Análise numérica de óxido de háfnio e material de mudança de fase

Jul 27, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7698 (2023) Citar este artigo

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Relatamos os resultados de uma investigação numérica em um material de transição de fase e um sensor de índice de refração baseado em óxido de háfnio (IV) com uma ampla faixa espectral, incluindo as regiões visível e infravermelha do espectro eletromagnético. O sensor depende de óxido de háfnio (IV) e de um material de transição de fase (HfO2). São estudadas três versões em camadas da estrutura proposta; cada configuração é construída a partir de camadas alternadas de HfO2, sílica, Ge2Sb2Te5(GST) e prata. Os três arranjos diferentes foram todos estudados. A resposta de refletância de tais estruturas multicamadas é discutida neste manuscrito para índices de refração variando de 1 a 2,4. Além disso, investigamos como as diferentes alturas dos materiais afetam o desempenho geral da estrutura. Finalmente, fornecemos várias fórmulas para traços ressonantes que podem ser usadas para calcular o comportamento de detecção em uma faixa específica de comprimento de onda e valores de índice de refração. As equações correspondentes são mostradas abaixo. Calculamos vários traços de equações ao longo desta investigação para calcular os valores do comprimento de onda e do índice de refração. Métodos computacionais podem ser utilizados para analisar a estrutura proposta, o que pode auxiliar na criação de biossensores para detecção de uma ampla variedade de biomoléculas e biomarcadores, como saliva-cortisol, urina, glicose, cancerosas e cancerígenas, e hemoglobina.

Segurança alimentar, diagnóstico de doenças, seleção de medicamentos e detecção de enzimas são áreas onde os biossensores fizeram grandes avanços nos últimos anos1,2. Esses sensores usam todos os tipos de técnicas e equipamentos de detecção. Um desses métodos é medir o índice de refração, que pode ser usado para identificar diversas características químicas e biológicas. As oscilações de densidade de carga dissipadas na interface dielétrico-metal são plasmons de superfície (SPs). O campo elétrico de um metal deteriora-se a uma taxa acelerada quando exposto ao ar e à água. Estimular SPs é um primeiro passo potencial na criação de ondas polarizadas por TM a partir de materiais existentes naturalmente. Dispositivos plasmônicos podem usar ressonância plasmônica de superfície (SPR) como mecanismo3,4,5 para realizar várias tarefas químicas e de biossensor. A técnica SPR permite a execução bem-sucedida de tais programas. Essa tecnologia encontrou uso em muitas áreas, incluindo análise de alimentos, testes de drogas e diagnósticos médicos. Devido às suas inúmeras vantagens, os sensores SPR e outros métodos de detecção contemporâneos estão agora na vanguarda da tecnologia para uso em aplicações de detecção. O sistema de sensor ideal que poderíamos criar seria sensível, de resposta rápida e sem rótulos, permitindo a detecção em tempo real em qualquer plataforma. No artigo, os autores usam um aparelho Kretschmann modificado e espectroscopia de reflexão total atenuada para excitar SPs. Na invenção típica de Kretschmann, um prisma de alto índice é revestido com uma fina camada de metal6. O fenômeno de impacto ocorre quando uma onda TM de determinado comprimento de onda entra em contato com um prisma em um ângulo de incidência maior que o ângulo crítico entre o metal e o prisma na interface. A camada metálica deve permanecer em contato com o meio dielétrico que está sendo medido. À medida que a energia de uma onda de entrada passa através de uma fina camada de metal, ela é transformada em uma onda plasmônica de superfície no metal. Isso resulta na criação do que é conhecido como ondas de plasmon de superfície (SP) na interface entre os limites da camada dielétrica e metálica. Isso ocorre porque a onda precisa passar pelo metal para chegar ao seu destino. Isso ocorre porque a onda deve percorrer o metal antes de atingir seu alvo. A luz refletida na base de um prisma é mais fraca quando a luz entra no prisma em um ângulo específico. O termo "ângulo de ressonância" é comumente usado para se referir a este valor angular específico. A partir disso, podemos deduzir que as constantes de propagação das ondas evanescentes e das ondas que penetram na superfície são as mesmas. Um dos fatores mais importantes na determinação deste ângulo é o índice de refração do meio através do qual a ressonância é gerada. Uma camada metálica é frequentemente usada durante o processo de fabricação de sensores SPR convencionais. Ouro (Au)7 ou prata (Ag)8 são ingredientes típicos deste revestimento. Para construir sensores SPR capazes de sustentar plasmons, são utilizados diversos metais diferentes, como prata, ouro, índio, alumínio e sódio. Os plasmons são até capazes de existir no sódio nas circunstâncias apropriadas. Uma ampla gama de metais, incluindo cobre, prata, índio, ouro, alumínio e sódio, é usada para construir sensores SPR capazes de sustentar plasmons. Os plasmões são teoricamente capazes de existir no sódio, dadas as condições certas. Devido à sua estabilidade, biocompatibilidade e sensibilidade melhoradas, o ouro substituiu amplamente a prata como material de escolha para sensores SPR nos últimos anos9,10,11. Historicamente, a prata era frequentemente empregada nesses detectores. Uma das muitas maneiras pelas quais o ouro supera a prata é através de sua maior sensibilidade. Por outro lado, a prata pode ser utilizada para cobrir uma camada avançada, diminuindo o ritmo de oxidação dessa camada9,10,11. A intensidade relativa (RI) do analito antes e depois do contato é comparada pelos pesquisadores como parte de sua investigação sobre o impacto das interações de biomoléculas na sensibilidade do sensor. Para que a ressonância plasmônica de superfície ocorra, é necessário que a onda evanescente gerada pela luz TM esteja em fase com a onda plasmônica de superfície (SP) (SPR). O perfil de refletância pode diminuir se todos esses critérios se tornarem realidade. O ângulo exato em que a refletância começa a diminuir depende de vários fatores diferentes12,13,14,15. Esses fatores incluem o tipo de prisma utilizado, o comprimento de onda da luz incidente, os materiais, o metal e a forma como as biomoléculas foram ligadas. Ao avaliar o desempenho de um sensor SPR em termos de suas capacidades de detecção, a curva de refletância é o principal instrumento utilizado para a avaliação. Um sensor baseado na ressonância plasmônica de superfície tem o potencial de identificar biomoléculas em uma amostra líquida. Uma vez que as biomoléculas se fixam a uma superfície metálica, elas produzem uma camada com um IR mais alto que a água. Se analisarmos uma amostra, podemos ver que o ângulo de ressonância muda. O grau de adsorção afeta a capacidade do sensor de identificar biomoléculas na presença de ruído de fundo. Portanto, ao construir sensores baseados em SPR, é essencial considerar o tipo de superfície na qual as biomoléculas são adsorvidas. A criação de biossensores é altamente dependente do ajuste fino, que pode ser realizado em parte pela aplicação de materiais de transição de fase, como o GST16. Como o GST agora faz parte do biossensor, é possível fazer modificações mais sutis no absorvedor e no sensor. Foi demonstrado que absorventes insensíveis à polarização podem ser produzidos empregando metassuperfícies de GST como componente ativo. Por outro lado, pesquisas mostram que o GST pode potencializar o desempenho de dispositivos plasmônicos18. O tipo mais comum de material de transição de fase, GST, pode alternar entre uma forma amorfa (aGST) e um estado cristalino (cGST), dependendo das circunstâncias. Esses estados possuem características ópticas e elétricas únicas, tornando-os um material atraente para uso em uma ampla variedade de aplicações, incluindo armazenamento de dados, sensores e dispositivos lógicos19. A criação de biossensores que podem ser usados ​​em aplicações de detecção e comutação pode se beneficiar da utilização de materiais de mudança de fase modificáveis. Devido à intensa natureza de sua interação com a luz, o GST emergiu como um componente crítico no desenvolvimento de tecnologias nanofotônicas e nanoplasmônicas20. Em contraste com a sua condição amorfa, a forma cristalina do GST pode absorver luz . Ao fabricar biossensores usando GST, adicionar ouro no espaço entre a camada metálica e os resultados da grade metálica aumentará a sensibilidade para uma vida útil mais longa21. O nitreto de silício (Si3N4) e o dióxido de silício (SiO2) produzidos termicamente dominaram o mercado para uso como portas de transistor em transistores de efeito de campo durante as últimas décadas . No entanto, biossensores convencionais são construídos utilizando silício semicondutor. Quando a espessura do semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) com dispositivos baseados em material SiO2 diminui, o alto vazamento de óxido na porta torna-se mais perceptível porque a confiabilidade da camada é diminuída.