm{Luft}=1,000298\). Dieser Wert hängt mit ihrem relativen Gehalt an Stickstoff (\(n_{\mathrm{N}_2}=1,000297\)) und Sauerstoff (\(n_{\mathrm{O}_2}=1,000272\))50 zusammen. Die Erkennung dieser winzigen Variationen erfordert hochauflösende Geräte50.

Responsivität, \(\mathcal{R}\), als Funktion des Brechungsindex des Analyten, \(n_a\), für das Gerät mit der optimierten Geometrie der Fliege aus MgF\(_2\) ( schwarze Quadrate), SiO\(_2\) (schwarze Kreise) und AlN (schwarze Sterne). Die lineare Anpassung dieser simulierten Daten ist für MgF\(_2\) grün, für SiO\(_2\) rot und für AlN eine Linie dargestellt. Die Werte von \(S_B\) und FOM werden im Diagramm aufgeführt. Das Gerät wird mit einer monochromatischen Lichtquelle beleuchtet, \(\lambda =632,8 \) nm.

Bei unserem Gerät steht der Analyt in Kontakt mit der dielektrischen Fliege und der vorderen Metallschicht. Das vom System gelieferte elektrische Signal wird durch die absorbierte optische Leistung an der aktiven Schicht erzeugt, die durch die Anregung von SPR verstärkt wird. Die Abhängigkeit der plasmonischen Resonanz vom Brechungsindex des Analyten sorgt für die gewünschte Funktionalität der Vorrichtung. Das Gerät reagiert sehr empfindlich auf den Gasgehalt der Luft. Wenn beispielsweise das Gerät mit einer Fliege aus SiO\(_2\) verwendet wird, sinkt die Ansprechempfindlichkeit des Geräts von 219 mA/W für Luft auf 215,6 mA/W, wenn Luft durch CO\(_2\) ersetzt wird. An dieser Stelle sollten wir daran erinnern, dass refraktometrische Sensoren nur auf Änderungen im Brechungsindex der Umgebung reagieren und dabei den eigentlichen Ursprung dieser Änderung außer Acht lassen. Dann sollte die quantitative Nutzung unseres Entwurfs auf den Fall geschlossener Atmosphären beschränkt werden, in denen die Gasspezies bekannt sind und nicht verändert werden. Die Empfindlichkeitswerte des Geräts mit einer Fliege aus jedem Material als Funktion des Brechungsindex des Analyten, \(n_a\), sind in Abb. 5 dargestellt. Die \(S_B\)-Werte wurden aus der Steigung der Linearität extrahiert Passend für jeden Datensatz und ergibt sich aus 1,58 x 10\(^4\)(mA/W)/RIU, 2,4x10\(^4\) (mA/W)/RIU und 558 (mA/W)/RIU , für das Gerät mit einer Bwo-Verbindung aus MgF\(_2\), SiO\(_2\) bzw. AlN. Die entsprechende FOM für jeden Fall erhält man, indem man \(S_B\) durch die maximale Reaktionsfähigkeit für jeden Datensatz dividiert, was 70 1/RIU, 107 1/RIU und 2,55 1/RIU für das Gerät mit einem Bwo- ergibt. Bindung aus MgF\(_2\), SiO\(_2\) bzw. AlN.

In diesem Beitrag haben wir uns die Reife der aSiH-Photovoltaik-Solarzellen zunutze gemacht. Durch das Hinzufügen einer maßgeschneiderten Metaoberfläche aus einer Reihe dielektrischer Fliegen auf einer Metallschicht wurde das Energiegewinnungsgerät in einen refraktometrischen Sensor verwandelt. Bei dieser Transformation haben wir auch die transparente Elektrode durch eine dünne metallische Elektrode ersetzt. Diese Metallschicht ist dick genug, um Plasmonresonanzen anzuregen, die stark vom Brechungsindex des Analyten abhängen. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Änderung des Brechungsindex des Analyten auf die Reaktion des Geräts übertragen wird, was ein einfacheres Design und einen einfacheren Betrieb ermöglicht. Anschließend wird der Sensor optoelektronisch abgefragt. Die optische Absorption wird durch die geometrischen Parameter der Fliegeanordnung durch die Anregung des SPR maximiert. Daher haben wir im Detail analysiert, wie die Geometrie angepasst werden kann, um die Absorption an der aktiven Schicht zu verbessern und eine recht selektive Reaktion in Bezug auf Wellenlänge und Brechungsindex in Abhängigkeit von den Bedingungen für die Anregung von SPR zu erzeugen. Das Gerät kann betrieben werden, indem das Fliege-Array und die metallische vordere Dünnschicht der Atmosphäre ausgesetzt werden. Als Sensor wird seine Leistung quantitativ durch den Wert seiner Empfindlichkeit von \(S_B= 2,4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU und \(\text{ FOM } = 107\) (1) angegeben /RIU) für den Fall von Fliegen aus SiO\(_2\).

Als Zusammenfassung dieses Beitrags ebnet unser vorgeschlagenes Design den Weg für die Integration plasmonischer refraktometrischer Sensoren in einfachere und kompaktere Designs, indem einfach die Vorteile von Photovoltaik-Technologien und Metaoberflächen genutzt werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29200-z

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Diese Arbeit wurde teilweise von den Projekten NERA des spanischen Ministeriums für Wissenschaft, Innovation und Universitäten im Rahmen des Zuschusses RTI2018-101037-B-I00 und NANOROOMS im Rahmen des Zuschusses PID2019-105918GB-I00, von AEI/FEDER-Mitteln sowie von der Comunidad de Madrid und FEDER unterstützt Programm SINFOTON2-CM unter Grant S2018/NMT-4326 und TELURO unter Grant RTC2019-007113-3. Diese Arbeit wurde teilweise von Proyectos de I+D para jóvenes investigadores de la Universidad Rey Juan Carlos finanziert durch die Comunidad de Madrid, Codigo 2022/00156/025, REF:M2742, unterstützt.

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, Minia-Universität, 61519, El-Minya, Ägypten

Mahmoud H. Elshorbagy

Fakultät für Optik und Optometrie, Complutense-Gruppe für Angewandte Optik, Complutense-Universität Madrid, C/Arcos de Jalon, 118, 28037, Madrid, Spanien

Mahmoud H. Elshorbagy & Javier Alda

Photonics Engineering Group, Universität Alcalá, 28801, Alcalá de Henares, Madrid, Spanien

Oscar Stephen

School of Experimental Sciences and Technology, Universität Rey Juan Carlos, 28933, Móstoles, Madrid, Spanien

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ME und AC führten die Simulationen und numerischen Berechnungen durch. Alle Autoren beteiligten sich gleichermaßen an der Definition der Hypothese, der Analyse der Daten, der Diskussion sowie der endgültigen Ausgabe und Überarbeitung des Manuskripts. OE und JA beteiligen sich an der Vergabe der notwendigen Mittel.

Korrespondenz mit Javier Alda.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: Der Abschnitt „Danksagungen“ in der Originalversion dieses Artikels war unvollständig. Ausführliche Informationen zur vorgenommenen Korrektur finden Sie in der Korrektur zu diesem Artikel.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elshorbagy, MH, Esteban, Ó., Cuadrado, A. et al. Optoelektronisches refraktometrisches Sensorgerät für Gase basierend auf dielektrischen Fliegen und Solarzellen aus amorphem Silizium. Sci Rep 12, 18355 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

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Eingegangen: 27. Mai 2022

Angenommen: 26. September 2022

Veröffentlicht: 01. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

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