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Nov 13, 2023

Analisi delle prestazioni della salinità basata sul due esagonale

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22133 (2022) Citare questo articolo

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Abbiamo progettato una struttura unica per un sensore di liquido basato su PC bidimensionali con un reticolo triangolare costante nella periodicità forando un cilindro esagonale in un materiale ospite dielettrico. Utilizzando l'approccio multifisico COMSOL, abbiamo studiato la struttura data e le prestazioni di rilevamento in base al metodo degli elementi finiti. Ottimizzeremo i cristalli fotonici esagonali bidimensionali per localizzare la regione del band gap fotonico nella gamma di frequenze del medio e lontano infrarosso, poiché l'acqua è un buon assorbitore per questa gamma di frequenze. Quindi, iniettiamo il cilindro esagonale centrale con acqua salina e calcoliamo i parametri del sensore per diversi valori dell'indice di rifrazione dell'acqua salina a diverse frequenze correlate alle bande proibite fotoniche. Potremmo raggiungere le condizioni ottimali del sensore di salinità poiché la metà diagonale della forma esagonale (R) = 500 nm, la distanza perpendicolare tra le due diagonali esagonali (D) = 250 nm, e il numero di periodi (N) = 5 , che fornisce un'elevata efficienza con sensibilità (S) = 525 nm/RIU, figura di merito (FOM) = 80,7 RIU−1 e fattore di qualità (Q) = 375. Vengono studiati gli effetti delle caratteristiche strutturali sulle prestazioni di rilevamento, con proposti nuovi approcci per migliorare i sensori di salinità. Inoltre, i tradizionali sensori di salinità possono essere sostituiti dal metodo proposto nell'applicazione di fotorilevamento, che è semplice e pratico per l'uso nelle tecniche di dissalazione termica.

I cristalli fotonici erano considerati nuove strutture di materiali con proprietà ottiche che vengono periodicamente modificate1,2,3,4,5. I PC rappresentano attualmente una tecnologia importante nei metodi fotonici6,7. Poiché le loro costanti ottiche dipendono dalla lunghezza d'onda incidente, sono anche considerati un mezzo dispersivo. I PC hanno suscitato molto interesse a causa della loro insolita interazione con EMW8. Inoltre, i PC possono controllare e regolare la trasmissione di EMW. In modo che l'EMW possa essere focalizzato su una regione attiva secondo i requisiti dell'applicazione9. Il gap di banda fotonico (PBG) è un aspetto significativo dei PC, in cui le modalità elettromagnetiche non sono in grado di propagarsi attraverso la struttura in questa regione di lunghezze d'onda incidenti. Pertanto, questi PBG hanno una zona vietata alla propagazione dei fotoni, ma consentono comunque la presenza di modi localizzati e di onde ottiche ristrette10. Questa proprietà apre una grande tendenza nella gestione della luce per risolvere la dissipazione di potenza nelle applicazioni ottiche. Pertanto, può essere utilizzato anche in diversi campi, come il rilevamento fotografico11 e il rilevamento12. Altrimenti, sono in aumento la conversione dell’energia solare13,14,15 e la desalinizzazione dell’acqua16 basata su PC.

Scienziati e ricercatori hanno recentemente concentrato i loro sforzi sull'esame delle tecnologie di desalinizzazione. Pertanto, il sensore di salinità è molto importante per determinare il livello di salinità dell'acqua dolce generata. La salinità (S), definita come la quantità di sale in grammi disciolti in 1 grammo di acqua salata e rappresentata in parti per mille (PPT), indica la quantità di sale presente nell'acqua di mare. È stato osservato che la salinità dell'oceano aperto è compresa tra 34 e 37 PPT, che può anche essere espressa come 34-37 unità pratiche di salinità (PSU). In cui l'acqua di mare con S pari a 35 contiene circa 35 g di sale e 965 g di acqua, ovvero 35 ppt (35 PSU). Pertanto, l’acqua potrebbe essere utilizzata per l’irrigazione e il consumo umano a \(S\le 0,5 \left(PPT\right)\)17. L'interazione tra EMW e acqua salina è il metodo fondamentale di rilevamento del livello di salinità utilizzato da decenni18,19. Pertanto, i PC – l’interazione dell’EMW con la materia – sono stati recentemente ampiamente utilizzati nell’identificazione di applicazioni fluide poiché possono fornire elevati gradi di sensibilità per modificare l’indice di rifrazione. Inoltre, secondo la formula dell'effetto termo-ottico, i PC possono essere utilizzati come sensori di temperatura poiché l'indice di rifrazione varia con la temperatura20. Pertanto, i PC potrebbero essere utilizzati per determinare l'indice di rifrazione di liquidi e gas secondo ricerche precedentemente pubblicate21,22,23. Di conseguenza, l’utilizzo della tecnologia PC rappresenta una nuova classe di tecnologia di desalinizzazione, soprattutto nella determinazione del livello di salinità24. Il principio del sensore dipende dalla generazione di modalità di difetto all'interno degli intervalli PBG che sono dovute alle variazioni dell'indice di rifrazione del fluido circostante. Gli analiti biologici possono essere rilevati anche con sensori di microcavità PC bidimensionali e considerazioni teoriche25.