Dispositivo sensor refratômetro optoeletrônico para gases baseado em arco dielétrico

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18355 (2022) Citar este artigo

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A transformação de uma célula solar de silício amorfo hidrogenado (aSiH) em um sensor refratométrico optoeletrônico foi possível através da adição de estruturas ressonantes de laço dielétrico. O eletrodo superior de óxido transparente de índio é substituído por uma fina camada metálica para impedir seletivamente a transmissão direta de luz para a camada ativa da célula. Em seguida, uma matriz de estruturas dieléctricas de gravata borboleta é colocada no topo deste eléctrodo, para activar a absorção óptica através da ressonância de plásmon de superfície (SPR). Todo o dispositivo é exposto ao analito sob medida, que é o meio circundante. Três materiais dielétricos diferentes com baixo, médio e alto índice de refração foram selecionados para os laços, ou seja, fluoreto de magnésio (MgF\(_2\)), dióxido de silício (SiO\(_2\)) e nitreto de alumínio (AlN) foram testados como estrutura de acoplamento para excitação SPR. A maximização da leitura/corrente de curto-circuito foi conseguida através dos parâmetros geométricos desta estrutura. Selecionamos os parâmetros geométricos para maximizar a corrente de curto-circuito fornecida pela célula a-Si em um determinado comprimento de onda selecionado. O projeto foi customizado para aplicação de medições de gás, onde o índice de refração é ligeiramente superior a 1 em torno de 10\(^{-4}\). Nossa análise revela ultra-alta sensibilidade de \(2.4 \times 10^4\) (mA/W)/RIU, e uma figura de mérito FOM= 107 RIU\(^{-1}\), quando a gravata borboleta é feito de SiO\(_2\). Um rali de desempenho competitivo com os já relatados na literatura, com a vantagem adicional de contornar partes móveis e elementos de interrogação espectrais.

A detecção óptica baseada no efeito plasmônico tem sido aplicada em muitas áreas nas últimas três décadas1,2. Essa tecnologia foi demonstrada para identificação de materiais3, garantia de qualidade de alimentos4, colorimetria5, testes de qualidade ambiental6 ou aplicações de biossensores7. Com foco em aplicações ambientais, dispositivos de alta resolução e sensibilidade são necessários para detectar quantidades muito pequenas de poluentes atmosféricos como hidrocarbonetos, compostos orgânicos voláteis, perigos microbiológicos, etc.8,9,10,11,12,13,14. O monitoramento da qualidade e composição do ar pode ser feito através da medição de seu índice de refração15,16, que também depende de outros parâmetros físicos (temperatura e pressão), e da composição química da atmosfera (umidade, presença de espécimes naturais ou artificiais )17. Como consequência, um sensor refratométrico pode verificar se algumas condições predefinidas são atendidas ou se uma amostra conhecida varia sua concentração.

Devido à sua resposta seletiva estreita, dispositivos optoeletrônicos baseados em ressonâncias plasmônicas de superfície (SPR) são uma das soluções para monitoramento e sensoriamento ambiental18,19. Essa tecnologia pode ser aplicada à detecção de gás20, detecção de índice de refração21,22,23,24 e detecção química25. Também podem ser incluídos em sensores multifuncionais e multiparamétricos26. O sensor plasmônico pode ser interrogado angularmente, espectralmente e optoeletronicamente. Ao usar a dependência angular da resposta plasmônica, o sistema geralmente requer partes móveis e um goniômetro de alta precisão ou sistemas de leitura integrados caros27. O mesmo ocorre com a interrogação espectral: necessita de monocromadores de alta resolução nos braços de iluminação e/ou detecção28. O método de interrogação opto-eletrônico puro se beneficia do sinal elétrico fornecido pelo próprio sensor sem a necessidade de partes móveis e/ou monocromadores. Este fato facilita os subsistemas de interrogação e torna o sensor mais compacto e confiável29.

Uma célula solar pode ser vista como um detector de luz já fabricado e de baixo custo. Embora projetado como um detector fotovoltaico de amplo espectro, ele pode ser facilmente transformado para responder seletivamente através da excitação de SPRs gerados por metasuperfícies nanoestruturadas30. Como um todo, o dispositivo customizado torna-se um sensor optoeletrônico autoalimentado20. Células solares de filmes finos orgânicos e inorgânicos são os melhores candidatos para dispositivos de detecção de baixo custo, leves e compactos31. Dentre eles, as células de silício amorfo hidrogenado (aSiH) são dispositivos comerciais que empregam um material abundante, não tóxico e estável32,33 a um preço bastante acessível. Então, o aSiH será considerado neste trabalho como o dispositivo base que será transformado para funcionar como um sensor refratométrico de gás interrogado opto-eletronicamente34.