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

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 conta com óxido de háfnio (IV) e 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 reflectância de tais estruturas multicamadas é discutida neste manuscrito para índices de refração variando de 1 a 2,4. Além disso, investigamos como as alturas variáveis ​​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 de comprimento de onda específica e valores de índice de refração. As equações correspondentes são mostradas abaixo. Computamos vários traços de equação ao longo desta pesquisa para calcular os valores de comprimento de onda e índice de refração. Métodos computacionais podem ser usados ​​para analisar a estrutura proposta, o que pode auxiliar na criação de biossensores para detectar uma grande variedade de biomoléculas e biomarcadores, como saliva-cortisol, urina, glicose, cancerígenos e cancerígenos e hemoglobina.

Segurança alimentar, diagnóstico de doenças, seleção de medicamentos e detecção de enzimas são áreas em que 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 várias características químicas e biológicas. As oscilações de densidade de carga dissipada na interface dielétrico-metal são plasmons de superfície (SPs). O campo elétrico de um metal se deteriora a uma taxa acelerada quando exposto ao ar e à água. Estimular SPs é um primeiro passo potencial na criação de ondas polarizadas TM a partir de materiais naturalmente existentes. Dispositivos plasmônicos podem usar ressonância plasmônica de superfície (SPR) como um mecanismo3,4,5 para realizar várias tarefas químicas e de biossensoriamento. A técnica SPR permite a execução bem-sucedida de tais programas. Esta 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, rápido de responder e sem etiquetas, permitindo que ele fizesse a detecção em tempo real em qualquer plataforma. No artigo, os autores usam um aparelho de 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 do impacto ocorre quando uma onda TM de um 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 de metal deve permanecer em contato com o meio dielétrico que está sendo medido. À medida que a energia de uma onda de entrada passa por uma fina camada de metal, ela é transformada em uma onda de plásmon de superfície no metal. Isso resulta na criação do que é conhecido como ondas de plásmon de superfície (SP) na interface entre um dielétrico e os limites da camada de metal. Isso ocorre porque a onda tem que passar pelo metal para chegar ao seu destino. Isso ocorre porque a onda deve atravessar o metal antes de atingir seu alvo. A luz refletida da 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 esse valor angular específico. A partir disso, podemos deduzir que as constantes de propagação para ondas evanescentes e ondas que penetram na superfície são as mesmas. Um dos fatores mais importantes na determinação desse ângulo é o índice de refração médio através do qual a ressonância é gerada. Uma camada de metal é frequentemente usada durante o processo de fabricação de sensores SPR convencionais. Ouro (Au)7 ou prata (Ag)8 são ingredientes típicos neste revestimento. Para construir sensores SPR capazes de sustentar plasmons, vários metais diferentes, como prata, ouro, índio, alumínio e sódio, são usados. Os plasmons são capazes até de existir no sódio sob as 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 plasmons são teoricamente capazes de existir no sódio, dadas as condições certas. Devido à sua melhor estabilidade, biocompatibilidade e sensibilidade, 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 por meio de sua maior sensibilidade. Por outro lado, a prata pode ser utilizada para cobrir uma camada avançada, diminuindo o ritmo de oxidação nessa camada9,10,11. A intensidade relativa (RI) do analito antes e depois do contato é comparada por pesquisadores como parte de sua investigação sobre o impacto das interações de biomoléculas na sensibilidade do sensor. Para que ocorra a ressonância plasmônica de superfície, 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 forem atendidos. O ângulo exato no qual a refletância começa a diminuir depende de vários fatores diferentes12,13,14,15. Esses fatores incluem o tipo de prisma usado, 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 usado para a avaliação. Um sensor baseado em ressonância plasmônica de superfície tem o potencial de identificar biomoléculas em uma amostra líquida. Uma vez que as biomoléculas se ligam a uma superfície de metal, elas produzem uma camada com um RI 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 de ajuste fino, que pode ser realizado em parte pela aplicação de materiais de transição de fase, como GST16. Como o GST agora faz parte do biossensor, é possível fazer modificações mais sutis no absorvedor e no sensor. Foi demonstrado17 que absorvedores insensíveis à polarização podem ser produzidos empregando metasuperfícies GST como componente ativo. Por outro lado, a pesquisa mostrou que o GST pode aumentar 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 natureza intensa de sua interação com a luz, o GST emergiu como um componente crítico no desenvolvimento de tecnologias nanofotônicas e nanoplasmônicas20. Em contraste com sua condição amorfa, a forma cristalina de GST pode absorver light17. Ao fazer biossensores usando GST, adicionar ouro no espaço entre a camada de metal e os resultados da grade de metal 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 transistores em transistores de efeito de campo durante as últimas décadas22,23. No entanto, os biossensores convencionais são construídos usando silício semicondutor. Quando a espessura do semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) com dispositivos baseados em material SiO2 diminui, o vazamento de óxido de alta porta torna-se mais perceptível porque a confiabilidade da camada é diminuída.