Numerische Analyse von Hafniumoxid und Phasenwechselmaterial

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7698 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir berichten über die Ergebnisse einer numerischen Untersuchung eines Phasenübergangsmaterials und eines Hafnium(IV)-Oxid-basierten Brechungsindexsensors mit einem breiten Spektralbereich, der sowohl den sichtbaren als auch den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums umfasst. Der Sensor basiert auf Hafnium(IV)-Oxid und einem Phasenübergangsmaterial (HfO2). Es werden dreischichtige Versionen der vorgeschlagenen Struktur untersucht; Jede Konfiguration besteht aus abwechselnden Schichten von HfO2, Siliziumdioxid, Ge2Sb2Te5(GST) und Silber. Die drei verschiedenen Anordnungen wurden alle untersucht. Das Reflexionsverhalten solcher mehrschichtiger Strukturen wird in diesem Manuskript für Brechungsindizes im Bereich von 1 bis 2,4 diskutiert. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie sich die unterschiedlichen Höhen der Materialien auf die Gesamtleistung der Struktur auswirken. Schließlich haben wir mehrere Formeln für Resonanzspuren bereitgestellt, die zur Berechnung des Erfassungsverhaltens über einen bestimmten Wellenlängenbereich und Brechungsindexwerte verwendet werden können. Die entsprechenden Gleichungen sind unten aufgeführt. Wir haben im Rahmen dieser Untersuchung zahlreiche Gleichungsspuren berechnet, um die Wellenlängen- und Brechungsindexwerte zu berechnen. Zur Analyse der vorgeschlagenen Struktur können rechnerische Methoden verwendet werden, die bei der Entwicklung von Biosensoren zum Nachweis einer Vielzahl von Biomolekülen und Biomarkern wie Speichel-Cortisol, Urin, Glukose, Krebs und Hämoglobin hilfreich sein könnten.

Lebensmittelsicherheit, Krankheitsdiagnose, Arzneimittelauswahl und Enzymerkennung sind Bereiche, in denen Biosensoren in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht haben1,2. Diese Sensoren nutzen alle Arten von Sensortechniken und -geräten. Eine dieser Methoden ist die Messung des Brechungsindex, der zur Identifizierung verschiedener chemischer und biologischer Eigenschaften verwendet werden kann. Dissipierende Ladungsdichteschwankungen an der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche sind Oberflächenplasmonen (SPs). Das elektrische Feld eines Metalls verschlechtert sich immer schneller, wenn es Luft und Wasser ausgesetzt wird. Die Stimulierung von SPs ist ein potenzieller erster Schritt zur Erzeugung TM-polarisierter Wellen aus natürlich vorkommenden Materialien. Plasmonische Geräte können die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) als Mechanismus3,4,5 nutzen, um verschiedene chemische und biosensorische Aufgaben zu erfüllen. Die SPR-Technik ermöglicht die erfolgreiche Ausführung solcher Programme. Diese Technologie wird in vielen Bereichen eingesetzt, darunter in der Lebensmittelanalytik, bei Arzneimitteltests und in der medizinischen Diagnostik. Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile sind SPR-Sensoren und andere moderne Sensormethoden heute auf dem neuesten Stand der Technik für den Einsatz in Sensoranwendungen. Das ideale Sensorsystem, das wir entwickeln könnten, wäre empfindlich, reaktionsschnell und kennzeichnungsfrei, so dass es auf jeder Plattform Echtzeit-Sensorik durchführen könnte. In der Arbeit verwenden die Autoren einen modifizierten Kretschmann-Apparat und abgeschwächte Totalreflexionsspektroskopie, um SPs anzuregen. Bei einer typischen Kretschmann-Erfindung ist ein hochbrechendes Prisma mit einer dünnen Metallschicht überzogen6. Das Aufprallphänomen tritt auf, wenn eine TM-Welle einer bestimmten Wellenlänge mit einem Prisma in einem Einfallswinkel in Kontakt kommt, der größer als der kritische Winkel zwischen Metall und Prisma an der Grenzfläche ist. Die Metallschicht muss mit dem zu messenden dielektrischen Medium in Kontakt bleiben. Wenn die Energie einer Eingangswelle eine dünne Metallschicht durchdringt, wird sie im Metall in eine Oberflächenplasmonwelle umgewandelt. Dies führt zur Entstehung sogenannter Oberflächenplasmonwellen (SP-Wellen) an der Grenzfläche zwischen einem Dielektrikum und den Metallschichtgrenzen. Dies liegt daran, dass die Welle das Metall durchdringen muss, um an ihr Ziel zu gelangen. Dies geschieht, weil die Welle das Metall durchdringen muss, bevor sie ihr Ziel erreicht. Das von der Basis eines Prismas reflektierte Licht ist am schwächsten, wenn das Licht in einem bestimmten Winkel in das Prisma eintritt. Der Begriff „Resonanzwinkel“ wird üblicherweise für diesen bestimmten Winkelwert verwendet. Daraus können wir schließen, dass die Ausbreitungskonstanten für evaneszente Wellen und oberflächendurchdringende Wellen gleich sind. Einer der wichtigsten Faktoren bei der Bestimmung dieses Winkels ist der mittlere Brechungsindex, durch den die Resonanz erzeugt wird. Im Herstellungsprozess herkömmlicher SPR-Sensoren wird häufig eine Metallschicht verwendet. Gold (Au)7 oder Silber (Ag)8 sind typische Bestandteile dieser Beschichtung. Um SPR-Sensoren zu konstruieren, die Plasmonen aufrechterhalten können, werden verschiedene Metalle wie Silber, Gold, Indium, Aluminium und Natrium verwendet. Plasmonen können unter geeigneten Umständen sogar in Natrium existieren. Zur Herstellung von SPR-Sensoren, die Plasmonen aufrechterhalten können, wird eine breite Palette von Metallen verwendet, darunter Kupfer, Silber, Indium, Gold, Aluminium und Natrium. Unter den richtigen Bedingungen können Plasmonen theoretisch in Natrium existieren. Aufgrund seiner verbesserten Stabilität, Biokompatibilität und Empfindlichkeit hat Gold in den letzten Jahren Silber als Material der Wahl für SPR-Sensoren weitgehend ersetzt9,10,11. In der Vergangenheit wurde in diesen Detektoren häufig Silber verwendet. Eine der vielen Möglichkeiten, warum Gold Silber übertrifft, ist seine erhöhte Empfindlichkeit. Andererseits kann Silber zum Abdecken einer fortgeschrittenen Schicht verwendet werden, wodurch die Oxidationsgeschwindigkeit in dieser Schicht verlangsamt wird9,10,11. Die relative Intensität (RI) des Analyten vor und nach dem Kontakt wird von Forschern im Rahmen ihrer Untersuchung der Auswirkungen von Biomolekülinteraktionen auf die Sensorempfindlichkeit verglichen. Damit eine Oberflächenplasmonenresonanz stattfinden kann, muss die vom TM-Licht erzeugte evaneszente Welle mit der Oberflächenplasmonenwelle (SP) (SPR) in Phase sein. Das Reflexionsprofil kann sich verringern, wenn alle diese Kriterien erfüllt sind. Der genaue Winkel, bei dem das Reflexionsvermögen abzunehmen beginnt, hängt von mehreren verschiedenen Faktoren ab12,13,14,15. Zu diesen Faktoren gehören die Art des verwendeten Prismas, die Wellenlänge des einfallenden Lichts, die Materialien, das Metall und die Art und Weise, wie Biomoleküle gebunden wurden. Bei der Bewertung der Leistung eines SPR-Sensors im Hinblick auf seine Erfassungsfähigkeiten ist die Reflexionskurve das Hauptinstrument für die Bewertung. Ein auf Oberflächenplasmonenresonanz basierender Sensor hat das Potenzial, Biomoleküle in einer flüssigen Probe zu identifizieren. Sobald sich Biomoleküle an einer Metalloberfläche anlagern, bilden sie eine Schicht mit einem höheren RI als Wasser. Wenn wir eine Probe analysieren, können wir sehen, dass sich der Resonanzwinkel ändert. Der Grad der Adsorption beeinflusst die Fähigkeit des Sensors, Biomoleküle bei Hintergrundrauschen zu identifizieren. Daher ist es bei der Konstruktion von SPR-basierten Sensoren wichtig, die Art der Oberfläche zu berücksichtigen, auf der Biomoleküle adsorbiert werden. Die Entwicklung von Biosensoren hängt in hohem Maße von der Feinabstimmung ab, die teilweise durch den Einsatz von Phasenübergangsmaterialien wie GST16 erreicht werden kann. Da GST nun Teil des Biosensors ist, ist es möglich, differenziertere Modifikationen am Absorber und am Sensor vorzunehmen. Es wurde gezeigt17, dass polarisationsunempfindliche Absorber durch den Einsatz von GST-Metaoberflächen als aktive Komponente hergestellt werden können. Andererseits haben Untersuchungen gezeigt, dass GST die Leistung plasmonischer Geräte steigern kann18. Die gebräuchlichste Art von Phasenübergangsmaterial, GST, kann je nach den Umständen zwischen einer amorphen Form (aGST) und einem kristallinen Zustand (cGST) wechseln. Diese Zustände verfügen über einzigartige optische und elektrische Eigenschaften, was sie zu einem attraktiven Material für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen macht, einschließlich Datenspeicherung, Sensoren und logischen Geräten19. Die Entwicklung von Biosensoren, die in Sensor- und Schaltanwendungen eingesetzt werden können, kann von der Verwendung modifizierbarer Phasenwechselmaterialien profitieren. Aufgrund der intensiven Natur seiner Wechselwirkung mit Licht hat sich GST zu einer entscheidenden Komponente bei der Entwicklung nanophotonischer und nanoplasmonischer Technologien entwickelt20. Im Gegensatz zu seinem amorphen Zustand kann die kristalline Form von GST Licht absorbieren17. Bei der Herstellung von Biosensoren mit GST führt die Zugabe von Gold in den Spalt zwischen der Metallschicht und dem Metallgitter zu einer erhöhten Empfindlichkeit und einer längeren Lebensdauer21. Thermisch hergestelltes Siliziumnitrid (Si3N4) und Siliziumdioxid (SiO2) haben in den letzten Jahrzehnten den Markt für die Verwendung als Transistor-Gates in Feldeffekttransistoren dominiert22,23. Herkömmliche Biosensoren bestehen jedoch aus halbleitendem Silizium. Wenn die Dicke des komplementären Metalloxidhalbleiters (CMOS) bei Bauelementen auf der Basis von SiO2-Material abnimmt, macht sich ein hoher Gate-Oxid-Leckstrom deutlicher bemerkbar, da die Zuverlässigkeit der Schicht abnimmt.

Durch Erhöhen der Dielektrizitätskonstante (K) kann die Kapazität erhöht werden, ohne die Dicke des Dielektrikums auf Leckmaße zu reduzieren. Um Alternativen zu SiO2 für die Verwendung als High-K-Gate-Materialien zu finden, wurden mehrere zusätzliche Materialien untersucht. Das beliebteste Material ist Siliziumdioxid. Zu dieser Kategorie gehören Tantalpentoxid (Ta2O5), Titandioxid (TiO2), Zirkoniumdioxid (ZrO2) und Hafniumoxid (HfO2)24,25,26. HfO2 ist eine dieser Verbindungen, die Gegenstand umfangreicher Forschung ist. HfO2 ist nach der Atomlagenabscheidung (ALD) auf Silizium thermisch stabiler als SiO2. Ebenso ist Al2O3 mit Si nach ALD27 thermisch stabiler. Dies ist ein erheblicher Unterschied zu den anderen Dielektrika mit hohem K-Wert. Daher könnte sich HfO2 als vielversprechendes High-K-Gate-Material herausstellen. Diese Eigenschaften könnten als Ladungseinfluss des Materials bei Verwendung in einem Biosensor angesehen werden. Da die auf dem Halbleiterkanal erzeugte Gate-Oxidschicht mit dem konsistenten kapazitiven Schaltverhalten des Kanals verbunden ist, sorgt die erhöhte thermische Stabilität für eine günstige Schnittstelle für die elektrische Leistung. Die Anwendung eines High-K-Materials zur Erzeugung einer hochpolaren Oberfläche kann dazu beitragen, die relative Aktivierungsenergie zu reduzieren, die für die Oberflächenfunktionalisierung erforderlich ist. Um dieses Ergebnis zu erzielen, kann ein High-K-Material eine hochpolare Oberfläche erzeugen.

Hafniumdioxid (HfO2) ist ein Metalloxid, das aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante und hervorragenden elektrischen Eigenschaften häufig bei der Herstellung von Sensoren verwendet wird28. In Oberflächenplasmonenresonanzsensoren (SPR) wird HfO2 häufig als dünne Filmbeschichtung verwendet, um die Empfindlichkeit und Stabilität des Sensors zu verbessern. Es wurden mehrere Polymorphe oder Kristallstrukturen von HfO2 identifiziert, darunter monokline, tetragonale und kubische29. Das für SPR-Sensoranwendungen am häufigsten verwendete Polymorph ist jedoch die monokline Phase, die eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist und stabiler als die anderen Phasen ist. Die Wahl des HfO2-Polymorphs kann die Leistung eines SPR-Sensors erheblich beeinflussen. Beispielsweise wird die monokline Phase aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit und Stabilität bevorzugt, während die tetragonale Phase möglicherweise eine geringere Empfindlichkeit aufweist und in dünnen Filmen anfälliger für Phasenübergänge ist30. Im Infrarotbereich von 1,2 bis 2,5 µm wird die Si-Schicht üblicherweise als Substrat für verschiedene optische und elektronische Geräte verwendet. Daher wird Hafniumdioxid (HfO2) häufig als dünne Filmbeschichtung auf Si-Substraten zur Herstellung optischer und elektronischer Geräte für den Infrarotbereich verwendet. Die monokline Phase von HfO2 wird aufgrund ihres hohen Brechungsindex und der geringen Absorption in diesem Wellenlängenbereich im Allgemeinen für die Verwendung mit der Si-Schicht im Infrarotbereich bevorzugt. Die monokline Phase von HfO2 weist außerdem eine gute thermische und mechanische Stabilität auf und eignet sich daher für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen.

Schematische Darstellungen des mehrschichtigen Brechungsindexsensors auf der Basis von Si-GST-Si-HfO2-Si-Ag-Analyten sind in Abb. 1 dargestellt. In dieser Forschung wird eine Simulation unter Verwendung der Finite-Elemente-Technik (FEM) verwendet, um und zu erstellen Bewerten Sie das vorgeschlagene Modell. Die in Abb. 1 dargestellten Sensoren wurden mit der Software COMSOL Multiphysics simuliert. Der vorgeschlagene Sensor wurde als 2D-Modell modelliert, indem Licht auf die Mehrschichtstruktur (Si-GST-Si-HfO2-Si-Ag-Analyt) einfällt, wobei periodische Randbedingungen und Ports in x- und y-Richtung in den beiden Ports verwendet wurden Modelle31. Für dieses FEM-basierte Modell haben wir ein feines, physikgesteuertes, skaliertes, kartiertes Netz verwendet, dessen Komponenten von klein bis groß reichen. Die Infrarotwelle wird von der Oberseite der Struktur angeregt, wie in Abb. 1a dargestellt. Die reflektierte Welle wird anhand der Reflexionsparameter am selben Anschluss beobachtet. Port 2 (Unterseite der Gesamtstruktur in Z-Richtung) wird verwendet, um die Durchlässigkeit durch die gesamte Elementarzellenstruktur zu identifizieren.

Mehrschichtiger abstimmbarer Brechungsindexsensor auf Basis eines Silbernanopartikel-Arrays für das Infrarot-Frequenzspektrum. (a) Dreidimensionale Ansicht des vorgeschlagenen Brechungsindexsensors aus mehrschichtigem Material auf der Basis eines Silber-Nanopartikel-Arrays. (b) Elementarzellenstruktur mit einer mehrschichtigen Struktur, gebildet mit Si-GST-Si-HfO2-Si-Ag-Analyt.

Eine Elementarzelle wird typischerweise mit kristallinen Strukturen in Verbindung gebracht, da sie sich auf die sich wiederholende Einheit eines Kristallgitters bezieht32,33. Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Konzept nicht auf andere Strukturen oder Systeme angewendet werden kann. Im Zusammenhang mit Wellenleitersensoren ist es möglich, eine Elementarzelle als die grundlegende, sich wiederholende Struktur zu definieren, die den Sensor bildet. Viele Forscher nutzen diese Technik zum besseren Verständnis. Dies könnte die Geometrie und Abmessungen des Wellenleiters sowie alle Materialien oder Beschichtungen umfassen, die zur Verbesserung seiner Erfassungsfähigkeiten verwendet werden. Durch das Verständnis der Eigenschaften der Elementarzelle ist es möglich, das Verhalten des Sensors als Ganzes vorherzusagen. Die Eigenschaften der Metallschicht, einschließlich ihrer Dicke und optischen Eigenschaften, sowie die Abmessungen und die Geometrie des Wellenleiters selbst können alle als Teil der Elementarzelle betrachtet werden. Durch das Verständnis, wie sich Änderungen dieser Eigenschaften auf die SPR-Reaktion des Sensors auswirken, ist es möglich, den Sensor für bestimmte Sensoranwendungen zu entwerfen und zu optimieren. Durch Variation der Dicke der Metallschicht innerhalb der Elementarzelle ist es beispielsweise möglich, die SPR-Reaktion des Sensors auf unterschiedliche Lichtwellenlängen abzustimmen. Es kann verschiedene Analyten oder Moleküle in einer Probe selektiv nachweisen. Ebenso kann die Optimierung der Geometrie des Wellenleiters innerhalb der Elementarzelle die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors verbessern, was zu verbesserten Nachweisgrenzen und Genauigkeit führt. Abbildung 1a zeigt die vorgeschlagene dreidimensionale Ansicht der vorgeschlagenen Struktur. Abbildung 1b zeigt die Elementarzellenstruktur mit der Notation der Dimension. Diese mehrschichtige Struktur wird numerisch in zweidimensionaler Geometrie untersucht, wobei die Randbedingungen periodische Randbedingungen sind. Von der Oberseite der vorgeschlagenen Struktur wird eine optische Infrarotwelle eingestrahlt. Die Höhenwerte werden auf hS1 = hS2 = hS3 = 40 nm, hGST = 60 nm, hf = 60 nm und hAg = 40 nm eingestellt. Die Elementarzellendimension L ist auf 200 nm festgelegt. Wir haben für alle Materialien die Sandwich-Schicht des Siliciumdioxids in Betracht gezogen, da es einfach ist, den Großteil des neuartigen Materials auf einem Standard-Siliciumdioxidsubstrat wachsen zu lassen.

Das elektrische Feld zeigt eine starke Diskontinuität entlang der Oberflächennormalen, wenn freie Elektronen, die durch einfallendes Licht verursacht werden, mit einer metallischen Oberfläche in Kontakt mit einem Dielektrikum koppeln. Dies liegt daran, dass die Bewegung der freien Elektronen der Oberflächennormalen widerspricht. Da die E-Komponente s-polarisierter Wellen im TE-Modus senkrecht zur Oberflächennormalen verläuft, können diese Wellen keine Oberflächenplasmonen unterstützen, die p-polarisiert sind (TM-Modus). Daher können die elektromagnetischen Komponenten des p-polarisierten einfallenden Lichts wie folgt dargestellt werden (unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2):

Durch die Integration der vorangehenden Gleichungen in die Maxwell-Gleichungen unter geeigneten Randbedingungen34 erhalten wir die Gleichung zur Herstellung der Resonanz, bezeichnet mit Gl. (3) unten.

In diesem Ausdruck stellt c die Lichtgeschwindigkeit dar, λ ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts, die Winkelfrequenz wird als \(\omega\) bezeichnet, der Einfallswinkel wird als θRES bezeichnet, \({\varepsilon }_{p }\) die Permittivität des Prismas, \({\varepsilon }_{m}\) die des Metalls und \({\varepsilon }_{a}\) die des umgebenden Mediums. Die obige Gleichung kann reduziert werden auf \({k}_{x}=2\pi /{\lambda }_{0}{n}_{p}\mathrm{sin}\theta =\mathrm{Re}\ left\{{k}_{SP}\right\}\)35. In dieser Gleichung stellt kx den Wellenvektor in x-Richtung dar, np stellt den Brechungsindex des Prismas dar, θ stellt den Einfallswinkel dar, λ0 stellt die Wellenlänge im Vakuum dar und \(\mathrm{Re}\left\{{k }_{SP}\right\}\) gibt die Realkomponente des SP-Wellenvektors in x-Richtung an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche an. Um die bestmögliche Leistung zu erzielen, ist eine Siliziumschicht mit einer Dicke von hS1=h S2= hS3 = 40 µm erforderlich. Der Brechungsindex des Siliziums wird mithilfe der Sellmeir-Gleichung bestimmt, die wie folgt lautet: Gl. (4)

Dabei ist λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts und wird im µm-Bereich gemessen. Die spektralen Eigenschaften eines bestimmten Metallstücks können durch die Verwendung von zwei verschiedenen Parametern charakterisiert werden: der Plasmawellenlänge (\({\lambda }_{\rm{p}}\)) und der Kollisionswellenlänge (\({\ lambda }_{\rm{cb}}\)). Genauer gesagt ist die Plasmawellenlänge die Wellenlänge, die der Frequenz der Elektronendichteschwankungen im Metall entspricht. Da Elektronendichteschwankungen durch Kollisionen zwischen Elektronen im Metallvolumen gedämpft werden, wird die entsprechende Wellenlänge als Kollisionswellenlänge bezeichnet. Die Formel zur Bestimmung der Plasmawellenlänge ist in Gl. (5) und es lautet wie folgt:

Die Formel zur Berechnung der Kollisionswellenlänge, die oben als Gl. (6) lautet wie folgt:

In dieser Gleichung repräsentiert \(N\) die Konzentration der Elektronen, \(e\) repräsentiert die Ladung eines Elektrons, \(c\) repräsentiert die Lichtgeschwindigkeit, \({\varepsilon }_{0}\) stellt die Permittivität des Vakuums dar, \({v}_{\rm{f}}\) stellt die Geschwindigkeit der Elektronen bei der Fermi-Energie dar, \(m\) stellt die Masse eines Elektrons dar und Rbulk stellt die mittlere freie Weglänge dar von Leitungselektronen bei der Fermi-Energie. Es ist notwendig, ein einfaches und genaues Modell zu untersuchen, um das bestmögliche Ergebnis bei der Betrachtung der Leitfähigkeit des Metalls zu erzielen. Das Lorentz-Drude-Modell ist eine Methode zum Verständnis der elektromagnetischen Eigenschaften von Metallen, die auf der klassischen Mechanik basiert. Dieses Modell basiert auf drei wesentlichen Annahmen zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Metallen. Diese Methode führt zu einer genauen Darstellung von Metallen wie Gold, Silber und Aluminium. Das Lorentz-Drude-Modell ist die praktischste Wahl zur Parametrisierung der optischen Konstanten des Metalls36. Sowohl gebundene als auch freie Elektronen beeinflussen die für metallische Medien typischen optischen Eigenschaften. Infolgedessen werden der Lorentz-Term für den Interband-Übergang und die Drude-Komponente für den Intraband-Effekt beide in Form des Drude-Lorentz-Modells innerhalb der ihnen entsprechenden komplexen dielektrischen Permittivität berücksichtigt 37. Gemäß dem Drude-Modell für freie Elektronen , kann die komplexe Dielektrizitätskonstante des Metalls anhand der Plasma- und Kollisionswellenlänge unter Verwendung der in Gleichung (1) bereitgestellten Formel dargestellt werden. (7)38. Dies wurde durch Ausdrücken in Form der Plasmawellenlänge ermittelt.

Dabei ist λ eine bestimmte Wellenlänge aus dem angestrebten Wellenlängenbereich, λp die Wellenlänge der plasmonischen Resonanz und \({\lambda }_{\rm{cb}}\) die Wellenlänge, bei der die beiden Wellen auftreten kollidieren. Die Werte 1,4541 × 10–7 m und 1,7614 × 10–5 m wurden aus den in 39,40 verfügbaren Daten extrahiert. Für die plasmonische bzw. Kollisionswellenlänge, für den richtigen Wellenlängenbereich und das spezifische Silbermetall. Diese Werte wurden abgeleitet. Die Gleichung, die verwendet wird, um den Brechungsindex zu erhalten, wenn mit diesen Informationen begonnen wird, ist in Gleichung angegeben. (8).

Die Brechungsindizes von PCM, wie aGST und cGST, wurden als Funktion der Frequenz berechnet. Der Realteil von aGST liegt im Bereich von 2,6 bis 4,6 und der Imaginärteil im Bereich von 0 bis 2,4 für den Bereich von 100 bis 800 THz. Ebenso liegt der Realteil von cGST im Bereich von 2,25 bis 7,16 und der Imaginärteil von 0 bis 4,1 im Bereich von 100 bis 800 THz. Die relativen Daten werden aus den in41 verfügbaren Daten berücksichtigt.

Nach Beobachtung der elektrischen Verteilung anhand der FEM-Methode in der Physiksoftware COMSOL können die Strahlungseigenschaften der Multischichten des Biosensors, wie z. B. Reflexionsgrad und Transmissionsgrad, mithilfe einer von drei Methoden berechnet werden: der Transfermatrixmethode, der Feldverfolgungsmethode oder der resultierenden Welle Methode. Der Transfermatrix-Ansatz ist die genaueste dieser Methoden, da er nicht auf Näherungen beruht. Daher werden wir die Transfermatrix-Methode (TMM) auf den Biosensor anwenden, um die Leistungsmerkmale der vorgeschlagenen Mehrschichtstruktur für paralleles Polarisationslicht zu untersuchen, das von der Oberseite der Z-Achse im Zwei-Port-Modell ankommt, wie beispielsweise das Reflexionsvermögen. Dies geschah, damit wir mehr über diese Funktionen erfahren konnten. Wir wenden die in Gl. angegebenen Randbedingungen an. (9)42, was zu der folgenden Matrixgleichung führt, die die Wechselbeziehung zwischen dem tangentialen elektrischen Feld und den Magnetfeldkomponenten an der Grenze der ersten Schicht bzw. der Grenze der letzten Schicht darstellt.

E1 und EN-1 sind elektrische Feldkomponenten und H1 und HN-1 sind magnetische Feldkomponenten für die Schichten 1 bzw. N. Gleichung (10) stellt die weiter vereinfachte T-Matrix43 dar. Um die Transfermatrix zu erstellen, müssen die Phasenverschiebungs- und Admittanzwerte für jede Schicht mithilfe der in Gleichung (1) dargestellten Formel berechnet werden. (11) 44.

Dabei sind qm und βm die Admittanz bzw. Phasenverschiebung der m-ten Schicht. Um diese zu bestimmen, müssen bestimmte Parameter bekannt sein, wie z. B. nm, der für den Brechungsindex der m-ten Schicht steht, und dm, der sich auf den bezieht Dicke der m-ten Schicht, np, was für den Brechungsindex des Prismas steht, und in, was für den Einfallswinkel des Prismas steht. Für den N-Schicht-Oberflächenplasmonensensor muss bei der Berechnung der Gesamtreflexion die Gesamtheit dieser Reflexionen berücksichtigt werden, da an der Grenzfläche jeder Schicht abhängig vom einfallenden Licht am Prisma und der ersten Schicht unterschiedliche Reflexionen entstehen. Diese Reflexionen sind voneinander abhängig. Im N-Schicht-Modell kann eine P-polarisierte Welle, die sich durch die aufeinanderfolgenden Schichten ausbreitet, durch die Transfermatrix charakterisiert werden, wie in Gleichung (1) angegeben. (12). Bei weiteren mathematischen Vereinfachungen wird der Reflexionskoeffizient für das p-polarisierte einfallende Licht im vorgeschlagenen N-Schicht-Biosensor wie folgt berechnet: (13).

Schließlich wird der Reflexionsgrad der Mehrschichtstruktur ausgedrückt als \({R}_{p}={\left|{r}_{p}\right|}^{2}.\) Wir haben den Vorschlag numerisch untersucht mehrschichtige Struktur mit der COMSOL Multiphysics-Software. Zunächst legen wir die Höhenwerte aller Strukturen auf 40 nm fest. Die berechneten Reflexionswerte des Reflexionsanschlusses für die verschiedenen Brechungsindexwerte sind in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2a zeigt die Variation des Reflexionsvermögens für die Analyt-Ag-Si-HfO2-Si-GST-Si-Schichtstruktur unter Berücksichtigung des aGST als Phase des GST für RI-Werte von 1 bis 2,4. In ähnlicher Weise zeigt Abb. 2b die berechnete Variation des Reflexionsgrads der vorgeschlagenen Struktur für die cGST-Phase. In beiden Abbildungen haben wir insgesamt 20 Spurengleichungen (P1–P20) der minimalen Reflexionswerte identifiziert. Die bemerkenswerte Wellenlängenverschiebung auf beiden Phasen des GST-Materials wird auch in der gesamten spektralen Reaktion beobachtet. Der Einfluss der HfO2-Schicht auf das Gesamtreflexionsspektrum für die RI-Werte von 1 bis 2,4 wird ebenfalls untersucht und in Abb. 3a, b dargestellt. Abbildung 3a zeigt die Variation des Reflexionsgrads für das gesamte Wellenlängenspektrum und das Brechungsindexspektrum für die Analyt-Ag-Si-GST-Si-Struktur im aGST-Phasenzustand des GST-Materials. In ähnlicher Weise zeigt Abb. 3b die Variation des Reflexionsgrads für die cGST-Phasenbedingungen des GST-Materials für die Analyt-Ag-Si-GST-Si-Schichtstruktur. Wir haben die insgesamt 18 Reflexionsspuren (E1 bis E18) für die spezifischen Werte der Wellenlängen- und Brechungsindexbereiche identifiziert. Die abgeleiteten Spuren mit ihrem Wellenlängenbereich, Brechungsindexbereich und einer quadratischen Gleichung in Tabelle 1 für die Analyt-Ag-Si-HfO2-Si-GST-Si-Schichtstruktur. In ähnlicher Weise ist die abgeleitete quadratische Gleichung für die Analyt-Ag-Si-GST-Si-basierte Struktur in Tabelle 2 dargestellt. Wir können diese Gleichung verwenden, um den Biosensor zu entwerfen, bei dem die verschiedenen Brechungsindexanalyten unterschiedliche Resonanzpeaks bei unterschiedlichen Wellenlängenwerten zeigen. Dieser Sensor kann bei der Entwicklung von Infrarot-Biosensoren zum Nachweis von Ethanol, Wasser, Glukose, Urin45, Biotin-Streptavidin, Fibrinogen 46,47 und Hämoglobin 46,47 verwendet werden. Der Wert des Brechungsindex dieses Biomoleküls liegt je nach Konzentration der Biomarker im Wesentlichen zwischen 1 und 1,7.

Reflexionsverhalten für die unterschiedliche (a) aGST-Phase und (b) cGST-Phase des Phasenwechselmaterials. Die mit P1 bis P20 gekennzeichneten Spuren sind die mögliche quadratische Gleichung zur Identifizierung der Empfindlichkeit für den spezifischen Bereich des Brechungsindex und der Wellenlänge. Die bei dieser Reaktion gebildete Schichtstruktur ist Analyt – Ag – Si – HfO2 – Si – GST – Si.

Berechnete Reflexionsreaktion für die (a) aGST-Phase und (b) cGST-Phase von GST in Abwesenheit von HfO2-Material. Die bei dieser Reaktion gebildete Schichtstruktur ist Analyt – Ag – Si – GST – Si. Darüber hinaus wird in den E1–E18-Kurven eine vorgeschlagene quadratische Gleichung zur Bestimmung der Empfindlichkeit über einen bestimmten Bereich von Brechungsindex und Wellenlänge gezeigt.

Die vergleichende Analyse verschiedener Schichtstrukturen ist in Abb. 4 für die HfO2-GST- und nur GST-basierte Strukturen dargestellt. Die Änderung des Reflexionsgrads für das berechnete Infrarotspektrum für die HfO2-GST-Materialstruktur ist in Abb. 4a dargestellt. In ähnlicher Weise kann die Reflexionsstruktur nur für die GST-basierte Struktur in Abb. 4b gezeigt werden. Der Brechungsindex für diese Berechnung ist für beide Diagramme auf 2,1 festgelegt. Die detaillierte Wellenlängenverschiebung für beide Strukturen ist in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6. Wir haben die sechs Wellenlängenverschiebungsdiagramme für die HfO2-GST-Struktur und acht nur GST-basierte Strukturen hervorgehoben. In der HfO2-GST-basierten Struktur wird die maximale Wellenlängenverschiebung von 100 nm zwischen 1,52 und 1,62 µm der Bande beobachtet, wie in Abb. 5d dargestellt. Die minimale Wellenlänge von 1 nm wird im Betriebsband von 0,79 bis 0,83 µm beobachtet. In ähnlicher Weise wird nur für den GST-basierten Brechungsindexsensor eine maximale Wellenlängenverschiebung von 110 nm zwischen 1,25 und 1,4 µ des Wellenlängenspektrums beobachtet, wie in Abb. 6e dargestellt. Die minimale Wellenlängenverschiebung von 20 nm wird zwischen dem 8,4- und 8,9-µm-Band beobachtet, wie in Abb. 6b dargestellt. Insgesamt ist zu beobachten, dass die Änderung der Phase des GST-Materials (aGST–cGST) die gesamte Wellenlängenverschiebung über das berechnete Wellenlängenspektrum bewirkt, was letztendlich zur Abstimmbarkeit des gesamten Brechungsindexsensors führt. Die Temperatur des GST-Materials kann mithilfe einer externen Wärmequelle, beispielsweise einer integrierten Heizstruktur, gesteuert werden, um die Abstimmbarkeit dieser photonischen Geräte zu erreichen. Der Einfluss verschiedener physikalischer Parameter auf das Reflexionsverhalten des Sensors wird berechnet und in den Abbildungen dargestellt. 7 und 8. Abbildung 7a, b zeigen die Variation des Reflexionsgrads für die verschiedenen Phasen des GST-Materials und Werte der GST-Höhe. Es wurde festgestellt, dass eine erhebliche Abhängigkeit von der Höhe des GST-Materials besteht. Die unterschiedliche Streureaktion in der aGST-Phase wird auch für die verschiedenen Höhenwerte beobachtet. Für diese Berechnung werden die Werte von Silica und HfO2 bei 40 nm gehalten. Wir können die positive und negative Steigung der Wellenlänge und der GST-Höhe beobachten, wie in Abb. 7b dargestellt. Der Effekt der GST-Höhe ist bei > 1,3 µm des Wellenlängenspektrums stärker ausgeprägt. Der Einfluss der Silikathöhe auf die Brechungsleistung ist in Abb. 7c, d dargestellt. Abbildung 7c, d zeigen die Variation der Reflexionsamplitude für die aGST/cGST-Phase. Die Variation der Silica-Höhe ermöglicht es uns, den Wafer für die Entwicklung des oberen Schichtwachstums von GST/HfO2/Ag auszuwählen. In ähnlicher Weise ist der Effekt der HfO2-Schicht in Abb. 7e, f für die aGST- bzw. cGST-Struktur dargestellt. Sowohl bei Siliziumdioxid als auch bei HfO2 hängen die Reflexionswerte aufgrund der Lichteinfangintensität dieser Schichten stark von der Höhe ab.

Vergleichende Analyse der Reflexionsreaktion, die (a) mit HfO2 und (b) ohne SPR-Brechungsindexsensor auf HfO2-Schichtbasis erzeugt wurde. Die Variation in beiden Schichtstrukturen wird für die beiden Phasen (aGST/cGST) des Phasenwechselmaterials dargestellt.

(a–f) Vergleichsdiagramme zur Identifizierung der Wellenlängenverschiebung, während das Phasenänderungsmaterial seinen Zustand von amorph zu kristallin (aGST zu cGST) ändert. Die Antwort wird für den spezifischen Wellenlängenbereich dargestellt, in dem die Reflexionswerte minimal sind. Die Reaktion wird für die Struktur mit Schichten der SPR-Struktur als Analyt – Ag – Si – HfO2 – Si – GST – Si generiert.

(a–h) Vergleichsdiagramme zur Identifizierung der Wellenlängenverschiebung, während das Phasenänderungsmaterial seinen Zustand von amorph zu kristallin (aGST zu cGST) ändert. Die Antwort wird für den spezifischen Wellenlängenbereich dargestellt, in dem die Reflexionswerte minimal sind. Die Reaktion wird für die Struktur mit Schichten der SPR-Struktur als Analyt – Ag – Si – GST – Si generiert.

Berechnetes Reflexionsverhalten für die unterschiedlichen Höhen der Materialschichten. Variation des Reflexionsgrads für verschiedene Höhenwerte von (a) GST, (c) Silica und (e) HfO2 für die aGST-Phase des Phasenwechselmaterials. Variation des Reflexionsgrads für verschiedene Höhenwerte von (b) GST, (d) Silica und (f) HfO2 für die cGST-Phase des Phasenwechselmaterials.

Berechnete Reflexionsreaktion für die verschiedenen Werte der Resonatorhöhe (hAg) für (a) aGST- und (b) cGST-Phase des GST-Materials. Die Auswirkung auf das Reflexionsvermögen während einer Änderung des Einfallswinkels der Eingangswellen für (a) aGST und (b) cGST des Phasenänderungsmaterials.

Der obere Ag-Resonator erzeugt das Dipolmoment im vorgeschlagenen Brechungsindexsensor, um das Licht einzufangen. Abbildung 8a, b zeigen jeweils den Einfluss auf das Reflexionsvermögen für die unterschiedlichen Höhenwerte der Silberresonatoren für die aGST-Phase und die cGST-Phase des Materials. In dieser Antwort wurde festgestellt, dass es einige subtile Unterschiede zwischen der aGST-Phase und der cGST-Phase gibt. Während Höhenänderungen für einzelne Phasen auch geringfügige Änderungen für diese Parameter zeigen. In einigen Wellenlängenpunkten ist die Resonanzwellenlänge im Vergleich zu anderen physikalischen Parameteränderungen nicht wesentlich verschoben. Die Auswirkung des schrägen Einfallswinkels auf die Gesamtleistung des Reflexionsvermögens ist in Abb. 8c, d dargestellt. Es wurde beobachtet, dass der Winkel von der Reaktion für die spezifischen Resonanzpunkte abhing. In Abb. 8c wird die konstante Reflexionsreaktion bei 1,5 µm für die aGST-Phase des GST-Materials beobachtet. Ebenso ein konstantes Reflexionsvermögen bei 1,6 µm für die cGST-Phase des Materials.

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen das normalisierte elektrische Feld, das für die aGST- und cGST-Phasen der Analyt-Ag-Si-HfO2-Si-GST-Si-Schichtstruktur verantwortlich ist. Diese Zahlen werden mit der Finite-Elemente-Methode in der Multiphysik-Software COMSOL mit periodischer Randmodusanalyse und Hafenbedingungen simuliert. Abbildung 9 zeigt die Resonanzpunkte bei 0,84 µm, 0,94 µm, 1,125 µm, 1,373 µm, 1,52 µm, 1,82 µm und 2,26 µm für die aGST-Phase. In ähnlicher Weise zeigt Abb. 10 die verschiedenen Resonanzpunkte von 0,70 µm, 0,80 µm, 0,94 µm, 1,12 µm, 1,39 µm, 1,62 µm, 1,82 µm und 2,295 µm für die cGST-Phase des Materials. Die Wirkung der normalisierten elektrischen Feldinterferenz ist für die verschiedenen Punkte unterschiedlich. Die Energiekonzentration für die verschiedenen Schichtstrukturen unterscheidet sich für bestimmte Resonanzspitzen. In allen Fällen fungierte die obere Ag-Schicht als resonierender Dipol, um die spezifische Wellenlänge einzufangen, die je nach dem auf der Oberseite der Struktur platzierten Analyten unterschiedlich sein wird. Wir haben die Anpassungskurven für die vorgeschlagenen Brechungsindexsensoren für alle Gleichungsspuren P1–P20 und E1–E18 identifiziert. Die Vergleichskurve der Gleichung und ihre Verlaufskurve sind in den Abbildungen dargestellt. 11 und 12 für die aGST- und cGST-Phasen der Analyt-Ag-Si-GST-Si-Schichtstruktur. Ebenso, Abb. 13 und 14 für die aGST- und cGST-Phasen der Analyt-Ag-Si-HfO2-Si-GST-Si-Schichtstruktur. Es wird festgestellt, dass alle berechneten Kurvengleichungen mit den Spurpunkten der Reflexionswerte über den spezifischen Bereich der Wellenlänge und des Brechungsindex angepasst werden.

Änderungen der elektrischen Feldkomponente Ez für die verschiedenen Reflexionseinbrüche der aGST-Phase des vorgeschlagenen SPR-Sensors. Der Wert des Brechungsindex wird mit 1,34 angenommen.

Änderungen der elektrischen Feldkomponente Ez für die verschiedenen Reflexionseinbrüche der cGST-Phase des vorgeschlagenen SPR-Sensors. Der Wert des Brechungsindex wird mit 1,34 angenommen.

Berechnete quadratische Anpassungskurve für die Gleichung (a–i) E1–E9, abgeleitet für Änderungen des Resonanzwellenlängenpeaks und des zugehörigen Brechungsindex für die aGST-Phase des Materials. Die bei dieser Reaktion gebildete mehrschichtige Struktur ist Analyt – Ag – Si – GST – Si.

Berechnete quadratische Anpassungskurve für die Gleichung (a–i) E10–E98, abgeleitet für Änderungen des Resonanzwellenlängenpeaks und des zugehörigen Brechungsindex für die cGST-Phase des Materials. Die bei dieser Reaktion gebildete mehrschichtige Struktur ist Analyt – Ag – Si – GST – Si.

Berechnete quadratische Anpassungskurve für die Gleichung (a–i) P1–P10 E98, abgeleitet für Änderungen des Resonanzwellenlängenpeaks und des zugehörigen Brechungsindex für die aGST-Phase des Materials. Die bei dieser Reaktion gebildete mehrschichtige Struktur ist Analyt – Ag – Si – HfO2 – Si – GST – Si.

Berechnete quadratische Anpassungskurve für die Gleichung (a–i) P11–P20 E98, abgeleitet für Änderungen des Resonanzwellenlängenpeaks und des zugehörigen Brechungsindex für die cGST-Phase des Materials. Die bei dieser Reaktion gebildete mehrschichtige Struktur ist Analyt – Ag – Si – HfO2 – Si – GST – Si.

Die Brechungsindizes der verschiedenen Biomoleküle werden aus der Referenzdatenbank in 47,48,49,50,51 berücksichtigt. Gemäß der zuvor veröffentlichten Literatur liegen die Brechungsindizes von Wasser, Ethanol, Blutplasma, Urin, Glukose, Hämoglobin, Biotin, Speichel und Schweiß zwischen 1 und 2,5. Die Resonanzwellenlängen sind diejenigen, die eine maximale Durchlässigkeit bieten, also Resonanzspitzen. Das wesentliche Sensorkonzept eines RI-Sensors besteht darin, dass sich die Resonanzwellenlängen in einen längeren oder kürzeren Wellenlängenbereich verschieben, wenn sich der Brechungsindex oder eine der räumlichen Abmessungen des Sensors ändert, was zur Identifizierung des unbekannten Materials führt. Der Nachweis eines unbekannten Analyten mithilfe von SPR-Biosensoren kann auch anhand von Änderungen der Wellenlänge des reflektierten Lichts statt anhand des Einfallswinkels erfolgen. Hier sind die Schritte dieser Methode:

Vorbereitung der Sensoroberfläche: Ein dünner Metallfilm oder ein dünnes Gitter wird auf einem Glas- oder Quarzsubstrat abgeschieden und ein Linkermolekül wird an der Metalloberfläche befestigt. Das Linkermolekül kann einen spezifischen Rezeptor, beispielsweise einen Antikörper, immobilisieren, der selektiv an den interessierenden Analyten bindet.

Einführung des unbekannten Analyten: Die Probe, die den unbekannten Analyten enthält, wird auf die Sensoroberfläche eingeführt. Der Analyt kann mit dem Rezeptor interagieren und eine Änderung des Brechungsindex der Sensoroberfläche verursachen.

Messung des reflektierten Lichtspektrums: Zur Beleuchtung der Sensorfläche wird eine breitbandige Lichtquelle eingesetzt und das Spektrum des reflektierten Lichts mit einem Spektrometer gemessen. Das reflektierte Lichtspektrum weist bei einer bestimmten Wellenlänge einen charakteristischen Einbruch auf, der Plasmoneneinbruch genannt wird.

Nachweis des Analyten: Wenn sich der Brechungsindex der Sensoroberfläche aufgrund der Wechselwirkung mit dem Analyten ändert, verschiebt sich die Wellenlänge des Plasmoneneinbruchs. Das Ausmaß der Verschiebung ist proportional zur Änderung des Brechungsindex der Sensoroberfläche, der wiederum von der Konzentration des Analyten abhängt.

Quantifizierung des Analyten: Die Konzentration des Analyten kann durch Vergleich der gemessenen Verschiebung der Wellenlänge des Plasmoneneinbruchs mit einer Kalibrierungskurve bestimmt werden, die unter Verwendung bekannter Konzentrationen des Analyten erhalten wurde.

Insgesamt erfordert der Nachweis eines unbekannten Analyten mithilfe von SPR-Biosensoren auf der Grundlage von Änderungen der Wellenlänge des reflektierten Lichts die Messung der Verschiebung der Wellenlänge des Plasmoneneinbruchs, wenn sich der Brechungsindex der Sensoroberfläche aufgrund der Wechselwirkung mit dem Analyten ändert. Die Konzentration des Analyten kann durch Vergleich der gemessenen Verschiebung mit einer Kalibrierungskurve 45,46,47,48,52,53 bestimmt werden.

Wir können auch den Wert der Empfindlichkeit des in diesen Gleichungsspuren vorgeschlagenen Brechungsindexsensors ermitteln, indem wir die Differentialformel von \(S=d\lambda /dn\) anwenden. Anhand der verschiedenen Spurgleichungen können wir erkennen, dass die Steigung der Kurve hauptsächlich von der Empfindlichkeitsschwankung beeinflusst wird. In einer linearen Kurve ist die Empfindlichkeitsschwankung im gesamten Bereich konstant, wie in verschiedenen Kurven beobachtet (z. B. P12, P14, P15). Die abrupte Empfindlichkeitsschwankung kann für Kurven wie P6, P17 und P18 beobachtet werden. Eine ähnliche Empfindlichkeitsschwankung kann in der E1- bis E18-Kurve beobachtet werden. Die Empfindlichkeitsschwankung in der E6-Kurve liegt zwischen 132 und 1240 nm/RIU. Die Empfindlichkeitsschwankung ist bei der abrupten Änderung zwischen 1,2 und 1,3 µm der Wellenlänge gering, was 132 nm/RIU entspricht. In anderen Bereichen ist die Empfindlichkeit höher, wenn sich die Brechungsindex- und Wellenlängenwerte linear ändern. Diese Forschung ermöglicht es uns, den Betriebsbrechungsindexbereich für bestimmte Biomolekülproben auszuwählen. Dies liegt daran, dass der Bereich der RI-Werte, aus denen wir auswählen können, erweitert wird. Die geplante Struktur kann auch mit Hilfe der beiden separaten Phasen des GST-Materials, aGST und cGST genannt, verfeinert werden. Beide Phasen reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen. Gleichungen werden erstellt, indem das einstellbare Verhalten der Struktur ausgenutzt wird, um das globale Reflexionsvermögen der Struktur zu berechnen. Es ist möglich, das Verhalten des gesamten Brechungsindexsensors zu ändern.

Wir haben die Ergebnisse numerischer Studien eines Phasenübergangsmaterials und eines auf HfO2 basierenden Brechungsindexsensors im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich für einen breiten Bereich der Biomoleküldetektion gezeigt. Um mehr über die vorgeschlagene Architektur zu erfahren, werden drei verschiedene Ebenendesigns untersucht. Jedes verfügt über Schichten aus Zusatzmaterialien wie HfO2, GST, Silber und Siliziumdioxid. Wir haben das Reflexionsverhalten der Mehrschichtstruktur anhand eines Brechungsindexspektrums von 1,2 bis 2,4 berechnet. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie sich die Höhe der verschiedenen Materialien auf die Leistung der gesamten Konstruktion auswirkt. Wir haben die Wirkung der verschiedenen Materialien mit ihren Höhenparametern dargestellt, um die optimale Leistung des Sensors zu ermitteln. Wir haben verschiedene Resonanzspurgleichungen unter Verwendung unterschiedlicher Resonanzpunkte, Wellenlängenpunkte und Brechungsindexwerte berechnet, die zur Bestimmung des Erfassungsverhaltens für einen bestimmten Wellenlängenbereich und Brechungsindexwerte verwendet werden können. Diese Gleichungen finden Sie in unserem Artikel. Wir haben insgesamt 20 Gleichungen in der Analyt-Ag-Si-HfO2-Si-GST-Si-Schichtstruktur erstellt, um das Verhalten des vorgeschlagenen Sensors über einen bestimmten Bereich des Brechungsindex und des Wellenlängenspektrums zu bestimmen. Wir haben auch berechnet, dass wir 18 Gleichungen in der Analyt-Ag-Si-GST-Si-Schichtstruktur erstellt haben. Die Temperatur kann Übergänge zwischen aGST- und cGST-Phasen des GST-Materials bewirken, die dann zur Feinabstimmung der vorgeschlagenen Struktur verwendet werden können. Mit Hilfe der empfohlenen Struktur kann ein Biosensor gebaut werden, der eine große Vielfalt an Biomolekülen erkennen kann. Diese Biomoleküle sind in Glukose, Cholesterin, Hämoglobin, Urin und Speichelcortisol zu finden.

Die Daten sind auf begründete Anfrage des entsprechenden Autors verfügbar.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem Stellvertreter für Forschung und Innovation des Bildungsministeriums in Saudi-Arabien für die Finanzierung dieser Forschungsarbeit unter der Projektnummer 223202.

Fakultät für Elektrotechnik, College of Engineering, Jouf University, 72388, Sakaka, Saudi-Arabien

Khaled Aliqab, Meshari Alsharari und Ammar Armghan

Abteilung für Informations- und Kommunikationstechnologie, Marwadi University, Rajkot, Indien

Kavan Dave

Fakultät für Ingenieurwesen und Technologie, Parul Institute of Engineering and Technology, Parul University, Waghodia Road, Vadodara, Gujarat, 391 760, Indien

Vishal Sorathiya

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Konzeptualisierung, KA, AA und VS; Methodik MA, AA, VS, KD; Software, Validierung, formale Analyse, Untersuchung und Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung KA, VS; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten., VS, KD; Supervision, AA und VS; Projektverwaltung, MA, AA; Finanzierungseinwerbung, AA Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Khaled Aliqab oder Ammar Armghan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Aliqab, K., Sorathiya, V., Alsharari, M. et al. Numerische Analyse eines auf Hafniumoxid und Phasenwechselmaterial basierenden mehrschichtigen Infrarot- und sichtbaren Frequenzsensors für Biomolekül-Sensoranwendungen. Sci Rep 13, 7698 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34817-1

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Eingegangen: 5. Februar 2023

Angenommen: 08. Mai 2023

Veröffentlicht: 11. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34817-1

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Numerische Analyse von Hafniumoxid und Phasenwechselmaterial