Análise numérica de material de mudança de fase e grafeno

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7653 (2023) Citar este artigo

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Aqui, apresentamos os resultados da análise paramétrica em um material de transição de fase baseado em Ge2Sb2Te5(GST), baseado em grafeno, com uma ampla faixa dinâmica no espectro eletromagnético infravermelho e visível. A estrutura sugerida é estudada em configurações multicamadas, construídas com camadas de materiais GST, grafeno, silício e prata. O comportamento da reflectância dessas estruturas multicamadas foi descrito para índices de refração entre 1,3 e 2,5. O projeto completo é simulado usando um processo computacional chamado método dos elementos finitos. Além disso, investigamos o impacto das alturas dos materiais no desempenho da estrutura em geral. Apresentamos várias curvas de rastreamento ressonantes em equações polinomiais para determinar o comportamento de detecção em uma faixa de comprimento de onda específica e valores de índice de refração. O projeto proposto também é investigado em vários ângulos de incidência inclinados para verificar sua estabilidade em grande angular. Um estudo computacional da estrutura proposta pode auxiliar na evolução de biossensores para identificar uma ampla gama de biomoléculas, incluindo malignas, hemoglobina na urina, saliva-cortisol e glicose.

A integração das ciências da vida e da eletrônica produziu um recurso poderoso para estudar e medir as interações biomoleculares. Nos últimos anos, os dispositivos eletrônicos contribuíram significativamente para a caracterização e análise das interações bioatômicas nas ciências da vida1. O interesse por esses dispositivos eletrônicos aumentou em vários campos, incluindo, entre outros, identificação sintética, genômica, detecção clínica e proteômica2,3. Os campos de pesquisa de medicamentos, biomédico, segurança alimentar, defesa, segurança e monitoramento ambiental perceberam a relevância crítica do uso de biossensores. Como resultado, os cientistas desenvolveram técnicas analíticas sensíveis baseadas em biossensores que podem detectar alterações mínimas em amostras biológicas com grande precisão. Os biossensores são dispositivos de diagnóstico que usam um componente de detecção biológica e têm muitos usos práticos em campos tão diversos como desenvolvimento de medicamentos, diagnóstico médico, processamento de alimentos, monitoramento ambiental, defesa militar e segurança nacional4. O primeiro biossensor, que empregava um eletrodo de glicose oxidase imobilizado para detectar oxigênio ou peróxido de hidrogênio eletroquimicamente, foi desenvolvido por Clark e Lyons para quantificar a glicose em amostras biológicas5. Desde então, a tecnologia e aplicações de biossensores avançaram tremendamente por causa de novas técnicas em campos que vão desde eletroquímica e nanotecnologia até bioeletrônica6. Um biossensor óptico é essencialmente um elemento de bio-reconhecimento a uma curta distância de um transdutor de hardware, que converte a captura de um analito em uma mudança detectável em algum aspecto das propriedades da luz (como intensidade, comprimento de onda, ressonância ou índice de refração) . Interferômetros7, grades8, plasmônicos9 e ressonadores10 são apenas alguns exemplos de mecanismos físicos de transdução que podem ser utilizados na detecção óptica. Em relação aos sensores, os baseados em plasmônica talvez sejam os mais conhecidos e usados11. Para muitos, o biossensor Surface Plasmon Resonance (SPR) representa o auge da tecnologia de biossensores ópticos e plasmônicos9. A primeira evidência registrada de SPR ocorreu no mundo físico em 1902. Essa obscura observação de fenômenos ópticos se desenvolveu ao longo de décadas em uma visão sólida da física de plasmon de superfície12. Liedeberg e Nylander provaram pela primeira vez a ressonância de plásmon de superfície (SPR) como um biossensor óptico útil em 1982 para detecção de gás e biossensor13. Desde então, a SPR fortaleceu a química de superfície, servindo como um portal onde a química, a física e a biologia podem convergir14. Como as perspectivas de biossensores baseados em ressonância plasmônica de superfície (SPR) continuam a se expandir rapidamente15, houve uma explosão recente no número de pesquisadores interessados ​​no tópico e a técnica SPR ganhou força em biossensores como meio de detecção16. Devido às suas qualidades benéficas, como a capacidade de detecção contínua em um sistema sem rótulo, observação constante, reação imediata e sensibilidade elevada, bem como vantagens notáveis, como flexibilidade de design, miniaturização, multiplexação de dados de detecção e sensoriamento remoto17 , a tecnologia SPR ampliou suas potenciais áreas de aplicação desde a biomédica até a ambiental e até mesmo a industrial. A comercialização bem-sucedida e o uso generalizado de biossensores baseados em SPR para detectar uma ampla variedade de biomoléculas, incluindo ácido nucleico, proteínas, uma infinidade de enzimas, fatores de crescimento, DNA, anticorpos, medicamentos e qualidade de alimentos, foram alcançados nos últimos anos18,19 mas antes de tudo, as aplicações biomédicas da SPR são especialmente inovadoras20. As oscilações coletivas de elétrons em metais são chamadas de plasmons, e podem ser plasmons de superfície de propagação (PSPs) que viajam ao longo de interfaces metal-dielétricos ou plasmons de superfície localizados (LSPs) que estão confinados à superfície de uma nanoestrutura metálica (com dimensões menores que a comprimento de onda da luz) (LSPs). É uma ferramenta crucial para sondar processos de superfície porque o acoplamento desses modos à luz que chega resulta em ressonâncias que dependem fortemente das composições, formas e tamanhos da nanoestrutura metálica e das características dielétricas do meio circundante. Tanto os SPs quanto os LSPs possuem um campo eletromagnético localizado na superfície e decai exponencialmente no meio ambiente com meias-vidas de 30 nm e 200 nm, respectivamente. Como resultado, os sensores construídos nesses processos estão altamente sintonizados com as mudanças que ocorrem perto do solo. O contato físico-químico com o analito provoca uma alteração no índice de refração da camada sensora ao redor da nanoestrutura metálica, que é a base dos sensores SPR e LSPR21.