유전체 활을 기반으로 한 가스용 광전자 굴절계 감지 장치

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18355(2022) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 2월 2일에 게시되었습니다.

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수소화 비정질 실리콘 태양전지(aSiH)를 광전자 굴절계 센서로 변환하는 것은 유전체 나비넥타이 공진 구조의 추가를 통해 가능했습니다. 인듐 투명 산화물 상부 전극은 얇은 금속층으로 대체되어 빛이 셀의 활성층으로 직접 전달되는 것을 선택적으로 방지합니다. 그런 다음 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 통해 광학 흡수를 활성화하기 위해 유전체 나비 넥타이 구조 배열이 이 전극 위에 배치됩니다. 전체 장치는 주변 매질인 측정 대상 분석물에 노출됩니다. 저굴절률, 중간 굴절률, 고굴절률을 갖는 세 가지 유전체 재료, 즉 불화마그네슘(MgF\(_2\)), 이산화규소(SiO\(_2\)) 및 질화알루미늄(AlN)이 나비 넥타이에 선택되었습니다. SPR 여기를 위한 결합 구조로 테스트되었습니다. 판독/단락 전류의 최대화는 이러한 구조의 기하학적 매개변수를 통해 달성되었습니다. 우리는 주어진 선택된 파장에서 a-Si 셀에 의해 전달되는 단락 전류를 최대화하기 위해 기하학적 매개변수를 선택했습니다. 이 디자인은 굴절률이 1보다 약간 높은 약 10\(^{-4}\)인 가스 측정 응용 분야에 맞게 맞춤화되었습니다. 우리의 분석에 따르면 나비넥타이를 착용할 때 \(2.4 \times 10^4\)(mA/W)/RIU의 초고감도와 성능지수 FOM= 107RIU\(^{-1}\)가 나타납니다. SiO\(_2\)로 만들어졌습니다. 이전에 문헌에 보고된 성능 랠리와 경쟁적이며 움직이는 부품과 스펙트럼 심문 요소를 모두 우회할 수 있는 추가 이점이 있습니다.

플라즈모닉 효과를 기반으로 한 광학 감지는 지난 30년 동안 많은 분야에 적용되었습니다1,2. 이 기술은 재료 식별3, 식품 품질 보증4, 비색법5, 환경 품질 테스트6 또는 바이오센싱 애플리케이션7을 위해 입증되었습니다. 환경 응용에 중점을 두고 탄화수소, 휘발성 유기 화합물, 미생물학적 위험 등과 같은 극소량의 대기 오염 물질을 감지하려면 고해상도 및 감도 장치가 필요합니다.8,9,10,11,12,13,14. 공기의 질과 구성 요소에 대한 모니터링은 굴절률15,16 측정을 통해 이루어질 수 있으며, 굴절률은 다른 물리적 매개변수(온도 및 압력)와 대기의 화학적 구성 요소(습도, 자연 또는 인공 표본의 존재 여부)에 따라 달라집니다. )17. 결과적으로, 굴절계 센서는 미리 설정된 조건이 충족되는지 또는 알려진 표본이 농도를 변경하는지 확인할 수 있습니다.

좁은 선택 반응으로 인해 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 기반으로 하는 광전자 장치는 환경 모니터링 및 감지를 위한 솔루션 중 하나입니다. 이 기술은 가스 감지20, 굴절률 감지21,22,23,24 및 화학 감지25에 적용될 수 있습니다. 다기능 및 다중 매개변수 센서26에도 포함될 수 있습니다. 플라즈몬 센서는 각도, 스펙트럼 및 광전자적으로 조사할 수 있습니다. 플라즈몬 반응의 각도 의존성을 사용할 때 시스템에는 일반적으로 움직이는 부품과 고정밀 측각기 또는 고가의 통합 판독 시스템이 필요합니다. 스펙트럼 심문에서도 마찬가지입니다. 조명 및/또는 감지 암28에 고해상도 단색 장치가 필요합니다. 순수한 광전자 질문 방법은 움직이는 부품 및/또는 단색 장치 없이 센서 자체에서 전달되는 전기 신호의 이점을 얻습니다. 이 사실은 심문 하위 시스템을 용이하게 하고 보다 작고 신뢰할 수 있는 센서를 만듭니다.

태양전지는 이미 만들어진 저가형 광검출기라고 볼 수 있다. 넓은 스펙트럼의 광전지 검출기로 설계되었지만 나노 구조의 메타 표면에 의해 생성된 SPR의 여기를 통해 선택적으로 반응하도록 쉽게 변환할 수 있습니다. 전체적으로 맞춤형 장치는 자체 구동되는 광전자 센서가 됩니다. 유기 및 무기 박막 태양 전지는 저비용, 경량 및 소형 감지 장치에 가장 적합한 후보입니다. 그 중, 수소화 비정질 실리콘(aSiH) 전지는 매우 저렴한 가격에 풍부하고 무독성이며 안정적인 물질32,33을 사용하는 상용 장치입니다. 그런 다음 aSiH는 광전자적으로 조사된 굴절계 가스 센서로 작동하도록 변환될 기본 장치로 이 백서에서 고려됩니다.