六角二法に基づく塩分の性能解析

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22133 (2022) この記事を引用

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我々は、誘電体ホスト材料に六角形の円柱を穿孔することにより、周期的に三角格子定数を有する二次元PCに基づく液体センサー用のユニークな構造を設計した。 COMSOL マルチフィジックスアプローチを使用して、有限要素法に基づいて与えられた構造とセンシング性能を調査しました。水はこの周波数範囲では優れた吸収体であるため、私たちは二次元六角形フォトニック結晶を最適化し、中赤外線および遠赤外線の周波数範囲にフォトニックバンドギャップ領域を局在化させます。次に、中央の六角形の円筒に塩水を注入し、フォトニックバンドギャップに関連するさまざまな周波数での塩水の屈折率のさまざまな値に対するセンサーパラメータを計算します。六角形の半分の対角線 (R) = 500 nm、2 つの対角線の六角形の間の垂直距離 (D) = 250 nm、周期数 (N) = 5 という塩分センサーの最適条件に達することができました。これにより、感度 (S) = 525 nm/RIU、性能指数 (FOM) = 80.7 RIU−1、品質係数 (Q) = 375 という高い効率が得られます。センシング性能に対する構造特性の影響は、以下のように調査されます。塩分センサーを改善するための新しいアプローチが提案されました。さらに、光感知用途では従来の塩分センサーを提案された方法に置き換えることができます。この方法は熱淡水化技術で使用するのに簡単で実用的です。

フォトニック結晶は、周期的に変化する光学特性を備えた新しい材料構造とみなされました1、2、3、4、5。 PC は現在、フォトニクス手法における有力な技術です 6,7。それらの光学定数は入射波長に依存するため、分散媒ともみなされます。 PC は、EMW8 との珍しい相互作用により、多くの関心を集めています。さらに、PC は電磁波の送信を制御および規制できます。これにより、アプリケーションの要件に従って EMW がアクティブな領域に集中できるようになります9。フォトニックバンドギャップ (PBG) は PC の重要な側面であり、この領域の入射波長では電磁モードが構造を通って伝播することができません。したがって、これらの PBG には光子の伝播が禁止されたゾーンがありますが、それでも局在モードと制限された光波の存在が許容されます 10。この特性により、光学アプリケーションにおける電力損失を解決するための光管理における大きな傾向が開かれます。そのため、光検出11やセンシング12などのさまざまな分野での利用も可能です。それ以外では、太陽エネルギー変換 13、14、15 と PC ベースの水の淡水化 16 が増加しています。

科学者や研究者は最近、淡水化技術の検討に注力しています。したがって、塩分センサーは、生成された淡水の塩分濃度を測定するために非常に重要です。塩分濃度 (S) は、1 g の塩水に溶解している塩のグラム量として定義され、1,000 分の 1 (PPT) で表され、海水中の塩の量を示します。外洋の塩分濃度は 34 ～ 37 PPT であることが観察されており、これは 34 ～ 37 の実用塩分単位 (PSU) としても表現されます。ここで、S が 35 の海水には、約 35 g の塩と 965 g の水、つまり 35 ppt (35 PSU) が含まれます。したがって、この水は \(S\le 0.5 \left(PPT\right)\)17 で灌漑と人間の消費に使用できる可能性があります。 EMW と塩水の相互作用は、数十年にわたって使用されてきた塩分濃度検出の基本的な方法です 18,19。したがって、PC（EMW と物質の相互作用）は、屈折率の変化に対して高度な感度を提供する可能性があるため、最近、流体用途の特定に広く使用されています。また、熱光学効果の公式によれば、PC は温度によって屈折率が変化するため、温度センサーとして利用できます20。したがって、以前に発表された研究によれば、PC を使用して液体と気体の屈折率を測定できる可能性があります 21、22、23。結果として、PC 技術の採用は、特に塩分濃度の測定において、新しい種類の脱塩技術となります 24。センサーの指針は、周囲の流体の屈折率の変化に起因する PBG 範囲内での欠陥モードの生成に依存します。生物学的分析物は、2 次元 PC マイクロキャビティセンサーと理論的考察によって検出することもできます 25。

研究者は、導波管や光制御として利用できるため、2 次元 PC に興味を持っています26。さらに、2 次元 PC の三角格子は超小型論理ゲートの設計に使用されています27。また、空気中に三角格子ロッドを有する As2Se3 カルコゲニドは、PC の対角方向に線欠陥を構築する (ロッドを除去する) ことにより、デジタル論理ゲートと全光パワースプリッターの設計に使用されます 28。 2D-PC の人気のため、次のセクションで詳しく説明するように、三角形の格子定数と六角形の単位セルを持つ 2D-PC の基本特性に基づいて塩分センサーを設計する傾向があります。

この研究の目的は、三角格子定数と六角形の単位格子を持つ 2D–PC がどのようにして海水の塩分レベルを決定できるかを示すことです。塩分濃度は塩水の屈折率で表され、1.3326 RIU から 1.3505 RIU まで変化します。三角形の間隔で六角形の穴が開けられたスラブを通る法線透過を調査しました。次に、センサーの性能は、性能指数 (FOM) 品質係数 (Q) や感度 (S) などのさまざまなパラメーターを計算することによって評価されます29,30。

現在の構造の理論的モデリングを検討します。有限要素法 [FEM] は、COMSOL マルチフィジックスシミュレーション手順で使用される基本的な数学的手法です 31,31。図1に示したように、検討した構造は六角形のドリル穴で構成されており、ホスト材料マトリックス内の細胞を2方向の三角形配列で結合し、3方向では均一に結合しており、これが2次元PCであると考えられます。

六角形の単位セルを持つ 2D-PC の概略構造 (A) 六角形間の距離を示す構造の表面、(B) 1 つの単位セル、および (C) x 方向の単位セルの配列。

図 1 では、図に示すように、X は対角格子パラメータ (中心間)、R は六角形の半分の対角線、D は 2 つの対角六角形の間の垂直距離です。 A は、図に示すように X 方向の格子パラメータです。

図 1 で考慮されている構造には、格子パラメータ (中心間)、六角形の半分の対角線 R、図に示す 2 つの対角六角形の間の垂直距離 D など、複数のパラメータがあります。そこで、高感度特性を得るために、図1に示すように、考慮した構造の光学特性を研究します。式でわかります。 (3)、水の指数は、塩分濃度 S (%)、海水温度 (°C)、および波長 (\(\lambda\)) (nm32,33) というさまざまなパラメータに依存します。

図 1 で検討されている構造では、二酸化チタンのホスト材料にドリルで開けられた六角形の穴で構成されています。すべての穴は空気で占められているため、塩水で満たされている中央の穴が検出されることが期待されます。最後に、検討中の塩分センサーの性能は、前述したようにいくつかの要因によって計算されます。等式これらの値を計算するには、以下の (4、5、および 6) が一般的に使用されます34。

ここで、\(\Delta \lambda\)、\(\Delta n\)、\({\lambda }_{r}\) は、それぞれ波長差、屈折率変化、中心波長です。 FWHM は半値での全波を表します。

私たちのシミュレーション手順は 2 次元で実行され、3 次元では均一な特性が得られます。塩水の六角形の単位格子を持つ 2D-PC のシミュレーション手順の境界条件は、図 1C のように、波の伝播方向に垂直な 2 つの辺の周期条件です。また、有限要素法でより正確な結果を得るには、メッシュサイズは自由三角形サイズの最小入射波長より 10 倍小さくする必要があります。したがって、シミュレーションメッシュパラメータは、最大要素サイズ \(70 (\mathrm{nm})\)、最小要素サイズ 0.213 \((\mathrm{nm})\)、および最大要素成長率となります。は1.1です。モデルの定義マテリアル部分で、ホストマテリアルの屈折率 \((Ti{O}_{2})\) を 2.535 に置き換えます。

このパートでは、塩分濃度に依存する塩水の指数 (n) の変化に非常に敏感な構造の最適化手順に関する理論的結果と議論を示します。ここで示される結果と議論は 2 段階で示されます。まず、海水の光学特性に関連する特定の周波数範囲でフォトニックバンドギャップ領域を局在化するために 2D 六角形 PC を最適化します。次に、第 2 段階では、構造の欠陥層が塩水である欠陥のある 2 次元フォトニック結晶を扱います。最後に、光検知アプリケーションにおいて塩分センサーの最適な状態をさらに達成することができました。

ここでは、周期数 (N)、六角形の半分の対角線 (R)、2 つの対角六角柱間の垂直距離 (D) などの各パラメータが光学特性に及ぼす影響を調べます。 2D ヘキサゴナル PC の構造、特に PBG の幅と位置について検討しました。したがって、周期数の影響を調べると、図 2 に示されます。図 2 は、2 次元六角形単位セルの透過スペクトルを表します。半径 \(( R)=80 \mathrm{nm}\) のすべての円柱 (六角形) は空気で満たされており、ホスト材料の \(D=160 \mathrm{nm},\) は二酸化チタン \( (Ti{O}_{2})\) は、示されているように、N のさまざまな値に対応します。ここで、示されているように、およそ 940 ～ 1200 nm の波長範囲で N の値を増加させることにより、PBG 位置はほぼ一定になりますが、これにより PBG エッジが鋭くなります。

\(R=80 nm\)、\(D=160 nm,\) で、すべての円筒が二酸化チタンのホスト材料で空気で満たされている 2 次元六角柱単位セルの透過特性 \((Ti{ O}_{2})\) に示すように、期間の数を変化させます。

さらに、N 周期の値が大きくなると、共鳴ピークが他のものよりも鋭くなることがわかりました。したがって、センサーの感度を高めるために、このより多くの周期に対して完全な構造を生成するように最適化します。図 3 は、考慮した構造を通る電場の分布を示しています。また、提示された構造の注水内で電場を局所化するため、異なる屈折率を区別できるという利点が構造に与えられます。

\(R=80 \mathrm{nm}\)、\(D=160 \mathrm{nm},\) の二次元六角柱単位胞の構造内部の電場分布。すべての円柱は空気で満たされています。二酸化チタンのホスト材料 \((Ti{O}_{2})\) で。また、(A) と (B) のように、入射周波数の値が異なる場合、N 周期は 7 に等しくなります。

図 3 では、波の伝播方向に完全な整合層があり、法線方向に周期的な境界条件がある六角形の単位セルの 1 つの配列を取り上げます。これまでに示したように、構造内部の電場の分布も調査しました。したがって、この特定の周波数では、図3aに示したように、中心孔上の電場の局在化が変化することに気づきました。したがって、この周波数を使用して、この細孔内の異なる分析物を区別します。次に、図 4 に示すように、特定の領域に PBG を局在させるために、2 つの六角形の細孔間の垂直距離 \((D)\) の値を最適化します。図 4 では、共鳴ピークの値を増やすことで、、それらは他よりも鋭くなり、PBG 領域は長波長側にシフトします。

\(R=80 \mathrm{nm}\)、\(N=11,\) の二次元六角柱単位セルの透過特性。すべての円柱は二酸化チタンの母材で空気で満たされています \((Ti {O}_{2})\) は、示されているように \(D\) のさまざまな値で使用されます。

最後に、セクション 2 で説明したように、六角形の半分の対角線とみなされる R の値を最適化します。 2. 最適化の目的は、水の光学特性による近赤外スペクトルまたは中赤外スペクトルにおける PBG の局在化です。図 5 では、\(R\) の値を増やすと、PBG 幅が増加し、PBG の位置がより長い波長にシフトします。したがって、表 1 に最後の結果をまとめます。これは、塩分センサーのアプリケーションに必要な特定の周波数範囲における PBG の最適化プロセスを表しています。表 1 から、IR スペクトル内で広い PBG を局所化するには、各 R と D の値がより高い構造を選択する必要があります。

\(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N}=11,\) の 2 次元六角柱単位セルの透過特性。ホストではすべての円柱が空気で満たされています。図に示すように、さまざまな \(\mathrm{r}\) の値における二酸化チタン \(({\mathrm{TiO}}_{2})\) からの材料です。

このサブセクションの最後では、水の光学的性質について学びます。水の屈折率の変化は入射波長に依存し、1.15 RIU から 1.5 RIU まで変化することが知られています。その結果、可視光では、淡水の屈折率は 1.33 RIU29 にほぼ等しくなります。さらに、水の伸張係数も波長の関数として変化します。また、図 6 に示すような水の吸収スペクトルが得られます。これは、水が紫外および可視スペクトルに対して透明であることを裏付けています。これは、示されているように、これらの波長の吸光度が低いためです。さらに、水は中赤外線スペクトルおよび遠赤外線スペクトルで強く吸収されます。したがって、前のセクションで説明したように、塩分レベルの 0 ～ 100% の変化により、塩水指数は 1.3326 RIU から 1.3505 RIU に変化します。その結果、海水の塩分レベルの尺度として塩水のさまざまな屈折率を特徴付ける構造の能力をテストします。

入射波長の関数としての水吸収スペクトル36。

2D 六角形 PC の最適化後、特定のアプリケーションに必要な PBG をローカライズできるようになりました。したがって、次のサブセクションでは、淡水化技術における塩水の塩分濃度センサーとなる最後の構造の欠陥モードを研究します。

塩分センサーの構造不良が心配です。私たちの構造は、二酸化チタン \((Ti{O}_{2})\) のホスト材料内の六角形のドリル穴で構成される無限の結晶であり、図 1 に示したように 2D-PC であると考えられます。調査対象の塩水を入れる中央の六角筒を除いて、図 1 のすべての六角筒は空気で満たされています。

図7では、FEMを使用して透過スペクトル曲線を作成しています。図 7A では、この構造は \(r=80 nm,\) \(D=80 nm\),\(および周期数 (N)=5,\) の 2 次元六角柱単位胞で構成されています。ホスト材料は二酸化チタン \(\left(Ti{O}_{2}\right)\) で、すべてのシリンダーは空気で満たされています。これまでに示したように、549 ～ 813 nm のスペクトル領域で PBG が形成されます。図 7B の構造の中央部分に塩水を注入すると、565 nm に欠陥ピークが見られます。ただし、塩水の異なる屈折率を区別できないため、図 7C に示すように 550 ～ 580 nm の波長範囲を拡大します。結果として、このセンサーの属性を計算する必要があります: 感度 \((S)=67 nm/RIU\)、\(Q=128 ,\) および性能指数 \(\left(FOM\right)=15 {リウ}^{-1}\)。

\(\mathrm{R}=80\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=80\mathrm{ nm}\),\(\mathrm {N}=5,\mathrm{ and}\) ホスト材料は二酸化チタン \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\) です。 (A) すべての円柱は空気で満たされています\(,\) (B) すべての円柱は、屈折率の異なる値の塩水で満たされた中央の注入部分を除いて空気で満たされています、(C) 図 B の欠陥ピークを拡大。

次に、\(R=180 nm\)、\(D=120 nm\)、\(N=5,\mathrm{ and}\) の構造の寸法を大きくすることで、ホスト材料は二酸化チタンになります \( \left(Ti{O}_{2}\right)\)、すべてのシリンダーには空気が充填されています。図 8A に示したように、922 ～ 1482 nm のスペクトル領域に PBG が形成されています。図 8B の構造の中央部分に塩水を注入すると、1000 nm に欠陥ピークが見られます。ただし、塩水の異なる屈折率を区別できないため、図 8C に示すように 980 ～ 1020 nm の波長範囲を拡大します。その結果、このセンサーの特性、感度 \((S)=200 nm/RIU\)、\(Q=285.4 ,\) および性能指数 \(\left(FOM\right)=57 を計算する必要があります。 {リウ}^{-1}\)。

\(\mathrm{R}=180\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ and }\) ホスト材料の二酸化チタン \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\)。 (A) すべてのシリンダーには空気が充填されています。 (B) すべてのシリンダーは、中央に注がれた部分を除いて空気で満たされており、屈折率値が異なる食塩水で満たされています。 (C) 図 (B) の欠陥ピークを拡大します。

同様に、塩水の異なる屈折率を区別することはできないため、図 7C に示すように 550 ～ 580 nm の波長範囲を拡大します。結果として、このセンサーの属性を計算する必要があります: 感度 \((S)=67 nm/RIU\)、\(Q=128 ,\) および性能指数 \(\left(FOM\right)=15 {リウ}^{-1}\)。

図 9 と同様に、\(R=250 nm,\) および \(D=120 nm\) の構造の寸法を増加させる同じ手順により、感度 \((S)=279 nm/ RIU\)、\(Q=324 ,\)、および性能指数 \(\left(FOM\right)=75 {RIU}^{-1}\)。また、\(R=500 nm,\) と \(D=250 nm\) の場合、図 10 のように、感度 \((S)=525 nm/RIU\), \(Q=376 ,\ ) および性能指数 \(\left(FOM\right)=80.7 {RIU}^{-1}\)。したがって、検討中の構造の寸法を増やすことでセンシング性能を強化します。

\(\mathrm{R}=250\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ and }\) ホスト材料は二酸化チタン \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\) です。 (A) すべてのシリンダーには空気が充填されています。 (B) すべてのシリンダーは、中央に注がれた部分を除いて空気で満たされており、屈折率値が異なる食塩水で満たされています。 (C) 図 (B) の欠陥ピークを拡大します。

\(\mathrm{R}=500\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=250\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ and }\) ホスト材料は二酸化チタン \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\) です。 (A) すべてのシリンダーには空気が充填されています。 (B) すべてのシリンダーは、中央に注がれた部分を除いて空気で満たされており、屈折率値が異なる食塩水で満たされています。 (C) 図 (B) の欠陥ピークを拡大します。

表 2 は、このパートで以前に説明した、センサーの性能が構造の寸法に依存することを示しています。そこで、図11に示すように、センサーパラメータ[S、Q、FOM]とPBG領域の欠陥ピークの位置との関係をプロットしました。欠陥ピークを長めにシフトすることで感度が向上することがわかりました。波長 (中赤外スペクトル)。さらに、図 11 に示すように、性能指数 (FOM) と品質係数 (Q) は、長波長では一定であるように見えます。したがって、図6で前に説明したように、中赤外スペクトルでの水の高い吸光度により、塩水の感度は中赤外スペクトルに位置する欠陥ピークで \(525 nm/RIU\) に達します。したがって、二酸化チタンから母材に穴を開けた六角柱の構造は、塩分濃度と呼ばれる塩水の屈折率を測定する高い能力を備えています。

欠陥ピークの位置に対するセンサーパラメーターの依存性。

ここで、2D-PC の六角形単位セルから考えられたこの構造は、材料科学および工学 B31 で発表された円形単位セルを備えた 2D-PC に関する以前の研究の拡張です。円形単位セルの感度は、37,38 で発表されているように 58 [nm/RIU] に達します。このように、円形と六角形の塩分センサーを比較すると、従来の構造よりも六角形の方が水の塩分濃度に対して高感度であることが確認されています。円形単位セルの。

この論文では、二次元六角柱フォトニック結晶を塩分センサーとして使用する方法を示します。さまざまな屈折率値 [1.3326 ～ 1.3505 RIU] の塩水で満たされる中央の注ぎ口を除いて、半径 r のすべての六角形の円柱が空気で満たされるように構造を設計します。水はこの周波数範囲では優れた吸収体であるため、私たちは二次元六角形フォトニック結晶を最適化し、中赤外周波数範囲のフォトニックバンドギャップ領域を局所化しました。センサーの寸法を \(R=500 \mathrm{nm},\) と \(D=250 \mathrm{nm}\) に調整することで、2304 ～ 3566 nm の PBG が得られ、感度も \ ((S)=525 nm/RIU\)、\(Q=376 ,\) および性能指数 \(\left(FOM\right)=80.7 {RIU}^{-1}\)。検討中の構造の寸法を大きくすることで、センシング性能を強化します。感度は 67 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (可視スペクトルの PBG) から 525 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (中赤外での PBG) に変更されました。スペクトラム）。したがって、R や D などの構造の寸法を大きくすることで、フォトニックバンドギャップがより長い波長にシフトし、センサーの感度が向上します。 COMSOL マルチフィジックスプログラムの有限要素法 (FEM) は、モデリングとシミュレーションの手順で使用されます。本設計により、脱塩プロセスを行うのに必要な塩分レベルに対応する塩水の屈折率を決定できることが証明されている。さらに、これらの結果により、感光性アプリケーションの分野で推奨されるデバイス属性が強調されました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

この研究ではコードは使用されません。

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著者らは、助成金番号 RGP の下で大規模グループプロジェクトを通じてこの研究に資金を提供してくれたキングハーリド大学の科学研究部長に感謝の意を表します。 2/38/43。

科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。著者らは資金を提供していないと宣言している。

TH-PPM グループ、物理学科、ベニ・スエフ大学、ベニ・スエフ、62514、エジプト

ハッサン・サイード & アラファ・H・アリー

キング・ハーリド大学理学部物理学科、アブハ、62529、サウジアラビア

M. アル・ドッサリ

ベニ・スエフ大学技術教育学部、ベニ・スエフ、62521、エジプト

モハメド・A・イスマイル

物理学科、アル・アルダ大学カレッジ、ジーザーン大学、ジーザーン、82817、サウジアラビア

モハメド・A・イスマイル

キング・ハーリド大学科学部、モハイエル・アッサー、アブハ、61421、サウジアラビア

NS アブドエルガワード

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HS、AHAがデザインを考案しました。 AHA、HS、MA、MAI、NS が分析を設計し、実施しました。 MAIとMAはソフトウェアを実施しました。 AHAとHSは結果を分析した。著者全員が原稿をレビューしました。

アラファ・H・アリーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Sayed、H.、Al-Dossari、M.、Ismail、MA 他。六方晶系二次元フォトニック結晶に基づく塩分の性能解析：計算機による研究。 Sci Rep 12、22133 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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受信日: 2022 年 7 月 15 日

受理日: 2022 年 12 月 1 日

公開日: 2022 年 12 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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