Численный анализ материала с фазовым переходом и графена

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7653 (2023) Цитировать эту статью

597 Доступов

Подробности о метриках

Здесь мы представляем результаты параметрического анализа материала фазового перехода Ge2Sb2Te5(GST) на основе графена с широким динамическим диапазоном в инфракрасном и видимом электромагнитном спектрах. Предложенная структура изучается в многослойных конфигурациях, состоящих из слоев материалов GST, графена, кремния и серебра. Поведение отражательной способности этих многослойных структур было описано для показателей преломления от 1,3 до 2,5. Вся конструкция моделируется с использованием вычислительного процесса, называемого методом конечных элементов. Кроме того, мы исследовали влияние высоты материала на характеристики конструкции в целом. Мы представили несколько кривых отслеживания резонанса в полиномиальных уравнениях для определения поведения чувствительности в определенном диапазоне длин волн и значениях показателя преломления. Предложенная конструкция также исследуется при различных углах наклона падения, чтобы убедиться в ее широкоугольной устойчивости. Компьютерное исследование предлагаемой структуры может помочь в развитии биосенсоров для идентификации широкого спектра биомолекул, включая злокачественные, гемоглобин мочи, кортизол слюны и глюкозу.

Интеграция наук о жизни и электроники создала мощный ресурс для изучения и измерения биомолекулярных взаимодействий. За последние несколько лет электронные устройства внесли значительный вклад в характеристику и анализ биоатомных взаимодействий в науках о жизни1. Интерес к этим электронным устройствам возрос в нескольких областях, включая, помимо прочего, синтетическую идентификацию, геномику, клиническое обнаружение и протеомику2,3. Исследования лекарств, биомедицина, безопасность пищевых продуктов, оборона, безопасность и мониторинг окружающей среды — все осознали критическую актуальность использования биосенсоров. В результате ученые разработали чувствительные аналитические методы на основе биосенсоров, которые могут с большой точностью обнаруживать мельчайшие изменения в биологических образцах. Биосенсоры — это диагностические устройства, в которых используется компонент биологического обнаружения и которые имеют множество практических применений в таких разнообразных областях, как разработка лекарств, медицинская диагностика, пищевая промышленность, мониторинг окружающей среды, военная оборона и национальная безопасность4. Первый биосенсор, в котором использовался электрод с иммобилизованной глюкозооксидазой для электрохимического обнаружения кислорода или перекиси водорода, был разработан Кларком и Лайонсом для количественного определения глюкозы в биологических образцах5. С тех пор биосенсорные технологии и их применение значительно продвинулись вперед благодаря появлению новых методов в различных областях, от электрохимии и нанотехнологий до биоэлектроники6. Оптический биосенсор, по сути, представляет собой элемент биораспознавания, расположенный на небольшом расстоянии от аппаратного преобразователя, который преобразует захват аналита в обнаруживаемое изменение некоторых аспектов свойств света (таких как его интенсивность, длина волны, резонанс или показатель преломления). . Интерферометры7, решетки8, плазмоника9 и резонаторы10 — это лишь несколько примеров физических механизмов преобразования, которые могут быть использованы в оптическом зондировании. Что касается датчиков, то, пожалуй, наиболее известными и широко используемыми являются датчики на основе плазмоники11. Для многих биосенсор поверхностного плазмонного резонанса (SPR) представляет собой вершину оптических и плазмонных биосенсорных технологий9. Первое зарегистрированное свидетельство SPR произошло в физическом мире в 1902 году. Это малоизвестное наблюдение оптических явлений за десятилетия превратилось в убедительное понимание физики поверхностных плазмонов12. Лидеберг и Нюландер впервые доказали, что поверхностный плазмонный резонанс (ППР) является полезным оптическим биосенсором в 1982 году для обнаружения газов и биосенсорства13. С тех пор SPR укрепил химию поверхности, служа воротами, где химия, физика и биология могут сойтись воедино14. Поскольку перспективы биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) продолжают быстро расширяться15, в последнее время наблюдается резкий рост числа исследователей, интересующихся этой темой, и метод ППР получил распространение в биосенсорах как средство обнаружения16. Благодаря их полезным качествам, таким как способность непрерывного обнаружения в системе без меток, постоянное наблюдение, быстрое реагирование и повышенная чувствительность, а также их заслуживающим внимания преимуществам, таким как гибкость конструкции, миниатюризация, мультиплексирование данных зондирования и дистанционное зондирование17 Технология SPR расширила свои потенциальные области применения от биомедицины до окружающей среды и даже промышленности. В последние годы были достигнуты успешная коммерциализация и широкое использование биосенсоров на основе SPR для обнаружения широкого спектра биомолекул, включая нуклеиновые кислоты, белки, множество ферментов, факторы роста, ДНК, антитела, лекарства и качество продуктов питания18,19. но, прежде всего, биомедицинские применения SPR являются особенно новаторскими20. Коллективные электронные колебания в металлах называются плазмонами, и они могут быть либо распространяющимися поверхностными плазмонами (ППП), которые перемещаются вдоль границ раздела металл-диэлектрик, либо локализованными поверхностными плазмонами (ЛПП), которые ограничены поверхностью металлической наноструктуры (с размерами меньшими, чем длина волны света) (LSP). Это важнейший инструмент для исследования поверхностных процессов, поскольку взаимодействие этих мод с падающим светом приводит к резонансам, которые во многом зависят от состава, формы и размеров металлической наноструктуры, а также диэлектрических характеристик окружающей среды. Как СП, так и ЛСП имеют электромагнитное поле, которое локализовано на поверхности и экспоненциально затухает в окружающую среду с периодами полураспада 30 и 200 нм соответственно. В результате датчики, построенные на этих процессах, хорошо приспособлены к изменениям, происходящим вблизи земли. Физико-химический контакт с аналитом вызывает изменение показателя преломления чувствительного слоя вокруг металлической наноструктуры, которая является основой датчиков SPR и LSPR21.