Analisi numerica del materiale a cambiamento di fase e del grafene

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7653 (2023) Citare questo articolo

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Qui presentiamo i risultati dell'analisi parametrica in un materiale di transizione di fase basato su Ge2Sb2Te5 (GST), a base di grafene, con un'ampia gamma dinamica nello spettro elettromagnetico infrarosso e visibile. La struttura suggerita è studiata in configurazioni multistrato, costruite con strati di materiali GST, grafene, silicio e argento. Il comportamento di riflettanza di queste strutture multistrato è stato descritto per indici di rifrazione compresi tra 1,3 e 2,5. Il progetto completo viene simulato utilizzando un processo computazionale chiamato metodo degli elementi finiti. Inoltre, abbiamo studiato l'impatto dell'altezza dei materiali sulle prestazioni della struttura in generale. Abbiamo presentato diverse curve di tracciamento risonanti in equazioni polinomiali per determinare il comportamento di rilevamento attraverso uno specifico intervallo di lunghezze d'onda e valori di indice di rifrazione. Il progetto proposto viene inoltre studiato a vari angoli di incidenza inclinati per accertarne la stabilità ad ampio angolo. Uno studio computazionale della struttura proposta può aiutare nell'evoluzione dei biosensori per identificare un'ampia gamma di biomolecole, tra cui maligne, emoglobina urinaria, saliva-cortisolo e glucosio.

L'integrazione delle scienze della vita e dell'elettronica ha prodotto una potente risorsa per lo studio e la misurazione delle interazioni biomolecolari. Negli ultimi anni, i dispositivi elettronici hanno contribuito in modo significativo alla caratterizzazione e all'analisi delle interazioni bioatomiche nelle scienze della vita1. L'interesse per questi dispositivi elettronici è aumentato in diversi campi, inclusi ma non limitati all'identificazione sintetica, alla genomica, al rilevamento clinico e alla proteomica2,3. I campi della ricerca farmaceutica, biomedica, della sicurezza alimentare, della difesa e del monitoraggio ambientale hanno tutti compreso l’importanza critica dell’uso dei biosensori. Di conseguenza, gli scienziati hanno sviluppato tecniche analitiche sensibili basate su biosensori in grado di rilevare cambiamenti minimi nei campioni biologici con grande precisione. I biosensori sono dispositivi diagnostici che utilizzano un componente di rilevamento biologico e hanno molti usi pratici in campi diversi come lo sviluppo di farmaci, la diagnosi medica, la lavorazione degli alimenti, il monitoraggio ambientale, la difesa militare e la sicurezza nazionale4. Il primo biosensore, che utilizzava un elettrodo di glucosio ossidasi immobilizzato per rilevare elettrochimicamente l'ossigeno o il perossido di idrogeno, è stato sviluppato da Clark e Lyons per quantificare il glucosio nei campioni biologici5. Da allora, la tecnologia e le applicazioni dei biosensori hanno fatto enormi progressi grazie a nuove tecniche in campi che vanno dall'elettrochimica e dalle nanotecnologie alla bioelettronica6. Un biosensore ottico è essenzialmente un elemento di bioriconoscimento a breve distanza da un trasduttore hardware, che converte la cattura di un analita in uno spostamento rilevabile in alcuni aspetti delle proprietà della luce (come intensità, lunghezza d'onda, risonanza o indice di rifrazione) . Interferometri7, reticoli8, plasmonici9 e risonatori10 sono solo alcuni esempi di meccanismi di trasduzione fisica che possono essere utilizzati nel rilevamento ottico. Per quanto riguarda i sensori, quelli basati sulla plasmonica sono forse i più conosciuti e comunemente utilizzati11. Per molti, il biosensore di risonanza plasmonica superficiale (SPR) rappresenta l'apice della tecnologia dei biosensori ottici e plasmonici9. La prima prova registrata di SPR si è verificata nel mondo fisico nel 1902. Questa oscura osservazione dei fenomeni ottici si è sviluppata nel corso di decenni in una solida visione della fisica dei plasmoni di superficie12. Liedeberg e Nylander dimostrarono per la prima volta la risonanza plasmonica di superficie (SPR) come un utile biosensore ottico nel 1982 per il rilevamento e il biorilevamento di gas13. Da allora, SPR ha rafforzato la chimica delle superfici fungendo da punto di accesso dove chimica, fisica e biologia possono convergere14. Poiché le prospettive per i biosensori basati sulla risonanza plasmonica di superficie (SPR) continuano ad espandersi rapidamente15, si è verificata una recente esplosione nel numero di ricercatori interessati all'argomento e la tecnica SPR ha guadagnato terreno nei biosensori come mezzo di rilevamento16. Grazie alle loro qualità benefiche, come la capacità di rilevamento continuo su un sistema senza etichetta, osservazione costante, reazione rapida e sensibilità elevata, nonché ai loro vantaggi degni di nota come flessibilità di progettazione, miniaturizzazione, multiplexing dei dati di rilevamento e rilevamento remoto17 , la tecnologia SPR ha ampliato i suoi potenziali ambiti di applicazione dal biomedico all'ambiente e persino all'industriale. Negli ultimi anni sono stati raggiunti con successo la commercializzazione e l'uso diffuso di biosensori basati su SPR per rilevare un'ampia varietà di biomolecole, tra cui acido nucleico, proteine, una vasta gamma di enzimi, fattori di crescita, DNA, anticorpi, medicinali e qualità degli alimenti18,19 ma soprattutto le applicazioni biomediche della SPR sono particolarmente innovative20. Le oscillazioni collettive degli elettroni nei metalli sono chiamate plasmoni e possono essere plasmoni di superficie propaganti (PSP) che viaggiano lungo interfacce metallo-dielettrico o plasmoni di superficie localizzati (LSP) che sono confinati sulla superficie di una nanostruttura metallica (con dimensioni inferiori a lunghezza d'onda della luce) (LSP). È uno strumento cruciale per sondare i processi superficiali perché l’accoppiamento di queste modalità con la luce in arrivo dà come risultato risonanze che dipendono fortemente dalle composizioni, forme e dimensioni della nanostruttura metallica e dalle caratteristiche dielettriche del mezzo circostante. Sia gli SP che gli LSP hanno un campo elettromagnetico localizzato in superficie e decade esponenzialmente nel mezzo ambientale con emivite rispettivamente di 30 nm e 200 nm. Di conseguenza, i sensori costruiti su questi processi sono altamente in sintonia con i cambiamenti che si verificano in prossimità del suolo. Il contatto fisico-chimico con l'analita provoca un cambiamento nell'indice di rifrazione dello strato sensibile attorno alla nanostruttura metallica, che è la base per i sensori SPR e LSPR21.