Оптоэлектронный рефрактометрический датчик газов на основе диэлектрической дуги

Том 12 научных докладов, номер статьи: 18355 (2022) Цитировать эту статью

624 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье опубликована 2 февраля 2023 г.

Эта статья обновлена

Преобразование солнечного элемента из гидрогенизированного аморфного кремния (aSiH) в оптоэлектронный рефратометрический датчик стало возможным за счет добавления диэлектрических резонансных структур в виде галстука-бабочки. Верхний электрод из прозрачного оксида индия заменен тонким металлическим слоем, чтобы избирательно предотвратить прямую передачу света на активный слой ячейки. Затем поверх этого электрода помещается массив диэлектрических структур-галстуков-бабочек, чтобы активировать оптическое поглощение посредством поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Все устройство подвергается воздействию измеряемого аналита, который представляет собой окружающую среду. Для галстуков-бабочек были выбраны три разных диэлектрических материала с низким, средним и высоким показателем преломления, а именно фторид магния (MgF\(_2\)), диоксид кремния (SiO\(_2\)) и нитрид алюминия (AlN). были протестированы в качестве связующей конструкции для возбуждения SPR. Максимизация тока считывания/короткого замыкания была достигнута за счет геометрических параметров такой конструкции. Мы выбрали геометрические параметры, чтобы максимизировать ток короткого замыкания, вырабатываемый a-Si-элементом на заданной выбранной длине волны. Конструкция была адаптирована для измерений газов, где показатель преломления немного выше 1, около 10\(^{-4}\). Наш анализ показывает сверхвысокую чувствительность \(2,4 \times 10^4\) (мА/Вт)/RIU и показатель качества FOM= 107 RIU\(^{-1}\), когда галстук-бабочка изготовлен из SiO\(_2\). Повышение производительности, конкурентоспособное по сравнению с ранее описанными в литературе, с дополнительным преимуществом, заключающимся в обходе как движущихся частей, так и элементов спектрального опроса.

Оптическое зондирование, основанное на плазмонном эффекте, применялось во многих областях за последние три десятилетия1,2. Эта технология была продемонстрирована для идентификации материалов3, обеспечения качества пищевых продуктов4, колориметрии5, испытаний качества окружающей среды6 или биосенсорных приложений7. Сосредоточив внимание на экологических приложениях, необходимы устройства с высоким разрешением и чувствительностью для обнаружения очень малых количеств атмосферных загрязнителей, таких как углеводороды, летучие органические соединения, микробиологические опасности и т. д.8,9,10,11,12,13,14. Мониторинг качества и состава воздуха может осуществляться путем измерения его показателя преломления15,16, который также зависит от других физических параметров (температуры и давления), и химического состава атмосферы (влажность, наличие естественных или искусственных образцов). )17. Как следствие, рефрактометрический датчик может проверить, выполняются ли некоторые заданные условия или известный образец меняет свою концентрацию.

Оптоэлектронные устройства на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) из-за узкого избирательного отклика являются одним из решений для мониторинга и зондирования окружающей среды18,19. Эту технологию можно применять для измерения газа20, измерения показателя преломления21,22,23,24 и химического измерения25. Их также можно включать в состав многофункциональных и многопараметрических датчиков26. Плазмонный датчик можно опрашивать угловым, спектральным и оптоэлектронным способом. При использовании угловой зависимости плазмонного отклика система обычно требует движущихся частей и высокоточного гониометра или дорогостоящих интегрированных систем считывания27. То же самое происходит и со спектральным опросом: для него нужны монохроматоры высокого разрешения в осветительном и/или детекторном плечах28. Чисто оптико-электронный метод опроса использует электрический сигнал, передаваемый самим датчиком, без необходимости использования движущихся частей и/или монохроматоров. Этот факт упрощает работу подсистем опроса и делает датчик более компактным и надежным29.

Солнечную батарею можно рассматривать как готовый и недорогой детектор света. Несмотря на то, что он спроектирован как фотоэлектрический детектор с широким спектром, его можно легко трансформировать для избирательного реагирования посредством возбуждения SPR, генерируемого наноструктурированными метаповерхностями30. В целом адаптированное устройство становится оптоэлектронным датчиком с автономным питанием20. Органические и неорганические тонкопленочные солнечные элементы являются лучшими кандидатами на роль недорогих, легких и компактных сенсорных устройств31. Среди них элементы из гидрогенизированного аморфного кремния (aSiH) — это коммерческие устройства, в которых используется распространенный, нетоксичный и стабильный материал32,33 по вполне доступной цене. Затем в этой статье aSiH будет рассматриваться как базовое устройство, которое будет преобразовано для работы в качестве рефрактометрического датчика газа, опрашиваемого оптоэлектронно34.