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Apr 16, 2023

Análise de desempenho da salinidade com base em dois hexagonais

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22133 (2022) Citar este artigo

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Projetamos uma estrutura única para um sensor de líquido baseado em PCs bidimensionais com uma constante de rede triangular na periodicidade perfurando um cilindro hexagonal em um material hospedeiro dielétrico. Usando a abordagem multifísica COMSOL, investigamos a estrutura fornecida e o desempenho de detecção com base no método de elementos finitos. Vamos otimizar cristais fotônicos hexagonais bidimensionais para localizar a região de gap fotônico na faixa de frequência do infravermelho médio e distante, pois a água é um bom absorvedor para essa faixa de frequências. Em seguida, injetamos água salina no cilindro hexagonal central e calculamos os parâmetros do sensor para diferentes valores do índice de refração da água salina em diferentes frequências relacionadas aos gaps fotônicos. Poderíamos alcançar as condições ótimas do sensor de salinidade como a meia diagonal da forma hexagonal (R) = 500 nm, a distância perpendicular entre as duas diagonais hexagonais (D) = 250 nm e o número de períodos (N) = 5 , que dá uma alta eficiência com sensibilidade (S) = 525 nm/RIU, figura de mérito (FOM) = 80,7 RIU-1 e fator de qualidade (Q) = 375. Os efeitos das características estruturais no desempenho de detecção são investigados, com propostas de novas abordagens para melhorar os sensores de salinidade. Além disso, os sensores de salinidade tradicionais podem ser substituídos pelo método proposto na aplicação de fotossensibilidade, que é simples e prático para uso nas técnicas de dessalinização térmica.

Cristais fotônicos foram considerados como novas estruturas de materiais com propriedades ópticas que são periodicamente modificadas1,2,3,4,5. Os PCs são atualmente uma tecnologia de destaque nos métodos fotônicos6,7. Como suas constantes ópticas dependem do comprimento de onda incidente, eles também são considerados um meio dispersivo. Os PCs têm atraído muito interesse devido à sua interação incomum com o EMW8. Além disso, os PCs podem controlar e regular a transmissão de EMW. Para que o EMW possa ser focado em uma região ativa de acordo com os requisitos do aplicativo9. A lacuna da banda fotônica (PBG) é um aspecto significativo dos PCs, em que os modos eletromagnéticos são incapazes de se propagar através da estrutura nesta região de comprimentos de onda incidentes. Assim, esses PBGs possuem uma zona proibida para propagação de fótons, mas permitem a presença de modos localizados e ondas ópticas restritas10. Esta propriedade abre uma grande tendência no gerenciamento de luz para resolver a dissipação de energia em aplicações ópticas. Portanto, também pode ser empregado em diversas áreas, como fotodetecção11 e sensoriamento12. Caso contrário, a conversão de energia solar13,14,15 e a dessalinização de água baseada em PC16 estão em ascensão.

Cientistas e pesquisadores recentemente concentraram seus esforços no exame de tecnologias de dessalinização. Portanto, o sensor de salinidade é muito importante para determinar o nível de salinidade da água doce gerada. A salinidade (S) definida como a quantidade de sal em grama dissolvida em 1gm de água salgada e representada em partes por mil (PPT), indica a quantidade de sal na água do mar. As salinidades do mar aberto foram observadas entre 34 e 37 PPT, que também podem ser expressas como 34 a 37 unidades práticas de salinidade (PSU). Em que a água do mar com S igual a 35 contém aproximadamente 35 g de sal e 965 g de água, ou 35 ppt (35 PSU). Assim, a água poderia ser usada para irrigação e consumo humano a \(S\le 0,5 \left(PPT\right)\)17. A interação de EMW e água salina é o método fundamental de detecção do nível de salinidade que tem sido usado por décadas18,19. Portanto, os PCs - a interação da EMW com a matéria - foram recentemente amplamente empregados na identificação de aplicações de fluidos, pois podem fornecer altos graus de sensibilidade para alterar o índice de refração. Além disso, de acordo com a fórmula do efeito termo-óptico, os PCs podem ser utilizados como sensores de temperatura porque o índice de refração varia com a temperatura20. Portanto, os PCs poderiam ser usados ​​para determinar o índice de refração de líquidos e gases de acordo com pesquisas publicadas anteriormente21,22,23. Como resultado, empregar a tecnologia de PCs é uma nova classe de tecnologia de dessalinização, especialmente na determinação do nível de salinidade24. O preceito do sensor depende da geração de modos de defeito dentro das faixas de PBG devido às variações no índice de refração do fluido circundante. Os analitos biológicos também podem ser detectados com sensores bidimensionais de microcavidades de PC e considerações teóricas25.