Analisi numerica dell'ossido di afnio e del materiale a cambiamento di fase

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7698 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo i risultati di un'indagine numerica su un sensore di indice di rifrazione a base di materiale di transizione di fase e ossido di afnio (IV) con un ampio intervallo spettrale, comprese le regioni visibili e infrarosse dello spettro elettromagnetico. Il sensore si basa sull'ossido di afnio (IV) e su un materiale di transizione di fase (HfO2). Vengono studiate tre versioni stratificate della struttura proposta; ogni configurazione è costituita da strati alternati di HfO2, silice, Ge2Sb2Te5(GST) e argento. Le tre diverse disposizioni sono state tutte studiate. La risposta di riflettanza di tali strutture multistrato è discussa in questo manoscritto per indici di rifrazione compresi tra 1 e 2,4. Inoltre, abbiamo studiato come le diverse altezze dei materiali influiscono sulle prestazioni complessive della struttura. Infine, abbiamo fornito diverse formule per le tracce di risonanza che possono essere utilizzate per calcolare il comportamento di rilevamento su uno specifico intervallo di lunghezze d'onda e valori di indice di rifrazione. Le equazioni corrispondenti sono mostrate di seguito. Abbiamo calcolato numerose tracce di equazioni nel corso di questa indagine per calcolare i valori della lunghezza d'onda e dell'indice di rifrazione. È possibile utilizzare metodi computazionali per analizzare la struttura proposta, che potrebbe aiutare nella creazione di biosensori per rilevare un'ampia varietà di biomolecole e biomarcatori, come saliva-cortisolo, urina, glucosio, sostanze cancerose e cancerose ed emoglobina.

La sicurezza alimentare, la diagnosi delle malattie, la selezione dei farmaci e il rilevamento degli enzimi sono aree in cui i biosensori hanno fatto grandi passi avanti negli ultimi anni1,2. Questi sensori utilizzano tutti i tipi di tecniche e apparecchiature di rilevamento. Uno di questi metodi è la misurazione dell'indice di rifrazione, che può essere utilizzato per identificare varie caratteristiche chimiche e biologiche. Le oscillazioni della densità di carica che dissipano all'interfaccia dielettrico-metallo sono plasmoni di superficie (SP). Il campo elettrico di un metallo si deteriora a una velocità accelerata quando esposto all'aria e all'acqua. La stimolazione degli SP è un potenziale primo passo nella creazione di onde polarizzate TM da materiali esistenti in natura. I dispositivi plasmonici possono utilizzare la risonanza plasmonica di superficie (SPR) come meccanismo3,4,5 per svolgere vari compiti chimici e di biorilevamento. La tecnica SPR consente l'esecuzione corretta di tali programmi. Questa tecnologia ha trovato impiego in molti settori, tra cui l’analisi degli alimenti, i test antidroga e la diagnostica medica. Grazie ai suoi numerosi vantaggi, i sensori SPR e altri metodi di rilevamento contemporanei sono ora all'avanguardia nella tecnologia per l'uso in applicazioni di rilevamento. Il sistema di sensori ideale che potremmo creare sarebbe sensibile, rapido nella risposta e privo di etichette, consentendogli di eseguire rilevamenti in tempo reale su qualsiasi piattaforma. Nell'articolo, gli autori utilizzano un apparato di Kretschmann modificato e una spettroscopia a riflessione totale attenuata per eccitare gli SP. Nella tipica invenzione di Kretschmann, un prisma ad alto indice è rivestito con un sottile strato metallico6. Il fenomeno dell'impatto si verifica quando un'onda TM di una certa lunghezza d'onda entra in contatto con un prisma con un angolo di incidenza maggiore dell'angolo critico tra metallo e prisma all'interfaccia. Lo strato metallico deve rimanere in contatto con il mezzo dielettrico da misurare. Quando l'energia di un'onda in ingresso passa attraverso un sottile strato metallico, viene trasformata in un'onda plasmonica superficiale nel metallo. Ciò si traduce nella creazione di quelle che sono note come onde plasmoniche di superficie (SP) all'interfaccia tra i confini di uno strato dielettrico e metallico. Ciò avviene perché l'onda deve attraversare il metallo per arrivare a destinazione. Ciò avviene perché l'onda deve attraversare il metallo prima di raggiungere il suo bersaglio. La luce riflessa dalla base di un prisma è più debole quando entra nel prisma con un angolo specifico. Il termine "angolo di risonanza" è comunemente usato per riferirsi a questo particolare valore angolare. Da ciò si può dedurre che le costanti di propagazione delle onde evanescenti e delle onde penetranti la superficie sono le stesse. Uno dei fattori più importanti nel determinare questo angolo è l'indice di rifrazione medio attraverso il quale viene generata la risonanza. Uno strato metallico viene spesso utilizzato durante il processo di produzione dei sensori SPR convenzionali. L'oro (Au)7 o l'argento (Ag)8 sono gli ingredienti tipici di questo rivestimento. Per costruire sensori SPR in grado di sostenere i plasmoni, vengono utilizzati diversi metalli, come argento, oro, indio, alluminio e sodio. I plasmoni sono anche in grado di esistere nel sodio in circostanze appropriate. Una vasta gamma di metalli, tra cui rame, argento, indio, oro, alluminio e sodio, vengono utilizzati per costruire sensori SPR in grado di sostenere i plasmoni. I plasmoni sono teoricamente in grado di esistere nel sodio, date le giuste condizioni. Grazie alle sue migliorate stabilità, biocompatibilità e sensibilità, negli ultimi anni l’oro ha ampiamente sostituito l’argento come materiale preferito per i sensori SPR9,10,11. Storicamente, in questi rilevatori veniva spesso utilizzato l’argento. Uno dei tanti modi in cui l’oro supera l’argento è attraverso la sua maggiore sensibilità. D’altro canto, l’argento può essere utilizzato per coprire uno strato avanzato, rallentando il ritmo dell’ossidazione in quello strato9,10,11. L'intensità relativa (RI) dell'analita prima e dopo il contatto viene confrontata dai ricercatori nell'ambito della loro indagine sull'impatto delle interazioni delle biomolecole sulla sensibilità del sensore. Affinché si verifichi la risonanza plasmonica di superficie, è necessario che l'onda evanescente generata dalla luce TM sia in fase con l'onda plasmonica di superficie (SP) (SPR). Il profilo di riflettanza potrebbe diminuire se tutti questi criteri si avverassero. L'angolo esatto al quale la riflettanza inizia a diminuire dipende da diversi fattori12,13,14,15. Questi fattori includono il tipo di prisma utilizzato, la lunghezza d'onda della luce incidente, i materiali, il metallo e il modo in cui le biomolecole erano legate. Quando si valutano le prestazioni di un sensore SPR in termini di capacità di rilevamento, la curva di riflettanza è lo strumento principale utilizzato per la valutazione. Un sensore basato sulla risonanza plasmonica superficiale ha il potenziale per identificare biomolecole in un campione liquido. Una volta che le biomolecole si attaccano a una superficie metallica, producono uno strato con un RI più elevato dell’acqua. Se analizziamo un campione, possiamo vedere che l'angolo di risonanza cambia. Il grado di adsorbimento influisce sulla capacità del sensore di identificare le biomolecole in presenza di rumore di fondo. Pertanto, durante la costruzione di sensori basati su SPR, è essenziale considerare il tipo di superficie su cui vengono adsorbite le biomolecole. La creazione di biosensori dipende fortemente dalla messa a punto, che può essere realizzata in parte applicando materiali di transizione di fase come GST16. Poiché GST ora fa parte del biosensore, è possibile apportare modifiche più sfumate all'assorbitore e al sensore. È stato dimostrato17 che gli assorbitori insensibili alla polarizzazione possono essere prodotti impiegando metasuperfici GST come componente attivo. D'altra parte, la ricerca ha dimostrato che la GST può aumentare le prestazioni dei dispositivi plasmonici18. Il tipo più comune di materiale di transizione di fase, GST, può passare dalla forma amorfa (aGST) allo stato cristallino (cGST) a seconda delle circostanze. Questi stati hanno caratteristiche ottiche ed elettriche uniche, che li rendono un materiale interessante da utilizzare in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui archiviazione di dati, sensori e dispositivi logici19. La creazione di biosensori che possano essere utilizzati in applicazioni di rilevamento e commutazione può trarre vantaggio dall'utilizzo di materiali a cambiamento di fase modificabili. A causa della natura intensa della sua interazione con la luce, la GST è emersa come una componente fondamentale nello sviluppo di tecnologie nanofotoniche e nanoplasmoniche20. Contrariamente alla sua condizione amorfa, la forma cristallina del GST può assorbire la luce17. Quando si realizzano biosensori utilizzando GST, l'aggiunta di oro nello spazio tra lo strato metallico e il reticolo metallico aumenterà la sensibilità per una durata di vita più lunga21. Negli ultimi decenni il nitruro di silicio (Si3N4) e il biossido di silicio (SiO2) prodotti termicamente hanno dominato il mercato per l'utilizzo come gate dei transistor nei transistor a effetto di campo22,23. Tuttavia, i biosensori convenzionali sono costruiti utilizzando silicio semiconduttore. Quando lo spessore del semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS) con dispositivi basati su materiale SiO2 diminuisce, l'elevata perdita di ossido di gate diventa più evidente perché l'affidabilità dello strato diminuisce.