산화하프늄 및 상변화 물질의 수치해석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7698(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 적외선 영역을 모두 포함하여 넓은 스펙트럼 범위를 갖는 상전이 물질 및 하프늄(IV) 산화물 기반 굴절률 센서에 대한 수치 조사 결과를 보고합니다. 센서는 하프늄(IV) 산화물과 상전이 물질(HfO2)을 사용합니다. 제안된 구조의 세 가지 계층 버전이 연구되었습니다. 각 구성은 HfO2, 실리카, Ge2Sb2Te5(GST) 및 은의 교번 층으로 구성됩니다. 세 가지 다른 배열이 모두 연구되었습니다. 이러한 다층 구조의 반사율 응답은 1에서 2.4까지의 굴절률에 대해 이 원고에서 논의됩니다. 또한, 재료의 다양한 높이가 구조의 전반적인 성능에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 마지막으로 특정 파장 범위와 굴절률 값에 대한 감지 동작을 계산하는 데 사용할 수 있는 공진 흔적에 대한 여러 공식을 제공했습니다. 해당 방정식은 다음과 같습니다. 우리는 파장과 굴절률 값을 계산하기 위해 이 조사 전반에 걸쳐 수많은 방정식 추적을 계산했습니다. 전산 방법을 사용하여 제안된 구조를 분석할 수 있으며, 이는 타액-코티솔, 소변, 포도당, 암성 및 암성, 헤모글로빈과 같은 다양한 생체분자와 바이오마커를 검출하기 위한 바이오센서를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

식품 안전, 질병 진단, 의약품 선택 및 효소 검출은 바이오센서가 최근 몇 년 동안 큰 발전을 이룬 영역입니다1,2. 이러한 센서는 모든 종류의 감지 기술과 장비를 사용합니다. 그러한 방법 중 하나는 다양한 화학적, 생물학적 특성을 식별하는 데 사용될 수 있는 굴절률을 측정하는 것입니다. 유전체-금속 경계면에서 전하 밀도 진동을 소산시키는 것이 표면 플라즈몬(SP)입니다. 금속의 전기장은 공기와 물에 노출되면 가속되는 속도로 악화됩니다. SP 자극은 자연적으로 존재하는 물질로부터 TM 편파를 생성하는 잠재적인 첫 번째 단계입니다. 플라즈몬 장치는 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 메커니즘3,4,5으로 사용하여 다양한 화학적 및 바이오센싱 작업을 수행할 수 있습니다. SPR 기술을 사용하면 이러한 프로그램을 성공적으로 실행할 수 있습니다. 이 기술은 식품 분석, 약물 테스트, 의료 진단 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 수많은 장점으로 인해 SPR 센서 및 기타 최신 감지 방법은 이제 감지 응용 분야에 사용되는 최첨단 기술에 있습니다. 우리가 만들 수 있는 이상적인 센서 시스템은 민감하고 반응이 빠르며 라벨이 없어 모든 플랫폼에서 실시간 감지가 가능합니다. 논문에서 저자는 수정된 Kretschmann 장치와 감쇠된 전반사 분광법을 사용하여 SP를 여기시킵니다. 전형적인 Kretschmann의 발명에서는 고굴절률 프리즘이 얇은 금속층으로 코팅되어 있습니다6. 충돌 현상은 특정 파장의 TM파가 경계면에서 금속과 프리즘 사이의 임계각보다 큰 입사각으로 프리즘과 접촉할 때 발생합니다. 금속층은 측정 중인 유전체 매체와 계속 접촉되어 있어야 합니다. 입력파의 에너지는 얇은 금속층을 통과하면서 금속 내에서 표면 플라즈몬파로 변환됩니다. 이로 인해 유전체와 금속층 경계 사이의 경계면에 표면 플라즈몬(SP) 파동이 생성됩니다. 이는 파동이 목적지에 도달하기 위해 금속을 통과해야 하기 때문에 발생합니다. 이는 파동이 목표에 도달하기 전에 금속을 통과해야 하기 때문에 발생합니다. 프리즘 베이스에서 반사된 빛은 특정 각도로 프리즘에 입사할 때 가장 약해집니다. "공명 각도"라는 용어는 일반적으로 이 특정 각도 값을 나타내는 데 사용됩니다. 이것으로부터 우리는 소멸파와 표면 투과파의 전파 상수가 동일하다는 것을 추론할 수 있습니다. 이 각도를 결정할 때 가장 중요한 요소 중 하나는 공명이 발생하는 중간 굴절률입니다. 기존 SPR 센서의 제조 과정에서는 금속층이 자주 사용됩니다. 금(Au)7 또는 은(Ag)8이 이 코팅의 대표적인 성분입니다. 플라즈몬을 유지할 수 있는 SPR 센서를 구성하려면 은, 금, 인듐, 알루미늄 및 나트륨과 같은 여러 가지 금속이 사용됩니다. 플라즈몬은 적절한 상황에서는 나트륨에도 존재할 수 있습니다. 구리, 은, 인듐, 금, 알루미늄, 나트륨을 포함한 광범위한 금속이 플라즈몬을 유지할 수 있는 SPR 센서를 구성하는 데 사용됩니다. 플라스몬은 이론적으로 올바른 조건이 주어지면 나트륨에 존재할 수 있습니다. 향상된 안정성, 생체 적합성 및 감도로 인해 금은 최근 몇 년 동안 SPR 센서에 선택되는 재료로 은을 대체했습니다9,10,11. 역사적으로 이러한 검출기에는 은이 자주 사용되었습니다. 금이 은보다 성능이 뛰어난 여러 가지 방법 중 하나는 감도가 향상되었다는 것입니다. 반면, 은은 고급 층을 덮는 데 사용되어 해당 층의 산화 속도를 늦출 수 있습니다9,10,11. 생체분자 상호작용이 센서 감도에 미치는 영향에 대한 조사의 일환으로 연구자들은 접촉 전후의 분석물질의 상대 강도(RI)를 비교합니다. 표면 플라즈몬 공명이 일어나기 위해서는 TM 광에 의해 생성된 소멸파가 표면 플라즈몬(SP) 파(SPR)와 위상이 같아야 합니다. 이러한 기준이 모두 충족되면 반사율 프로필이 낮아질 수 있습니다. 반사율이 감소하기 시작하는 정확한 각도는 여러 가지 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요소에는 사용된 프리즘의 종류, 입사광의 파장, 재료, 금속 및 생체분자가 결합된 방식이 포함됩니다. 감지 기능 측면에서 SPR 센서의 성능을 평가할 때 반사율 곡선이 평가에 사용되는 주요 도구입니다. 표면 플라즈몬 공명을 기반으로 하는 센서는 액체 샘플에서 생체분자를 식별할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 생체분자가 금속 표면에 부착되면 물보다 RI가 높은 층을 생성합니다. 샘플을 분석해 보면 공명 각도가 변하는 것을 알 수 있습니다. 흡착 정도는 배경 소음이 있을 때 생체분자를 식별하는 센서의 능력에 영향을 미칩니다. 따라서 SPR 기반 센서를 구성할 때 생체 분자가 흡착되는 표면 유형을 고려하는 것이 필수적입니다. 바이오센서의 생성은 GST16과 같은 상전이 물질을 적용하여 부분적으로 달성할 수 있는 미세 조정에 크게 의존합니다. GST는 이제 바이오센서의 일부이기 때문에 흡수체와 센서를 보다 세밀하게 수정하는 것이 가능합니다. 편광에 민감하지 않은 흡수체는 활성 성분으로 GST 메타표면을 사용하여 생산될 수 있다는 것이 입증되었습니다. 반면, 연구에 따르면 GST는 플라즈몬 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 가장 일반적인 종류의 상전이 물질인 GST는 상황에 따라 비정질 형태(aGST)와 결정질 상태(cGST) 사이를 전환할 수 있습니다. 이러한 상태는 고유한 광학적 및 전기적 특성을 가지므로 데이터 저장, 센서 및 논리 장치를 포함한 다양한 응용 분야에 사용하기에 매력적인 재료입니다. 감지 및 스위칭 응용 분야에 사용할 수 있는 바이오 센서를 만드는 것은 수정 가능한 상 변화 물질을 활용함으로써 이점을 얻을 수 있습니다. 빛과의 강력한 상호 작용으로 인해 GST는 나노포토닉 및 나노플라즈몬 기술을 개발하는 데 중요한 구성 요소로 부상했습니다. 비정질 상태와 달리 GST의 결정질 형태는 빛을 흡수할 수 있습니다17. GST를 사용하여 바이오센서를 만들 때 금속층과 금속 격자 결과 사이의 간격에 금을 추가하면 감도가 향상되어 수명이 길어집니다21. 열적으로 생산된 질화규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)는 지난 수십 년 동안 전계 효과 트랜지스터의 트랜지스터 게이트로 사용되는 시장을 지배해 왔습니다22,23. 그러나 기존의 바이오센서는 반도체 실리콘을 사용해 제작됐다. SiO2 재료 기반 장치의 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 두께가 감소하면 층의 신뢰성이 떨어지기 때문에 높은 게이트 산화물 누출이 더욱 눈에 띄게 됩니다.