Dispositivo di rilevamento rifrattometrico optoelettronico per gas basato su arco dielettrico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18355 (2022) Citare questo articolo

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La trasformazione di una cella solare in silicio amorfo idrogenato (aSiH) in un sensore rifratometrico optoelettronico è stata possibile attraverso l'aggiunta di strutture risonanti dielettriche a farfalla. L'elettrodo superiore in ossido trasparente di indio è sostituito da un sottile strato metallico per impedire selettivamente la trasmissione diretta della luce allo strato attivo della cella. Quindi, una serie di strutture dielettriche a farfalla viene posizionata sopra questo elettrodo, per attivare l'assorbimento ottico attraverso la risonanza plasmonica superficiale (SPR). L'intero dispositivo è esposto all'analita da misurare, che è il mezzo circostante. Per i papillon sono stati selezionati tre diversi materiali dielettrici con indice di rifrazione basso, medio e alto, vale a dire fluoruro di magnesio (MgF\(_2\)), biossido di silicio (SiO\(_2\)) e nitruro di alluminio (AlN) sono stati testati come struttura di accoppiamento per l'eccitazione SPR. La massimizzazione della corrente di lettura/cortocircuito è stata ottenuta attraverso i parametri geometrici di tale struttura. Abbiamo selezionato i parametri geometrici per massimizzare la corrente di cortocircuito erogata dalla cella a-Si ad una data lunghezza d'onda selezionata. Il design è stato personalizzato per applicazioni di misurazione del gas, dove l'indice di rifrazione è leggermente superiore a 1 intorno a 10\(^{-4}\). La nostra analisi rivela una sensibilità ultraelevata di \(2,4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU e una figura di merito FOM= 107 RIU\(^{-1}\), quando il papillon è fatto di SiO\(_2\). Un rally di prestazioni competitivo rispetto a quelli precedentemente riportati in letteratura, con l'ulteriore vantaggio di aggirare sia le parti in movimento che gli elementi di interrogazione spettrale.

Il rilevamento ottico basato sull'effetto plasmonico è stato applicato in molti settori negli ultimi tre decenni1,2. Questa tecnologia è stata dimostrata per l'identificazione dei materiali3, il controllo della qualità degli alimenti4, la colorimetria5, i test di qualità ambientale6 o le applicazioni di biosensori7. Concentrandosi sulle applicazioni ambientali, sono necessari dispositivi ad alta risoluzione e sensibilità per rilevare quantità molto piccole di inquinanti atmosferici come idrocarburi, composti organici volatili, rischi microbiologici, ecc.8,9,10,11,12,13,14. Il monitoraggio della qualità e della composizione dell'aria può essere effettuato attraverso la misura del suo indice di rifrazione15,16, che dipende anche da altri parametri fisici (temperatura e pressione), e dalla composizione chimica dell'atmosfera (umidità, presenza di agenti naturali o artificiali )17. Di conseguenza, un sensore rifrattometrico può verificare se alcune condizioni preimpostate sono soddisfatte o se un campione noto varia la sua concentrazione.

A causa della loro ristretta risposta selettiva, i dispositivi optoelettronici basati sulle risonanze plasmoniche superficiali (SPR) sono una delle soluzioni per il monitoraggio e il rilevamento ambientale18,19. Questa tecnologia può essere applicata al rilevamento di gas20, al rilevamento dell'indice di rifrazione21,22,23,24 e al rilevamento di sostanze chimiche25. Possono essere inclusi anche in sensori multifunzionali e multiparametrici26. Il sensore plasmonico può essere interrogato angolarmente, spettralmente e optoelettronicamente. Quando si utilizza la dipendenza angolare della risposta plasmonica, il sistema solitamente richiede parti mobili e un goniometro ad alta precisione o costosi sistemi di lettura integrati27. Lo stesso accade con l'interrogazione spettrale: necessita di monocromatori ad alta risoluzione nell'illuminazione e/o nei bracci di rilevamento28. Il metodo di interrogazione optoelettronico puro beneficia del segnale elettrico fornito dal sensore stesso senza la necessità di parti mobili e/o monocromatori. Questo fatto facilita i sottosistemi di interrogazione e rende il sensore più compatto e più affidabile29.

Una cella solare può essere vista come un rilevatore di luce già realizzato e a basso costo. Sebbene progettato come rilevatore fotovoltaico ad ampio spettro, può essere facilmente trasformato per rispondere selettivamente attraverso l'eccitazione di SPR generati da metasuperfici nanostrutturate30. Nel suo insieme il dispositivo personalizzato diventa un sensore optoelettronico autoalimentato20. Le celle solari a film sottile organiche e inorganiche sono i migliori candidati per dispositivi di rilevamento a basso costo, leggeri e compatti31. Tra questi, le celle in silicio amorfo idrogenato (aSiH) sono dispositivi commerciali che utilizzano un materiale abbondante, non tossico e stabile32,33 a un prezzo abbastanza conveniente. Quindi, aSiH sarà considerato in questo articolo come il dispositivo di base che sarà trasformato per funzionare come un sensore di gas rifrattometrico interrogato optoelettronicamente34.