Dispositivo sensor refractométrico optoelectrónico para gases basado en arco dieléctrico

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18355 (2022) Citar este artículo

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La transformación de una célula solar de silicio amorfo hidrogenado (aSiH) en un sensor refractométrico optoelectrónico ha sido posible mediante la adición de estructuras resonantes de corbata de moño dieléctricas. El electrodo superior de óxido transparente de indio se reemplaza por una capa metálica delgada para evitar selectivamente la transmisión directa de luz a la capa activa de la celda. Luego, se coloca una matriz de estructuras dieléctricas de corbatín encima de este electrodo para activar la absorción óptica a través de la resonancia de plasmones superficiales (SPR). Todo el dispositivo se expone al analito bajo medida, que es el medio circundante. Se seleccionaron tres materiales dieléctricos diferentes con índice de refracción bajo, medio y alto para las corbatas de lazo, a saber, fluoruro de magnesio (MgF\(_2\)), dióxido de silicio (SiO\(_2\)) y nitruro de aluminio (AlN) han sido probados como estructura de acoplamiento para la excitación SPR. La maximización de la corriente de lectura/cortocircuito se ha logrado a través de los parámetros geométricos de dicha estructura. Hemos seleccionado los parámetros geométricos para maximizar la corriente de cortocircuito suministrada por la celda de a-Si a una longitud de onda determinada seleccionada. El diseño se ha personalizado para la aplicación de medición de gases, donde el índice de refracción está ligeramente por encima de 1 alrededor de 10\(^{-4}\). Nuestro análisis revela una sensibilidad ultra alta de \(2.4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU, y una cifra de mérito FOM= 107 RIU\(^{-1}\), cuando la corbata de moño está hecho de SiO\(_2\). Un rally de rendimiento competitivo con los reportados previamente en la literatura, con la ventaja adicional de eludir tanto las partes móviles como los elementos de interrogación espectral.

La detección óptica basada en el efecto plasmónico se ha aplicado en muchas áreas durante las últimas tres décadas1,2. Esta tecnología se ha demostrado para la identificación de materiales3, la garantía de la calidad de los alimentos4, la colorimetría5, las pruebas de calidad ambiental6 o las aplicaciones de biodetección7. Centrándonos en aplicaciones ambientales, se requieren dispositivos de alta resolución y sensibilidad para detectar cantidades muy pequeñas de contaminantes atmosféricos como hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, peligros microbiológicos, etc.8,9,10,11,12,13,14. El monitoreo de la calidad y composición del aire se puede realizar a través de la medición de su índice de refracción15,16, que también depende de otros parámetros físicos (temperatura y presión), y de la composición química de la atmósfera (humedad, presencia de especímenes naturales o artificiales )17. Como consecuencia, un sensor refractométrico puede verificar si se cumplen algunas condiciones preestablecidas, o si una muestra conocida varía su concentración.

Debido a su estrecha respuesta selectiva, los dispositivos optoelectrónicos basados en resonancias de plasmones superficiales (SPR) son una de las soluciones para el monitoreo y detección ambiental18,19. Esta tecnología se puede aplicar a la detección de gases20, la detección del índice de refracción21,22,23,24 y la detección química25. También se pueden incluir en sensores multifuncionales y multiparamétricos26. El sensor plasmónico se puede interrogar de forma angular, espectral y optoelectrónica. Cuando se usa la dependencia angular de la respuesta plasmónica, el sistema generalmente requiere partes móviles y un goniómetro de alta precisión o costosos sistemas integrados de lectura27. Lo mismo sucede con la interrogación espectral: necesita monocromadores de alta resolución en los brazos de iluminación y/o detección28. El método de interrogación optoelectrónico puro se beneficia de la señal eléctrica entregada por el propio sensor sin necesidad de partes móviles y/o monocromadores. Este hecho facilita los subsistemas de interrogación y hace un sensor más compacto y más fiable29.

Una celda solar puede verse como un detector de luz ya hecho y de bajo costo. Aunque está diseñado como un detector fotovoltaico de amplio espectro, puede transformarse fácilmente para responder selectivamente a través de la excitación de los SPR generados por metasuperficies nanoestructuradas30. En su conjunto, el dispositivo personalizado se convierte en un sensor optoelectrónico autoalimentado20. Las células solares de película delgada orgánicas e inorgánicas son las mejores candidatas para dispositivos de detección compactos, livianos y de bajo costo31. Entre ellas, las células de silicio amorfo hidrogenado (aSiH) son dispositivos comerciales que emplean un material abundante, no tóxico y estable32,33 a un precio bastante asequible. Entonces, aSiH se considerará en este artículo como el dispositivo base que se transformará para que funcione como un sensor de gas refractométrico interrogado optoelectrónicamente34.

En esta contribución, analizamos numéricamente y describimos cuantitativamente cómo modificar una celda de aSiH para detectar cambios en atmósferas controladas. Aunque se han aplicado varias tecnologías ópticas para detectar cambios refractométricos en gases15,16, la mayoría de ellas son costosas y complejas de operar. Nuestro sistema se basa en la respuesta optoelectrónica selectiva de una celda solar donde su superficie expuesta está poblada con estructuras resonantes dieléctricas de corbata de lazo que se asientan sobre un electrodo frontal metálico de película delgada que reemplaza la clásica capa transparente de ITO.

Se utiliza un paquete de simulación COMSOL Multiphysics basado en el método de elementos finitos para resolver las ecuaciones de Maxwell para la distribución de campos ópticos dentro de cada capa en el modelo tridimensional del dispositivo. Estos campos se utilizan para calcular la absorción en cada capa. La corriente extraída del dispositivo es directamente proporcional a la absorción en la capa activa del dispositivo. Finalmente, ponderamos esta corriente a la potencia óptica incidente para obtener la responsividad18. El dominio de modelado es una celda unitaria pequeña o el bloque de construcción de una matriz grande, que se repite transversalmente aplicando condiciones de contorno periódicas. Un puerto de excitación con longitud de onda, intensidad y orientación personalizados se coloca encima de toda la estructura como fuente de iluminación. En la parte superior de la fuente de iluminación, colocamos una capa de coincidencia perfecta (PML) para absorber las ondas reflejadas y evitar que interfieran falsamente con la luz entrante. En la parte inferior, las capas de celdas se apilan sucesivamente una encima de la otra con la corbata de lazo encima de ellas. Esta última estructura excita ondas de plasmones superficiales en la superficie de la capa de metal35. Esta excitación ocurre cuando una onda plana que tiene su vector magnético a lo largo del eje \(y-\)—el eje largo de la pajarita—llega a la nanoestructura en condiciones normales de incidencia. En este caso, las ondas de plasmón de superficie se propagarán a lo largo de la dirección del eje \(x-\). Seleccionamos la amplitud del campo magnético como \(H_{y0}= 1\) A/m, siendo el vector de campo magnético \(\mathbf {H} = (0, H_{y0}e^{-ik_z.z }, 0)\). La fuente de luz emite a \(\lambda = 632.8 \) nm que ilumina el dispositivo con una irradiancia de 50 mW/cm\(^2\). Este valor se puede lograr utilizando láseres de diodo regulares. En realidad, podemos seleccionar cualquier fuente óptica monocromática con una longitud de onda dentro de la banda de absorción del dispositivo que sea mucho más ancha que el ancho espectral de la mayoría de los diodos láser36,37. Luego, podemos optimizar el período del diseño para que funcione para la longitud de onda seleccionada.

En electromagnetismo computacional, la selección de un mallado apropiado es un factor clave para asegurar resultados confiables y robustos. En nuestro caso, los dominios físicos usan elementos tetraédricos mientras que la capa de coincidencia perfecta (PML) usa una malla prismática. La densidad de los elementos de malla está relacionada con la dimensión de la estructura más pequeña y debe ser igual o menor que \(\lambda /5\)38,39. Una malla más fina conduce a una mejor convergencia de la solución a costa de aumentar los recursos computacionales. Teniendo en cuenta estos criterios y considerando que nuestra celda unitaria no contiene estructuras diminutas extremas, hemos seleccionado un tamaño de malla mínimo alrededor de \(\lambda /10\) para la región cercana a las interfaces, y \(\lambda /7\ ) para dominios más grandes. El número medio de elementos de malla alcanza \(10^5\).

La estructura en capas de una celda solar de película delgada de aSiH convencional se presenta en la Fig. 1a. A medida que la luz incide desde el sustrato (desde la parte superior), encuentra los siguientes materiales y capas: SiO\(_2\) sustrato de vidrio: óxido de indio y estaño, ITO, electrodo transparente (100 nm de espesor): capa amortiguadora tipo p aSiH (paSiH) (17 nm de espesor)—capa activa intrínseca de aSiH (iaSiH) (400 nm de espesor)—capa amortiguadora de tipo n aSiH (naSiH) (22 nm de espesor)—óxido de zinc dopado con aluminio, AZO (100 nm de espesor)—reflector de aluminio electrodo (200 nm de espesor)33,40. Este dispositivo tiene una absorción de banda ancha en la capa activa iaSiH en el rango espectral (300–720) nm, combinado con una baja reflectancia total debido a la transparencia del electrodo ITO.

(a) Estructura en capas de una celda solar de película delgada de aSiH convencional con electrodo superior transparente hecho de ITO. (b) El mismo dispositivo donde ITO se reemplaza con un contacto metálico no transparente de Ag. (c) Absorción en la capa activa y reflectancia total de una celda solar de película delgada de aSiH convencional con electrodo ITO (\(A_\mathrm{ITO}\), \(R_\mathrm{ITO}\)) y para el dispositivo con Electrodo de Ag (\(A_\mathrm{Ag}\), \(R_\mathrm{Ag}\)).

En nuestro diseño, reemplazamos el electrodo transparente superior, ITO, por un electrodo de plata de 40 nm de espesor (ver Fig. 1b). La plata se selecciona debido a su estrecha respuesta plasmónica. Sin embargo, si la robustez frente a los agentes ambientales es un problema, como podría suceder con los analitos líquidos, podemos pasivar esta capa agregando una capa de oro muy delgada que no afecta el comportamiento general del sistema41. La respuesta del dispositivo con estructura de capas Fig. 1a se muestra en la Fig. 1c, donde representamos la absorción de la capa activa, que estará relacionada con la corriente de cortocircuito entregada por la celda, \(A_\mathrm{ITO} \), y la reflexión total de la celda \(R_\mathrm{ITO}\), donde el subíndice \(\mathrm{ITO}\) se refiere a la presencia del electrodo transparente. Estas características son clave cuando se personaliza el dispositivo para que funcione como un recolector de energía solar eficiente basado en la conversión fotovoltaica33. Sin embargo, para el dispositivo de la Fig. 1b, debido a este reemplazo de electrodos, la absorción en la capa activa se reduce considerablemente y la mayor parte de la luz entrante se refleja de regreso (ver \(A_\mathrm{Ag}\), y \( R_\mathrm{Ag}\) en la Fig. 1c). La capa de Ag impide el uso del dispositivo como elemento de recolección de energía y prepara la estructura para el siguiente paso en el que los SPR generan la respuesta selectiva deseada. El grosor de la capa de Ag se establece en 40 nm para facilitar la transmisión del SPR a la capa activa. Una capa más delgada no sería lo suficientemente selectiva y una más gruesa bloquearía fuertemente la luz que llega a la capa activa. Este valor se encuentra dentro del rango previamente reportado en la literatura para dispositivos basados en la generación de SPRs42,43,44. Desde el punto de vista de la fabricación, el diseño se invierte, ya que el electrodo posterior de Al se deposita directamente sobre el sustrato (ver Fig. 1b), mientras que la incidencia es hacia el electrodo de plata metálica. La respuesta del dispositivo volteado es independiente del material del sustrato, lo que permite el uso de sustratos plásticos flexibles y de bajo costo. Este diseño bloquea fuertemente la transmisión directa de la luz a la capa activa, proporcionando una respuesta fotoeléctrica bastante baja. El siguiente paso es activar selectivamente la absorción excitando un SPR. Nuestra propuesta incorpora una matriz periódica de estructuras de pajarita que dispersa la luz y excita resonancias plasmónicas con una forma de línea estrecha. El campo óptico dentro de la capa activa mejoró mucho en la longitud de onda de resonancia del modo SPR. Entonces, las características de respuesta espectral estrecha del SPR se traducen en la respuesta de la celda. Aunque se pueden aplicar muchos nanoobjetos para este propósito, hemos elegido una estructura resonante de pajarita dieléctrica porque tiene capacidades de dispersión de banda ancha45. Esto genera una respuesta plasmónica multimodo cuando se coloca cerca de una película metálica delgada. Además, la elección de un material dieléctrico transparente para la pajarita reduce las pérdidas por reflexión y absorción del propio objeto.

En la Fig. 2a se muestra una representación 3D del diseño propuesto. La celda unitaria, marcada en la esquina inferior izquierda de la gráfica, y detallada en la Fig. 2b. En la parte inferior, las capas de celdas se apilan sucesivamente una encima de la otra con la pajarita encima.

( a ) Representación 3D del dispositivo propuesto con una variedad infinita de estructuras resonantes de pajarita. La celda unitaria se resalta en la esquina inferior izquierda. (b) Disposición detallada de la celda unitaria, incluido el puerto de excitación, la condición límite representada como condiciones periódicas en las superficies laterales y como una capa de combinación perfecta (PML) en la parte superior, la estructura multicapa del dispositivo, el medio analito superior y el sustrato El índice de color en el medio define todos los materiales incluidos en el dispositivo. (c) Vista superior y lateral de la estructura propuesta con todos los parámetros geométricos.

Los dominios superior (analito) e inferior (sustrato) se definen como semi-infinitos. En la Fig. 2c, se representan los parámetros geométricos de la celda unitaria de pajarita. La antena de corbatín tiene dos elementos de forma triangular de ancho de base BW y largo L, separados por un espacio, g, por lo que la longitud total del corbatín es \(L_t=2L+g\). La estructura dieléctrica está centrada en un rectángulo que tiene el siguiente tamaño

donde S es la separación entre las pajaritas a lo largo de cada dirección (consideramos la misma separación a lo largo de los ejes \(x-\) y \(y-\)), y \(P_x\) y \(P_y\) son las dimensiones espaciales períodos de la disposición infinita de la celda unitaria. Un parámetro geométrico adicional de la celda unitaria es el espesor de la pajarita dieléctrica, BH. En la Tabla 1, resumimos la geometría y la selección de materiales de las capas de la estructura propuesta. Cada capa del dispositivo se define utilizando sus datos de índice de refracción complejo dependientes de la longitud de onda obtenidos de fuentes reconocidas como se indica en la Tabla 1.

Cada optimización comienza con la definición de una función de mérito significativa que mejor describa el rendimiento deseado del dispositivo. En nuestro caso, queremos maximizar la corriente de cortocircuito entregada por el detector, \(J_\mathrm{sc}\). Este valor es proporcional a la absorción en la capa activa del dispositivo. Por lo tanto, nuestra función de mérito es esta absorción \(A_\mathrm{iaSiH}\), que ya fue evaluada en la Fig. 1c. Haremos una evaluación de la absorción en la capa activa de la celda en función de los parámetros geométricos del corbatín BW, y S para diferentes materiales de corbatín.

Para nuestro primer paso de optimización, establecemos la altura de la pajarita en \(BH=150\) nm, y el espacio entre las dos partes triangulares en \(g=20\) nm. En aras de la simplicidad, la base y la longitud de las partes triangulares de la pajarita son iguales, \(BW=L\). Luego, solo trabajamos con S y BW como parámetros libres para presentar mapas bidimensionales de la función de mérito. Este análisis se realiza para tres materiales dieléctricos del corbatín. Estos materiales son MgF\(_2\) (\(n_a \approx \) 1,37), SiO\(_2\) ((\(n_a \approx \) 1,47) y AIN (\(n_a \approx \) 2,1) Estos tres materiales corresponden a un índice de refracción bajo, medio y alto a \(\lambda =632.8 \) nm, respectivamente.

Absorción en la capa activa en función de los parámetros BW y S del corbatín. Los materiales de la pajarita son (a) MgF\(_2\), (b) SiO\(_2\) y (c) AlN. Los círculos discontinuos representan la ubicación de la máxima absorción en la capa activa de la celda. ( d ) Absorción espectral en la capa activa para los parámetros optimizados seleccionados para cada material. El papel de la separación entre las porciones triangulares de la pajarita, g, se muestra en (e), y la dependencia con respecto al espesor de la estructura dieléctrica, BH, se representa en (f), para los tres materiales dieléctricos considerados en este análisis. Todos estos cálculos se han realizado a \(\lambda =632,8\) nm (excepto la subparcela d).

El tamaño de la pajarita dieléctrica BW sintoniza su dispersión espectral, mientras que la separación, S, determina la fuerza del acoplamiento entre pajaritas adyacentes. Ambos efectos tienen un impacto directo en la ubicación espectral y la forma de los SPR excitados por la estructura. Las Figuras 3a–c son mapas de la función de mérito en términos de BW y S para los tres materiales dieléctricos bajo análisis (MgF\(_2\), SiO\(_2\) y AIN). Podemos ver que se obtiene una mayor absorción para valores bajos de S, lo que significa corbatas de moño más cercanas. A partir de los gráficos, podemos definir separaciones óptimas de alrededor de \(S=145, 260, 180\) nm para MgF\(_2\), SiO\(_2\) y AIN, respectivamente. El análisis comparativo de estos mapas permite concluir que la máxima absorción en la capa activa se presenta para valores menores del BW del corbatín a medida que aumenta el índice de refracción del corbatín. Encontramos esta absorción máxima en \(BW= 415, 320, 260\) nm para MgF\(_2\), SiO\(_2\) y AIN, respectivamente.

Una característica bastante interesante es que el valor máximo de la absorción es aproximadamente el mismo para los tres materiales considerados en este análisis, siendo SiO\(_2\) el que presenta el mayor valor. Para comparar entre las respuestas del dispositivo para todos los materiales, hemos calculado la absorción espectral (ver Fig. 3d). Este análisis muestra cómo el ancho de línea es más estrecho para SiO\(_2\) y MgF\(_2\). Sin embargo, el contraste entre el índice de refracción del analito (n\(_a\) cerca de 1) y el dispersor es mayor para SiO\(_2\) que para MgF\(_2\). Este hecho será importante al considerar el cambio de señal que se obtiene cuando varía el índice de refracción del analito47.

Después de optimizar la absorción en la capa activa con una elección adecuada de la geometría (considerando BW y S) y materiales, hemos analizado el papel de los parámetros geométricos restantes. Cuando aumenta la separación entre las partes de la corbata de moño dieléctrica, g, observamos una disminución leve, pero constante, en la absorción en la capa activa (ver 3e), especialmente para g mayor que 40 nm. Por otro lado, esta absorción muestra un máximo para un valor de \(BH=150\) nm (ver Fig. 3f), lo que permite una desviación razonable de este valor (\(\pm 10\) nm) sin una reducción significativa de absorción Por lo tanto, para las estructuras de SiO\(_2\), los valores seleccionados para estos dos parámetros son: \(g=20\) nm, y \(BH=150\) nm.

Un gráfico de líneas para el componente y del campo magnético a través de todo el dispositivo sin la pajarita (línea negra) y con la pajarita hecha de MgF\(_2\) (línea verde), SiO\(_2\)(roja línea) y AlN (línea azul). El campo magnético dentro de la capa activa se ve muy mejorado debido a la excitación de los SPR cuando se incluyen las corbatas de lazo. El recuadro es para la distribución del campo magnético y-componente \(H_y \) en el plano xy en \( \lambda = 632.8\) nm para la estructura plana (sin elementos resonantes) y el caso de las pajaritas fabricadas con el tres materiales seleccionados.

Para comprender mejor el comportamiento electromagnético del dispositivo, hemos trazado el módulo del campo magnético a lo largo del eje z que pasa por todas las capas del dispositivo en la longitud de onda de resonancia, \(\lambda \)=632,8 nm. La Figura 4 muestra esta línea para el dispositivo con la pajarita hecha de MgF\(_2\) (línea verde), SiO\(_2\) (línea roja), AlN (línea azul), y para el dispositivo sin lazo- corbata (línea negra). El campo magnético alcanza su valor máximo en la región cercana a la interfaz metal/dieléctrico, donde los SPR se excitan usando la pajarita. El campo magnético en la capa activa y en la interfaz es muy grande para el dispositivo con pajarita en comparación con el dispositivo sin pajarita. La profundidad de penetración del campo en el medio analito en la parte superior de la celda es mayor para SiO\(_2\) y menor para AlN. Esto significa un mayor volumen de interacción para el SPR generado por el corbatín de SiO\(_2\) y, por lo tanto, más sensibilidad a las variaciones del analito. Este efecto mejora la potencia óptica disponible en la capa activa, generando una mayor respuesta fotovoltaica. El recuadro de la Fig. 4 es para la distribución espacial del campo magnético en el plano xz para el dispositivo que usa cada material de corbatín, mostrando los máximos decrecientes característicos de SPR y el campo correspondiente en la capa activa. El caso de la estructura de celdas planas, sin elementos resonantes, también se representa en la figura, mostrando cómo se mejora el campo cuando se incluye el arreglo de pajarita.

El rendimiento de detección de un sensor refractométrico se evalúa a través de la sensibilidad, \(S_B\), y el FOM18 para los parámetros geométricos y la elección del material ya discutidos anteriormente a una longitud de onda de \(\lambda =632.8 \) nm, que es una constante en nuestro diseño

Nuestro diseño se interroga electrónicamente, luego su capacidad de respuesta, \(\mathcal{R}\), se define como el cociente entre la corriente extraída del dispositivo, \(I_\mathrm{señal}\), y la potencia óptica incidente \ (P_\mathrm{entrada} \). Como era de esperar para un sensor plasmónico, \(\mathcal{R}\) es una función del índice de refracción del analito.

La sensibilidad de este sensor se puede obtener de la variación de \(\mathcal{R}_{S}\) con respecto al índice de refracción del analito, \(n_a\)48,49.

y el FOM también se redefine en términos de la capacidad de respuesta, \(\mathcal{R}_{S}\)48,49 como:

Un gas bajo presión atmosférica muestra un cambio muy pequeño en el índice de refracción (con un orden de magnitud de 10\(^{-4}\)) cuando varían los parámetros físicos o químicos de la atmósfera bajo prueba. Por ejemplo, la diferencia entre los índices de refracción del vacío, \(n_\mathrm{vacío}=1\), y el aire está en el cuarto dígito decimal: \(n_\mathrm{aire}=1.000298\). Este valor está relacionado con su contenido relativo de nitrógeno (\(n_{\mathrm{N}_2}=1.000297\)) y oxígeno (\(n_{\mathrm{O}_2}=1.000272\))50. La detección de esas minúsculas variaciones requiere dispositivos de alta resolución50.

Responsividad, \(\mathcal{R}\), en función del índice de refracción del analito, \(n_a\), para el dispositivo con la geometría optimizada de la pajarita hecha de MgF\(_2\) ( cuadrados negros), SiO\(_2\) (círculos negros) y AlN (estrellas negras). El ajuste lineal de estos datos simulados se representa en verde para MgF\(_2\), en rojo para SiO\(_2\) y en línea para AlN. Los valores de \(S_B\) y FOM se enumeran en el gráfico. El dispositivo se ilumina con una fuente de luz monocromática, \(\lambda =632.8 \) nm.

Para nuestro dispositivo, el analito está en contacto con el corbatín dieléctrico y la capa frontal de metal. La señal eléctrica entregada por el sistema es generada por la potencia óptica absorbida en la capa activa, que se mejora a través de la excitación de SPR. La dependencia de la resonancia plasmónica con el índice de refracción del analito proporciona la funcionalidad deseada del dispositivo. El dispositivo es muy sensible a la presencia de contenido de gas en el aire. por ejemplo, usando el dispositivo con corbatín hecho de SiO\(_2\), la capacidad de respuesta del dispositivo cae de 219 mA/W para el aire a 215,6 mA/W si el aire se reemplaza con CO\(_2\). Llegados a este punto, conviene recordar que los sensores refractométricos sólo responden a cambios en el índice de refracción del entorno, sin tener en cuenta el origen real de este cambio. Entonces, el uso cuantitativo de nuestro diseño debe limitarse al caso de atmósferas cerradas, donde las especies de gas son conocidas y no cambian. Los valores de responsividad del dispositivo con corbatín de cada material en función del índice de refracción del analito, \(n_a\) se presentan en la Fig. 5. Los valores de \(S_B\) extraídos de la pendiente de la lineal apropiado para cada conjunto de datos y revelado como 1,58x10\(^4\)(mA/W)/RIU, 2,4x10\(^4\) (mA/W)/RIU y 558 (mA/W)/RIU , para el dispositivo con un lazo bwo hecho de MgF\(_2\), SiO\(_2\), y AlN, respectivamente. Los FOM correspondientes para cada caso se obtienen dividiendo el \(S_B\) sobre la máxima capacidad de respuesta para cada conjunto de datos, lo que revela un 70 1/RIU, 107 1/RIU y 2,55 1/RIU para el dispositivo con un bwo- lazo hecho de MgF\(_2\), SiO\(_2\), y AlN, respectivamente.

En esta aportación hemos aprovechado la madurez de las células solares fotovoltaicas aSiH. La adición de una metasuperficie personalizada hecha de una serie de corbatines dieléctricos sobre una capa metálica ha transformado el dispositivo recolector de energía en un sensor refractométrico. En esta transformación también hemos sustituido el electrodo transparente por uno metálico de película fina. Esta capa de metal es lo suficientemente gruesa como para excitar resonancias de plasmones que dependen en gran medida del índice de refracción del analito. La principal ventaja de este enfoque es que el cambio del índice de refracción del analito se traduce en la respuesta del dispositivo, lo que permite un diseño y una operación más simples. Luego, el sensor se interroga optoelectrónicamente. La absorción óptica se maximiza por los parámetros geométricos de la disposición de pajarita a través de la excitación del SPR. Por lo tanto, hemos analizado en detalle cómo se puede adaptar la geometría para mejorar la absorción en la capa activa y generar una respuesta bastante selectiva en longitud de onda e índice de refracción relacionado con las condiciones para la excitación de SPR. El dispositivo se puede operar exponiendo la matriz de corbatín y la película delgada frontal metálica a la atmósfera. Como sensor, su desempeño viene dado cuantitativamente por el valor de su sensibilidad de \(S_B= 2.4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU, y \(\text{ FOM } = 107\) (1 /RIU) para el caso de pajaritas de SiO\(_2\).

Como resumen de esta contribución, nuestro diseño propuesto abre el camino para que el sensor refractométrico plasmónico se incorpore en diseños más simples y compactos, simplemente aprovechando las ventajas de las tecnologías fotovoltaicas y las metasuperficies.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29200-z

Xu, Y. et al. Sensores ópticos de índice de refracción con estructuras plasmónicas y fotónicas: verdad prometedora e inconveniente. Adv. Optar. Mate. 7, 1801433 (2019).

Artículo Google Académico

Butt, M., Khonina, S. & Kazanskiy, N. Plasmonics: Una necesidad en el campo de la detección: una revisión. Integración de fibra Optar. 40, 14–47 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Saylan, Y., Akgonuu, S. & Denizli, A. Sensores plasmónicos para monitorear agentes de amenazas biológicas y químicas. Biosensores 10, 142 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Tseng, S.-Y. et al. Sensores plasmónicos basados en papel para monitorear la calidad de los alimentos preparados a través de nanoimpresión inversa para la detección rápida de odorantes de amina biogénica. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 9, 17306–17316 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Zeng, J. et al. Nanoestructuras plasmónicas anisotrópicas para detección colorimétrica. Nano Hoy 32, 100855 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Bendicho, C., Lavilla, I., Pena-Pereira, F., de la Calle, I. y Romero, V. Plataformas de celulosa integradas en nanomateriales para la detección óptica de metales traza y especies aniónicas en el medio ambiente. Sensores 21, 604 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Mejía-Salazar, J. & Oliveira, ON Jr. Biodetección plasmónica: revisión de enfoque. química Rev. 118, 10617–10625 (2018).

Artículo Google Académico

Kreno, LE, Hupp, JT y Van Duyne, RP Película delgada de estructura metalorgánica para mejorar la detección de gas de resonancia de plasmón de superficie localizada. Anal. química 82, 8042–8046 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Chakraborty, U., Kaur, G. & Chaudhary, GR Desarrollo de nanosensores ambientales para el monitoreo y evaluación de la detección. Nuevo Frente. Nanomateria. Reinar. ciencia 20, 91–143 (2021).

Artículo Google Académico

Nangare, S. & Patil, P. Sensor de resonancia de plasmón de superficie altamente sensible y selectivo basado en nanoestructura de fósforo negro para detección biológica y química: una revisión. Criti. Rev.Analyt. química 20, 1–26 (2021).

Google Académico

Wang, Y. et al. Detección de p-cresol de contaminantes del agua basada en fibra óptica cónica modificada con nanopartículas de au-zno. Trans. IEEE. NanoBiosci. 20, 20 (2021).

Artículo Google Académico

An, X., Erramilli, S. & Reinhard, BM Nanoantimicrobianos plasmónicos: propiedades, mecanismos y aplicaciones en la inactivación y detección de microbios. Nanoescala 13, 3374–3411 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Hromadka, J. et al. Mediciones multiparámetro utilizando rejillas de fibra óptica de período largo para el monitoreo de la calidad del aire interior. Sens. Actuadores B Chem. 244, 217–225 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Afsari, A. & Sarraf, MJ Diseño de un sensor de gas de sulfuro de hidrógeno basado en una cavidad de cristal fotónico utilizando grafeno. Superlattt. Microestructura. 138, 106362 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Liang, L. Calibración de sensores de bajo costo para el monitoreo del aire ambiental: técnicas, tendencias y desafíos. Reinar. Res. 20, 111163 (2021).

Artículo Google Académico

Nguyen, NH et al. Evaluación de sensores comercialmente disponibles de bajo costo para el monitoreo de la calidad del aire y la aplicación de métodos de calibración de sensores para mejorar la precisión. Abrir J. Contaminación del aire. 10, 1 (2021).

Artículo Google Académico

Giraudet, C., Marlin, L., Bégué, D., Croccolo, F. & Bataller, H. Índice de refracción dependiente de la concentración de la mezcla co2/ch4 en fase gaseosa y supercrítica. J. Chem. física 144, 134304 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Elshorbagy, MH, Cuadrado, A., Romero, B. & Alda, J. Habilitación de la absorción selectiva en células solares de perovskita para la detección refractométrica de gases. ciencia Rep. 10, 1–11 (2020).

Artículo Google Académico

Gupta, R. & Yakuphanoglu, F. Diodo schottky fotoconductor basado en al/p-si/sns2/ag para aplicaciones de sensores ópticos. Sol. Energía 86, 1539–1545 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kang, K., Na, K., Kwon, D., Lee, J.-Y. & Park, I. Sensor de gas autoalimentado que utiliza una celda fotovoltaica de película delgada y una película colorimétrica microestructurada. En 2017, 19.ª Conferencia internacional sobre sensores, actuadores y microsistemas de estado sólido (TRANSDUCTORES), 1536–1539 (IEEE, 2017).

Qin, L., Zhang, C., Li, R. y Li, X. Matriz de nanocables de núcleo y cubierta de silicio y oro para un sensor de índice de refracción caracterizado óptica y eléctricamente basado en resonancia plasmónica y unión schottky. Optar. Letón. 42, 1225–1228 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Augel, L. et al. Sensor de índice de refracción colineal integrado con fotodiodos ge pin. Fotón ACS. 5, 4586–4593 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Elshorbagy, MH, Cuadrado, A., Gomez-Pedrero, JA & Alda, J. Sensor refractométrico optoelectrónico basado en resonancias de plasmones superficiales y el efecto bolométrico. aplicación ciencia 10, 1211 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Elshorbagy, MH, Cuadrado, A. & Alda, J. Sensores ópticos refractométricos con interrogación optoelectrónica. En Cuarta Conferencia Internacional sobre Fotónica e Ingeniería Óptica, vol. 11761, 1176102 (Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica, 2021).

Liu, B. et al. Detección química de alto rendimiento utilizando transistores mos2 de monocapa cultivados por deposición de vapor químico con contacto Schottky. ACS Nano 8, 5304–5314 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Hu, Y. et al. Sensores de nanocables supersensibles y de respuesta rápida mediante el uso de contactos Schottky (2010).

Zeng, Y. et al. Avances recientes en imágenes de resonancia de plasmones de superficie: velocidad de detección, sensibilidad y portabilidad. Nanofotónica 6, 1017–1030 (2017).

Artículo Google Académico

Yesudasu, V., Pradhan, HS y Pandya, RJ Avances recientes en sensores basados en resonancia de plasmones de superficie: una revisión exhaustiva. Heliyon 7, e06321 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Sohrabi, H. et al. Avances recientes en ensayos portátiles de detección y biodetección aplicados para la detección de los principales agentes contaminantes químicos y biológicos en muestras de agua: una revisión crítica. Tendencias Anales. química 20, 116344 (2021).

Artículo Google Académico

Lee, TD y Ebong, AU Una revisión de las tecnologías y los desafíos de las células solares de película delgada. Renovar. Sostener. Energy Rev. 70, 1286–1297 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Ajayan, J. et al. Una revisión del rendimiento fotovoltaico de las células solares orgánicas/inorgánicas para futuras tecnologías de energía renovable y sostenible. Superlat. Microestructura. 20, 106549 (2020).

Artículo Google Académico

Kouider, WH, Belfar, A., Belmekki, M. & Ait-kaci, H. El beneficio de usar pa-sioxcy h como capas de doble ventana en células solares de silicio amorfo hidrogenado: Correlación de simulación y experimento. Optik 238, 166749 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Okil, M., Salem, M., Abdolkader, TM y Shaker, A. De las células solares cristalinas a las de bajo costo basadas en silicio: una revisión. Silicio 20, 1–17 (2021).

Google Académico

Elshorbagy, H., Cuadrado, AM & Alda, J. Absorción estrecha en células solares de perovskita libres de ito para aplicaciones de detección analizadas mediante simulación electromagnética. aplicación ciencia 9, 4850 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Maier, SA Plasmónica: Fundamentos y Aplicaciones (Springer, 2007).

Libro Google Académico

Gourevitch, A., Venus, G., Smirnov, V., Hostutler, D. y Glebov, L. Onda continua, barra de diodo láser de 30 w con ancho de línea de 10 ghz para bombeo láser rb. Optar. Letón. 33, 702–704 (2008).

Artículo ADS CAS Google Académico

Van Rees, A. et al. Sintonización de longitud de onda sin saltos en modo mejorado con resonador de anillo de un láser integrado de cavidad extendida. Optar. Expreso 28, 5669–5683 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Said-Bacar, Z., Leroy, Y., Antoni, F., Slaoui, A. y Fogarassy, E. Modelado de la irradiación con diodo láser cw de películas de silicio amorfo. aplicación Navegar. ciencia 257, 5127–5131 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zandi, S., Saxena, P., Razaghi, M. y Gorji, NE Simulación de células solares de película delgada cztsse en comsol: modelos tridimensionales ópticos, eléctricos y térmicos. IEEE J. Fotovoltaje. 10, 1503-1507 (2020).

Artículo Google Académico

Vora, A., Gwamuri, J., Pearce, JM, Bergstrom, PL y Güney, D. Ö. Células solares de silicio amorfo hidrogenado de película delgada con patrón de nanodisco de plata multirresonante para la compensación del efecto Staebler-Wronski. Aplicación J. física 116, 093103 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Elshorbagy, MH, Cuadrado, A. & Alda, J. Dispositivos integrados de alta sensibilidad basados en resonancia de plasmones superficiales para aplicaciones de detección. Fotón. Res. 5, 654–661 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Huang, D.-W., Ma, Y.-F., Sung, M.-J. y Huang, C.-P. Acérquese al límite de sensibilidad angular en sensores de resonancia de plasmones de superficie con prisma de bajo índice y gran ángulo de resonancia. Optar. Ing. 49, 054403 (2010).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zainuddin, N., Ariannejad, M., Arasu, P., Harun, S. y Zakaria, R. Investigación de espesores de revestimiento en sensor de índice de refracción de fibra óptica con pulido lateral basado en spr de plata. Resultados Phys. 13, 102255. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102255 (2019).

Artículo Google Académico

Almawgani, AHM et al. Detección de la concentración de glucosa mediante un biosensor de resonancia de plasmón superficial basado en capas de titanato de bario y láminas de disulfuro de molibdeno. física Scr. 97, 065501. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac68ad (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Weissman, A., Shukharev, M. & Salomon, A. Observación de un fuerte acoplamiento entre una nanoantena de corbatín inverso y un único agregado j. arXiv:2104.10524 (versión preliminar de arXiv) (2021).

Johnson, PB y Christy, R.-W. Constantes ópticas de los metales nobles. física Rev. B 6, 4370 (1972).

Artículo ADS CAS Google Académico

Elshorbagy, MH, Cuadrado, A., González, G., González, FJ & Alda, J. Mejora del rendimiento de sensores refractométricos mediante resonancias híbridas plasmónico-fano. J. Lightw. Tecnología 37, 2905–2913 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zheng, G., Cong, J., Xu, L. y Wang, J. Sensor de resonancia de plasmón superficial de alta resolución con resonancia de fano en estructuras multicapa acopladas a guía de ondas. aplicación física Expreso 10, 042202 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Nesterenko, DV & Sekkat, Z. Estimación de la resolución de los sensores de plasmones superficiales de una y dos capas au, ag, cu y al en las regiones ultravioleta, visible e infrarroja. Plasmónicos 8, 1585-1595 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Edmondson, W. Análisis de gases por medición del índice de refracción. Hermano J. Anaesth. 29, 570–574 (1957).

Artículo CAS Google Académico

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Este trabajo ha sido parcialmente financiado por los proyectos NERA del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España con la subvención RTI2018-101037-B-I00, y NANOROOMS con la subvención PID2019-105918GB-I00, por fondos AEI/FEDER y por la Comunidad de Madrid y FEDER Programa SINFOTON2-CM bajo Grant S2018/NMT-4326, y TELURO bajo Grant RTC2019-007113-3. Este trabajo fue financiado parcialmente por Proyectos de I+D para jóvenes investigadores de la Universidad Rey Juan Carlos financiado por la Comunidad de Madrid, Código 2022/00156/025, REF:M2742.

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Minia, 61519, El-Minya, Egipto

Mahmoud H. Elshorbagy

Facultad de Óptica y Optometría, Grupo Complutense de Óptica Aplicada, Universidad Complutense de Madrid, C/Arcos de Jalon, 118, 28037, Madrid, España

Mahmoud H. Elshorbagy y Javier Alda

Photonics Engineering Group, University of Alcalá, 28801, Alcalá de Henares, Madrid, Spain

Óscar Esteban

Escuela de Ciencias Experimentales y Tecnología, University Rey Juan Carlos, 28933, Móstoles, Madrid, Spain

Alexander Cuadrado

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ME y AC realizó las simulaciones y el cálculo numérico. Todos los autores participaron por igual en la definición de la hipótesis, el análisis de los datos, la discusión y la edición y revisión final del manuscrito. OE y JA participan en la asignación de los fondos necesarios.

Correspondencia a Javier Alda.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Elshorbagy, MH, Esteban, Ó., Cuadrado, A. et al. Dispositivo de detección refractométrica optoelectrónica para gases basado en corbatas de lazo dieléctricas y celdas solares de silicio amorfo. Informe científico 12, 18355 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

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Recibido: 27 mayo 2022

Aceptado: 26 de septiembre de 2022

Publicado: 01 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

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