Численный анализ оксида гафния и материала с фазовым переходом

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7698 (2023) Цитировать эту статью

433 доступа

Подробности о метриках

Сообщается о результатах численного исследования материала фазового перехода и датчика показателя преломления на основе оксида гафния (IV) с широким спектральным диапазоном, включающим как видимую, так и инфракрасную области электромагнитного спектра. В основе датчика лежит оксид гафния (IV) и материал фазового перехода (HfO2). Изучены трехслойные варианты предложенной структуры; каждая конфигурация построена из чередующихся слоев HfO2, кремнезема, Ge2Sb2Te5(GST) и серебра. Все три различные схемы были изучены. Отклик отражения таких многослойных структур обсуждается в этой рукописи для показателей преломления в диапазоне от 1 до 2,4. Кроме того, мы исследовали, как разная высота материалов влияет на общую производительность конструкции. Наконец, мы предоставили несколько формул для резонансных следов, которые можно использовать для расчета характеристик чувствительности в определенном диапазоне длин волн и значениях показателя преломления. Соответствующие уравнения показаны ниже. В рамках этого исследования мы рассчитали многочисленные трассы уравнений, чтобы рассчитать значения длины волны и показателя преломления. Вычислительные методы могут быть использованы для анализа предложенной структуры, что может помочь в создании биосенсоров для обнаружения широкого спектра биомолекул и биомаркеров, таких как слюна-кортизол, моча, глюкоза, раковые и раковые клетки и гемоглобин.

Безопасность пищевых продуктов, диагностика заболеваний, выбор лекарств и обнаружение ферментов — это области, в которых биосенсоры добились больших успехов за последние годы1,2. В этих датчиках используются всевозможные сенсорные методы и оборудование. Одним из таких методов является измерение показателя преломления, который можно использовать для идентификации различных химических и биологических характеристик. Диссипирующими колебаниями плотности заряда на границе раздела диэлектрик-металл являются поверхностные плазмоны (ПП). Электрическое поле металла ухудшается с возрастающей скоростью под воздействием воздуха и воды. Стимулирование СП — это потенциальный первый шаг в создании ТМ-поляризованных волн из природных материалов. Плазмонные устройства могут использовать поверхностный плазмонный резонанс (ППР) в качестве механизма3,4,5 для выполнения различных химических и биосенсорных задач. Метод SPR позволяет успешно выполнять такие программы. Эта технология нашла применение во многих областях, включая анализ пищевых продуктов, тестирование на наркотики и медицинскую диагностику. Благодаря своим многочисленным преимуществам датчики SPR и другие современные методы измерения в настоящее время находятся на переднем крае технологий для использования в сенсорных приложениях. Идеальная сенсорная система, которую мы могли бы создать, была бы чувствительной, быстро реагирующей и не требующей меток, что позволяло бы ей выполнять измерения в режиме реального времени на любой платформе. В работе авторы используют модифицированную установку Кречмана и спектроскопию ослабленного полного отражения для возбуждения СП. В типичном изобретении Кречмана призма с высоким преломлением покрыта тонким металлическим слоем6. Явление столкновения возникает, когда волна ТМ определенной длины вступает в контакт с призмой под углом падения, превышающим критический угол между металлом и призмой на границе раздела. Металлический слой должен оставаться в контакте с измеряемой диэлектрической средой. Проходя через тонкий слой металла, энергия входной волны преобразуется в поверхностную плазмонную волну в металле. Это приводит к созданию так называемых поверхностных плазмонных (ПП) волн на границе раздела между границами диэлектрика и металлического слоя. Это происходит потому, что волна должна пройти сквозь металл, чтобы добраться до места назначения. Это происходит потому, что волна должна пройти через металл, прежде чем достичь своей цели. Свет, отраженный от основания призмы, становится самым слабым, когда свет попадает в призму под определенным углом. Термин «угол резонанса» обычно используется для обозначения этого конкретного углового значения. Отсюда можно сделать вывод, что константы распространения затухающих волн и волн, проникающих через поверхность, одинаковы. Одним из наиболее важных факторов при определении этого угла является показатель преломления среды, благодаря которому генерируется резонанс. Металлический слой часто используется в процессе производства обычных датчиков SPR. Золото (Au)7 или серебро (Ag)8 являются типичными ингредиентами этого покрытия. Для создания датчиков ППР, способных поддерживать плазмоны, используются несколько различных металлов, таких как серебро, золото, индий, алюминий и натрий. Плазмоны при определенных обстоятельствах способны существовать даже в натрии. Широкий спектр металлов, включая медь, серебро, индий, золото, алюминий и натрий, используется для создания датчиков ППР, способных поддерживать плазмоны. Плазмоны теоретически способны существовать в натрии при правильных условиях. Благодаря своей улучшенной стабильности, биосовместимости и чувствительности золото в последние годы в значительной степени заменило серебро в качестве материала для датчиков SPR9,10,11. Исторически в этих детекторах часто использовалось серебро. Одним из многих факторов, в которых золото превосходит серебро, является его повышенная чувствительность. С другой стороны, серебро можно использовать для покрытия продвинутого слоя, замедляя скорость окисления в этом слое9,10,11. Относительная интенсивность аналита (RI) до и после контакта сравнивается исследователями в рамках исследования влияния взаимодействий биомолекул на чувствительность сенсора. Для того чтобы имел место поверхностный плазмонный резонанс, необходимо, чтобы затухающая волна, генерируемая ТМ-светом, находилась в фазе с поверхностной плазмонной (SP) волной (SPR). Профиль отражения может снизиться, если все эти критерии будут выполнены. Точный угол, при котором отражательная способность начинает уменьшаться, зависит от нескольких различных факторов12,13,14,15. Эти факторы включают тип используемой призмы, длину волны падающего света, материалы, металл и способ связывания биомолекул. При оценке характеристик датчика SPR с точки зрения его чувствительных возможностей кривая отражения является основным инструментом, используемым для оценки. Датчик, основанный на поверхностном плазмонном резонансе, может идентифицировать биомолекулы в образце жидкости. Когда биомолекулы прикрепляются к металлической поверхности, они образуют слой с более высоким RI, чем у воды. Если проанализировать образец, то можно увидеть, что угол резонанса меняется. Степень адсорбции влияет на способность датчика идентифицировать биомолекулы в присутствии фонового шума. Поэтому при создании сенсоров на основе ППР важно учитывать тип поверхности, на которой адсорбируются биомолекулы. Создание биосенсоров во многом зависит от тонкой настройки, которая может быть частично достигнута за счет применения материалов фазового перехода, таких как GST16. Поскольку GST теперь является частью биосенсора, можно вносить более тонкие модификации в поглотитель и датчик. Было показано17, что поляризационно-нечувствительные поглотители могут быть созданы с использованием метаповерхностей GST в качестве активного компонента. С другой стороны, исследования показали, что GST может повысить производительность плазмонных устройств18. Самый распространенный тип материала фазового перехода, GST, может переключаться между аморфной формой (aGST) и кристаллическим состоянием (cGST) в зависимости от обстоятельств. Эти состояния обладают уникальными оптическими и электрическими характеристиками, что делает их привлекательным материалом для использования в самых разных приложениях, включая хранение данных, датчики и логические устройства19. Создание биосенсоров, которые можно использовать в приложениях для измерения и переключения, может выиграть от использования модифицируемых материалов с фазовым переходом. Из-за интенсивного характера взаимодействия со светом GST стал важнейшим компонентом в разработке нанофотонных и наноплазмонных технологий20. В отличие от аморфного состояния, кристаллическая форма GST может поглощать свет17. При изготовлении биосенсоров с использованием GST добавление золота в зазор между металлическим слоем и металлической решеткой повысит чувствительность и продлит срок службы21. Нитрид кремния (Si3N4) и диоксид кремния (SiO2), полученные термическим способом, доминировали на рынке использования в качестве затворов в полевых транзисторах в течение последних нескольких десятилетий22,23. Однако обычные биосенсоры изготавливаются с использованием полупроводникового кремния. Когда толщина комплементарного металлооксидного полупроводника (КМОП) с устройствами на основе материала SiO2 уменьшается, утечка оксида затвора становится более заметной, поскольку надежность слоя снижается.