Analyse numérique de l'oxyde de hafnium et des matériaux à changement de phase

Jul 27, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7698 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons les résultats d'une étude numérique sur un capteur d'indice de réfraction à base de matériau à transition de phase et d'oxyde d'hafnium (IV) avec une large plage spectrale, comprenant à la fois les régions visible et infrarouge du spectre électromagnétique. Le capteur repose sur de l'oxyde de hafnium (IV) et un matériau à transition de phase (HfO2). Trois versions en couches de la structure proposée sont étudiées ; chaque configuration est construite à partir de couches alternées de HfO2, de silice, de Ge2Sb2Te5(GST) et d'argent. Les trois dispositions différentes ont toutes été étudiées. La réponse de réflectance de telles structures multicouches est discutée dans ce manuscrit pour des indices de réfraction allant de 1 à 2,4. De plus, nous avons étudié comment les différentes hauteurs des matériaux affectent les performances globales de la structure. Enfin, nous avons fourni plusieurs formules pour les traces résonantes qui peuvent être utilisées pour calculer le comportement de détection sur une plage de longueurs d'onde spécifique et des valeurs d'indice de réfraction. Les équations correspondantes sont présentées ci-dessous. Nous avons calculé de nombreuses traces d'équations tout au long de cette enquête pour calculer les valeurs de longueur d'onde et d'indice de réfraction. Des méthodes informatiques peuvent être utilisées pour analyser la structure proposée, ce qui pourrait aider à créer des biocapteurs permettant de détecter une grande variété de biomolécules et de biomarqueurs, tels que la salive-cortisol, l'urine, le glucose, les cancers et l'hémoglobine.

La sécurité alimentaire, le diagnostic des maladies, la sélection des médicaments et la détection des enzymes sont des domaines dans lesquels les biocapteurs ont fait de grands progrès ces dernières années1,2. Ces capteurs utilisent toutes sortes de techniques et d’équipements de détection. L’une de ces méthodes consiste à mesurer l’indice de réfraction, qui peut être utilisé pour identifier diverses caractéristiques chimiques et biologiques. Les oscillations de densité de charge dissipant à l'interface diélectrique-métal sont des plasmons de surface (SP). Le champ électrique d'un métal se détériore à un rythme accéléré lorsqu'il est exposé à l'air et à l'eau. La stimulation des SP constitue une première étape potentielle dans la création d’ondes polarisées en MT à partir de matériaux naturellement existants. Les dispositifs plasmoniques peuvent utiliser la résonance plasmonique de surface (SPR) comme mécanisme3,4,5 pour accomplir diverses tâches chimiques et de biodétection. La technique SPR permet l’exécution réussie de tels programmes. Cette technologie a été utilisée dans de nombreux domaines, notamment l’analyse des aliments, les tests de drogues et les diagnostics médicaux. En raison de leurs nombreux avantages, les capteurs SPR et autres méthodes de détection contemporaines sont désormais à la pointe de la technologie pour une utilisation dans les applications de détection. Le système de capteurs idéal que nous pourrions créer serait sensible, rapide à réagir et sans étiquette, ce qui lui permettrait d'effectuer des détections en temps réel sur n'importe quelle plate-forme. Dans l'article, les auteurs utilisent un appareil de Kretschmann modifié et une spectroscopie à réflexion totale atténuée pour exciter les SP. Dans l'invention typique de Kretschmann, un prisme à indice élevé est recouvert d'une fine couche métallique6. Le phénomène d'impactement se produit lorsqu'une onde TM d'une certaine longueur d'onde entre en contact avec un prisme selon un angle d'incidence supérieur à l'angle critique entre le métal et le prisme à l'interface. La couche métallique doit rester en contact avec le milieu diélectrique mesuré. Lorsque l’énergie d’une onde d’entrée traverse une fine couche métallique, elle se transforme en onde plasmonique de surface dans le métal. Cela aboutit à la création de ce que l'on appelle des ondes plasmoniques de surface (SP) à l'interface entre les limites d'une couche diélectrique et métallique. Cela se produit parce que la vague doit traverser le métal pour atteindre sa destination. Cela est dû au fait que l’onde doit traverser le métal avant d’atteindre sa cible. La lumière réfléchie par la base d’un prisme est à son plus faible lorsqu’elle pénètre dans le prisme sous un angle spécifique. Le terme « angle de résonance » est couramment utilisé pour désigner cette valeur angulaire particulière. On peut en déduire que les constantes de propagation des ondes évanescentes et des ondes pénétrant en surface sont les mêmes. L'un des facteurs les plus importants lors de la détermination de cet angle est l'indice de réfraction moyen à travers lequel la résonance est générée. Une couche métallique est souvent utilisée lors du processus de fabrication des capteurs SPR conventionnels. L'or (Au)7 ou l'argent (Ag)8 sont des ingrédients typiques de ce revêtement. Pour construire des capteurs SPR capables de maintenir des plasmons, plusieurs métaux différents, tels que l'argent, l'or, l'indium, l'aluminium et le sodium, sont utilisés. Les plasmons sont même capables d'exister dans le sodium dans des circonstances appropriées. Une large gamme de métaux, notamment le cuivre, l'argent, l'indium, l'or, l'aluminium et le sodium, sont utilisés pour construire des capteurs SPR capables de maintenir des plasmons. Les plasmons sont théoriquement capables d'exister dans le sodium, dans de bonnes conditions. En raison de sa stabilité, de sa biocompatibilité et de sa sensibilité améliorées, l’or a largement remplacé l’argent comme matériau de choix pour les capteurs SPR ces dernières années9,10,11. Historiquement, l’argent était souvent utilisé dans ces détecteurs. L’une des nombreuses façons dont l’or surpasse l’argent est sa sensibilité accrue. D’un autre côté, l’argent peut être utilisé pour recouvrir une couche avancée, ralentissant ainsi le rythme de l’oxydation dans cette couche9,10,11. L'intensité relative (RI) de l'analyte avant et après le contact est comparée par les chercheurs dans le cadre de leur enquête sur l'impact des interactions biomolécules sur la sensibilité du capteur. Pour que la résonance du plasmon de surface ait lieu, il est nécessaire que l'onde évanescente générée par la lumière TM soit en phase avec l'onde du plasmon de surface (SP) (SPR). Le profil de réflectance peut diminuer si tous ces critères se réalisent. L'angle exact auquel la réflectance commence à diminuer dépend de plusieurs facteurs différents12,13,14,15. Ces facteurs incluent le type de prisme utilisé, la longueur d’onde de la lumière incidente, les matériaux, le métal et la manière dont les biomolécules étaient liées. Lors de l'évaluation des performances d'un capteur SPR en termes de capacités de détection, la courbe de réflectance est le principal instrument utilisé pour l'évaluation. Un capteur basé sur la résonance plasmonique de surface a le potentiel d’identifier des biomolécules dans un échantillon liquide. Une fois que les biomolécules se fixent à une surface métallique, elles produisent une couche avec un RI plus élevé que celui de l’eau. Si nous analysons un échantillon, nous pouvons voir que l’angle de résonance change. Le degré d'adsorption a un impact sur la capacité du capteur à identifier les biomolécules en présence de bruit de fond. Par conséquent, lors de la construction de capteurs basés sur SPR, il est essentiel de prendre en compte le type de surface sur laquelle les biomolécules sont adsorbées. La création de biocapteurs dépend fortement d'un réglage fin, qui peut être réalisé en partie en appliquant des matériaux à transition de phase tels que le GST16. Le GST faisant désormais partie du biocapteur, il est possible d’apporter des modifications plus nuancées à l’absorbeur et au capteur. Il a été démontré17 que des absorbeurs insensibles à la polarisation pouvaient être produits en utilisant des métasurfaces GST comme composant actif. D’un autre côté, des recherches ont montré que la GST pouvait améliorer les performances des dispositifs plasmoniques18. Le type de matériau de transition de phase le plus courant, le GST, peut basculer entre une forme amorphe (aGST) et un état cristallin (cGST) selon les circonstances. Ces états ont des caractéristiques optiques et électriques uniques, ce qui en fait un matériau attrayant pour une utilisation dans une grande variété d'applications, notamment le stockage de données, les capteurs et les dispositifs logiques19. La création de biocapteurs pouvant être utilisés dans des applications de détection et de commutation peut bénéficier de l'utilisation de matériaux à changement de phase modifiables. En raison de la nature intense de son interaction avec la lumière, la GST est devenue un élément essentiel du développement des technologies nanophotoniques et nanoplasmoniques20. Contrairement à son état amorphe, la forme cristalline du GST peut absorber la lumière17. Lors de la fabrication de biocapteurs utilisant la GST, l’ajout d’or dans l’espace entre la couche métallique et le réseau métallique entraînera une sensibilité accrue et une durée de vie plus longue21. Le nitrure de silicium (Si3N4) et le dioxyde de silicium (SiO2) produits thermiquement ont dominé le marché de l'utilisation comme grilles de transistors dans les transistors à effet de champ au cours des dernières décennies22,23. Cependant, les biocapteurs conventionnels sont construits à partir de silicium semi-conducteur. Lorsque l'épaisseur du semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) avec les dispositifs à base de matériau SiO2 diminue, une fuite élevée d'oxyde de grille devient plus visible car la fiabilité de la couche est diminuée.