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May 03, 2023

Biosensori basati su nuovi delta non lineari

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17674 (2022) Citare questo articolo

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In questa ricerca, proponiamo un nuovo cristallo fotonico con funzione delta non lineare per rilevare soluzioni di ioduro di sodio (NaI) a diverse concentrazioni. La struttura suggerita comprende 50 stack delta di GaP in una soluzione acquosa di NaI. Si ritiene che questi stack abbiano una debole non linearità di defocalizzazione dell'ordine di 10−6 (V/m)−2. A causa della non linearità del progetto, all'interno del gap di banda fotonica si forma una risonanza simile a un difetto. Pertanto, il rilevamento di NaI con diverse concentrazioni può essere facilmente studiato senza l'inclusione di un difetto attraverso la struttura cristallina fotonica. Vengono discussi approfonditamente gli effetti sia della parte lineare dell'indice di rifrazione degli strati GaP che del coefficiente non lineare sul valore di trasmittanza. I risultati numerici indagano sul fatto che il picco risonante inizia a dividersi in corrispondenza di una non linearità critica. Nella struttura da noi proposta, la scissione avviene a circa −12 × 10−6 (V/m)−2. A questo proposito, il sensore suggerito fornisce un'elevata sensibilità di 409,7 nm/RIU e un meraviglioso limite di rilevamento di 0,0008.

Negli ultimi anni è stato dimostrato un crescente interesse per lo studio della propagazione delle onde attraverso strutture periodiche, in particolare progetti unidimensionali (1D). Tra queste strutture, la più importante è il materiale cristallo fotonico (PC) o band gap fotonico (PBG), introdotto per la prima volta da Yablonovitch e John1,2. Successivamente, i PC sono stati fabbricati in strutture 1D, 2D e 3D per varie applicazioni3,4,5,6. Questi cristalli sono materiali nanostrutturati periodicamente modulati che realizzano molteplici interferenze delle onde incidenti su ciascuna interfaccia di questi materiali5,6. Fisicamente, l'interfaccia si forma a causa della differenza nella costante dielettrica di ciascun materiale, simile alla differenza nel livello di Fermi del gap di banda elettronico e dei materiali semiconduttori1,7,8. Sulla base della discrepanza ottica tra i componenti dei PC, possono essere introdotti i PBG. Questo PBG porta ad alcune nuove proprietà fisiche e numerose potenziali applicazioni che non possono essere studiate utilizzando i materiali convenzionali9,10.

Lo scopo di questa ricerca è studiare la propagazione delle onde elettromagnetiche attraverso un PC 1D con funzione delta composto da delta stack (materiale non lineare (NL)) di fosfuro di gallio (GaP) e situato in una soluzione acquosa per scopi di rilevamento. L'eterostruttura del PC è rilevante per il modello Kronig-Penney che descrive il movimento degli elettroni in una barriera potenziale periodica 1D11,12. È noto che strutture disordinate nei materiali lineari inducono un effetto di localizzazione per l'onda propagata mentre l'interazione non lineare introduce una sorta di effetto di delocalizzazione per l'onda incidente attraverso sistemi periodici13. Nei reticoli unidimensionali disordinati, la teoria di Anderson prevede una trasmittanza che decade esponenzialmente con la lunghezza della struttura14. Tuttavia, è stato dimostrato che il coefficiente di trasmissione decade lentamente nelle strutture non lineari15,16. D'altra parte, vale la pena ricordare che le interazioni non lineari introducono qualche disordine nella struttura periodica e quindi aumentano l'effetto di localizzazione per l'onda incidente12,13. Alcuni studi confermano che per grandi nonlinearità l'effetto di delocalizzazione dell'onda propagata scompare nettamente17. Motivati ​​dai lavori sopra menzionati, intendiamo qui migliorare l'effetto di localizzazione delle onde elettromagnetiche incidenti nella regione del visibile attraverso un PC con funzione delta non lineare inserendo il disegno in una soluzione acquosa (i liquidi sono unici per la localizzazione delle onde e gli effetti di risonanza18,19 e così come aumentando la non linearità nella progettazione del PC. Di conseguenza, il secondo scopo della ricerca qui è studiare gli effetti della non linearità sugli spettri di trasmissione del PC e mostrare come il coefficiente di trasmissione decade defocando la non linearità del non lineare proposto materiali.