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May 03, 2023

Biossensores baseados no novo delta não linear

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17674 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Nesta pesquisa, propomos um novo cristal fotônico não linear de função delta para detectar soluções de iodeto de sódio (NaI) de diferentes concentrações. A estrutura sugerida compreende 50 pilhas delta de GaP em uma solução aquosa de NaI. Essas pilhas são consideradas como tendo uma não linearidade de desfocagem fraca na ordem de 10−6 (V/m)−2. Devido à não linearidade do projeto, uma ressonância semelhante a um defeito é formada dentro do gap fotônico. Assim, a detecção de NaI com diferentes concentrações pode ser facilmente investigada sem a inclusão de um defeito através da estrutura do cristal fotônico. Os efeitos da parte linear do índice de refração das camadas de GaP e do coeficiente não linear no valor da transmitância são amplamente discutidos. As descobertas numéricas investigam que o pico ressonante começa a se dividir em alguma não linearidade crítica. Em nossa estrutura proposta, a divisão ocorre em cerca de − 12 × 10−6 (V/m)−2. Nesse sentido, o sensor sugerido fornece uma alta sensibilidade de 409,7 nm/RIU e um excelente limite de detecção de 0,0008.

Nos últimos anos, tem sido demonstrado um crescente interesse no estudo da propagação de ondas através de estruturas periódicas, especialmente projetos unidimensionais (1D). Dentre essas estruturas, a mais importante é o cristal fotônico (PC) ou fotônico band gap (PBG), que foi introduzido pela primeira vez por Yablonovitch e John1,2. Em seguida, PCs foram fabricados em estruturas 1D, 2D e 3D para diversas aplicações3,4,5,6. Esses cristais são materiais nanoestruturados periodicamente modulados realizando múltiplas interferências das ondas incidentes em cada interface desses materiais5,6. Fisicamente, a interface se forma pela diferença da constante dielétrica de cada material, semelhante à diferença do nível de Fermi de banda proibida eletrônica e materiais semicondutores1,7,8. Com base na incompatibilidade óptica entre os constituintes dos PCs, os PBGs podem ser introduzidos. Este PBG leva a algumas novas propriedades físicas e inúmeras aplicações potenciais que não podem ser investigadas usando os materiais convencionais9,10.

O objetivo desta pesquisa é estudar a propagação de ondas eletromagnéticas através de uma função delta 1D PC composta por pilhas delta (material não linear (NL)) de fosfeto de gálio (GaP) e localizadas em uma solução aquosa para fins de sensoriamento. A heteroestrutura do PC é relevante para o modelo de Kronig-Penney que descreve o movimento do elétron em uma barreira de potencial periódica 1D11,12. É bem conhecido que estruturas desordenadas em materiais lineares induzem um efeito de localização para a onda propagada enquanto a interação não linear introduz um tipo de efeito de deslocalização para a onda incidente através de sistemas periódicos13. Em redes unidimensionais desordenadas, a teoria de Anderson prevê uma transmitância decaindo exponencialmente com o comprimento da estrutura14. No entanto, foi comprovado que o coeficiente de transmissão decai lentamente em estruturas não lineares15,16. Por outro lado, vale ressaltar que as interações não lineares introduzem alguma desordem na estrutura periódica e, portanto, potencializam o efeito de localização da onda incidente12,13. Alguns estudos confirmam que para grandes não linearidades, o efeito de deslocalização da onda propagada desaparece distintamente17. Motivados pelos trabalhos supracitados, pretendemos aqui potencializar o efeito de localização das ondas eletromagnéticas incidentes na região do visível através de uma função delta não linear PC inserindo o desenho em uma solução aquosa (líquidos são únicos para localização de ondas e efeitos de ressonância18,19 e bem como aumentando a não linearidade no projeto do PC. Consequentemente, o segundo objetivo da pesquisa aqui é estudar os efeitos da não linearidade nos espectros de transmissão do PC e mostrar como o coeficiente de transmissão decai desfocando a não linearidade da proposta não linear materiais.