Новости

Oct 26, 2023

Биосенсоры на основе новой нелинейной дельты

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17674 (2022) Цитировать эту статью

926 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

В этом исследовании мы предлагаем новый нелинейный фотонный кристалл с дельта-функцией для обнаружения раствора йодида натрия (NaI) различных концентраций. Предложенная структура включает 50 дельта-стопок GaP в водном растворе NaI. Считается, что эти стопки обладают слабой нелинейностью дефокусировки, порядка 10–6 (В/м)–2. Из-за нелинейности конструкции внутри фотонной запрещенной зоны формируется дефектоподобный резонанс. Таким образом, обнаружение NaI с различными концентрациями можно легко исследовать без включения дефекта в фотонно-кристаллической структуре. Подробно обсуждается влияние как линейной части показателя преломления слоев GaP, так и нелинейного коэффициента на величину пропускания. Численные результаты показывают, что резонансный пик начинает расщепляться при некоторой критической нелинейности. В предложенной нами структуре расщепление происходит при примерно – 12 × 10–6 (В/м)–2. В связи с этим предлагаемый датчик обеспечивает высокую чувствительность 409,7 нм/RIU и прекрасный предел обнаружения 0,0008.

В последние годы продемонстрирован растущий интерес к исследованию распространения волн через периодические структуры, особенно одномерные (1D) конструкции. Среди этих структур наиболее важной является фотонный кристалл (ПК) или материал с фотонной запрещенной зоной (PBG), который впервые был представлен Яблоновичем и Джоном1,2. После этого были изготовлены ПК в 1D, 2D и 3D структурах для различных приложений3,4,5,6. Эти кристаллы представляют собой периодически модулированные наноструктурированные материалы, осуществляющие многократную интерференцию падающих волн на каждой границе раздела этих материалов5,6. Физически интерфейс формируется из-за разницы в диэлектрической проницаемости каждого материала, подобно разнице в уровне Ферми электронной запрещенной зоны и полупроводниковых материалов1,7,8. На основании оптического несоответствия между компонентами ПК могут быть введены PBG. Этот PBG приводит к некоторым новым физическим свойствам и многочисленным потенциальным применениям, которые невозможно исследовать с использованием обычных материалов9,10.

Целью данного исследования является изучение распространения электромагнитных волн через дельта-функциональный 1D ПК, состоящий из дельта-стопок (нелинейный (NL) материал) фосфида галлия (GaP) и расположенных в водном растворе для целей зондирования. Гетероструктура ПК соответствует модели Кронига-Пенни, которая описывает движение электронов в одномерном периодическом потенциальном барьере11,12. Хорошо известно, что неупорядоченные структуры в линейных материалах вызывают эффект локализации распространяющейся волны, тогда как нелинейное взаимодействие вносит своего рода эффект делокализации падающей волны через периодические системы13. В неупорядоченных одномерных решетках теория Андерсона предсказывает экспоненциально спадающий коэффициент пропускания с длиной структуры14. Однако было доказано, что коэффициент передачи медленно затухает в нелинейных структурах15,16. С другой стороны, стоит отметить, что нелинейные взаимодействия вносят некоторый беспорядок в периодическую структуру и, следовательно, усиливают эффект локализации падающей волны12,13. Некоторые исследования подтверждают, что при больших нелинейностях эффект делокализации распространяющейся волны заметно исчезает17. Руководствуясь вышеупомянутыми работами, мы намерены здесь усилить эффект локализации падающих электромагнитных волн в видимой области посредством нелинейной дельта-функции PC, помещая конструкцию в водный раствор (жидкости уникальны для локализации волн и резонансных эффектов18,19 и а также за счет увеличения нелинейности в конструкции ПК. Следовательно, второй целью исследования здесь является изучение влияния нелинейности на спектры пропускания ПК и показать, как убывает коэффициент передачи за счет дефокусировки нелинейности предлагаемого нелинейного ПК. материалы.