酸化ハフニウムと相変化材料の数値解析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7698 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

電磁スペクトルの可視領域と赤外領域の両方を含む広いスペクトル範囲を備えた相転移材料と酸化ハフニウム (IV) ベースの屈折率センサーに関する数値研究の結果について報告します。 このセンサーは酸化ハフニウム (IV) と相転移材料 (HfO2) を利用しています。 提案された構造の 3 つの層バージョンが研究されています。 各構成は、HfO2、シリカ、Ge2Sb2Te5(GST)、銀の交互層から構築されます。 3 つの異なる配置はすべて研究されています。 この原稿では、このような多層構造の反射率応答について、屈折率 1 ～ 2.4 の範囲について説明します。 さらに、材料の高さの変化が構造の全体的な性能にどのような影響を与えるかを調査しました。 最後に、特定の波長範囲と屈折率値にわたる感知動作を計算するために使用できる共振トレースの数式を提供しました。 対応する式を以下に示します。 この調査を通じて、波長と屈折率の値を計算するために多数の方程式トレースを計算しました。 提案された構造を解析するために計算手法が使用される可能性があり、唾液コルチゾール、尿、ブドウ糖、癌性および癌性、ヘモグロビンなど、さまざまな生体分子およびバイオマーカーを検出するためのバイオセンサーの作成に役立つ可能性がある。

食品の安全性、病気の診断、医薬品の選択、および酵素の検出は、バイオセンサーが近年大きく進歩した分野です1、2。 これらのセンサーは、あらゆる種類のセンシング技術と機器を使用しています。 そのような方法の 1 つは屈折率の測定であり、さまざまな化学的および生物学的特性を識別するために使用できます。 誘電体と金属の界面での散逸電荷密度振動は、表面プラズモン (SP) です。 金属の電界は、空気や水にさらされると加速度的に劣化します。 SP を刺激することは、自然に存在する物質から TM 偏波を生成する潜在的な最初のステップです。 プラズモンデバイスは、さまざまな化学的およびバイオセンシングタスクを達成するための機構として表面プラズモン共鳴（SPR）を使用する場合があります3、4、5。 SPR 技術を使用すると、そのようなプログラムを正常に実行できます。 この技術は、食品分析、薬物検査、医療診断など、多くの分野で使用されています。 SPR センサーとその他の最新のセンシング方法は、その多くの利点により、現在、センシング用途で使用される最先端の技術となっています。 私たちが作成できる理想的なセンサー システムは、高感度で応答が速く、ラベルが不要で、あらゆるプラットフォームでリアルタイム センシングを実行できるものです。 この論文では、著者らは修正されたクレッチマン装置と減衰全反射分光法を使用して SP を励起しています。 典型的なクレッチマンの発明では、高屈折率プリズムが薄い金属層でコーティングされています6。 インピンジメント現象は、特定の波長のTM波が金属とプリズムの界面間の臨界角よりも大きな入射角でプリズムに接触するときに発生します。 金属層は、測定される誘電体媒体と接触したままでなければなりません。 入力波のエネルギーが薄い金属層を通過すると、金属内で表面プラズモン波に変換されます。 これにより、誘電体と金属層の境界の間の界面で、いわゆる表面プラズモン (SP) 波が生成されます。 これは、波が目的地に到達するために金属を通過する必要があるために発生します。 これは、波がターゲットに到達する前に金属を通過する必要があるために起こります。 プリズムの底面から反射される光は、光が特定の角度でプリズムに入射するときに最も弱くなります。 「共鳴角」という用語は、この特定の角度値を指すのに一般的に使用されます。 このことから、エバネッセント波と表面透過波の伝播定数は同じであると推測できます。 この角度を決定する際の最も重要な要素の 1 つは、共鳴が生成される媒体の屈折率です。 従来の SPR センサーの製造プロセスでは、金属層がよく使用されます。 このコーティングの代表的な成分は、金 (Au)7 または銀 (Ag)8 です。 プラズモンを維持できる SPR センサーを構築するには、銀、金、インジウム、アルミニウム、ナトリウムなどのいくつかの異なる金属が使用されます。 プラズモンは、適切な状況下ではナトリウム中にも存在することができます。 プラズモンを維持できる SPR センサーの構築には、銅、銀、インジウム、金、アルミニウム、ナトリウムなどの幅広い金属が使用されます。 理論的には、適切な条件が与えられれば、プラズモンはナトリウム中に存在することができます。 金は安定性、生体適合性、感度が向上しているため、近年 SPR センサーの材料として銀に代わって主に使用されています9、10、11。 歴史的に、これらの検出器には銀がよく使用されていました。 ゴールドがシルバーを上回る多くの理由の 1 つは、感度の向上によるものです。 一方で、銀を使用して進行した層をカバーし、その層の酸化のペースを遅らせることができます9、10、11。 研究者は、センサー感度に対する生体分子の相互作用の影響に関する調査の一環として、接触前後の分析対象物の相対強度 (RI) を比較します。 表面プラズモン共鳴が起こるには、TM 光によって生成されるエバネッセント波が表面プラズモン (SP) 波 (SPR) と同位相である必要があります。 これらの基準がすべて満たされる場合、反射率プロファイルはより低くなる可能性があります。 反射率が減少し始める正確な角度は、いくつかの異なる要因によって決まります12、13、14、15。 これらの要因には、使用されるプリズムの種類、入射光の波長、材料、金属、生体分子の結合方法などが含まれます。 感知能力の観点から SPR センサーの性能を評価する場合、反射率曲線が評価に使用される主な手段です。 表面プラズモン共鳴に基づくセンサーは、液体サンプル中の生体分子を識別できる可能性があります。 生体分子が金属表面に付着すると、水よりも高い屈折率を持つ層が生成されます。 サンプルを分析すると、共鳴角が変化することがわかります。 吸着の程度は、バックグラウンドノイズの存在下で生体分子を識別するセンサーの能力に影響します。 したがって、SPR ベースのセンサーを構築する際には、生体分子が吸着される表面の種類を考慮することが不可欠です。 バイオセンサーの作成は微調整に大きく依存しており、GST16 などの相転移材料を適用することによって部分的に達成される可能性があります。 GST はバイオセンサーの一部となっているため、吸収体とセンサーにさらに微妙な変更を加えることが可能です。 偏光非感受性吸収体は、活性成分として GST メタ表面を使用することによって製造できることが実証されています 17。 一方で、GST がプラズモニック デバイスの性能を向上させる可能性があることが研究によって示されています 18。 最も一般的な種類の相転移材料である GST は、状況に応じて非晶質状態 (aGST) と結晶状態 (cGST) を切り替えることができます。 これらの状態は独自の光学的および電気的特性を備えているため、データ ストレージ、センサー、論理デバイスなどのさまざまなアプリケーションで使用するのに魅力的な材料となっています19。 感知およびスイッチング用途に使用できるバイオセンサーの作成には、修正可能な相変化材料を利用することが有益です。 GST は、光との相互作用の強い性質により、ナノフォトニックおよびナノプラズモニック技術の開発における重要なコンポーネントとして浮上しています20。 アモルファス状態とは対照的に、GST の結晶形は光を吸収します 17。 GST を使用してバイオセンサーを作成する場合、金属層と金属格子の間のギャップに金を追加すると、感度が向上し、寿命が長くなります 21。 熱的に製造された窒化ケイ素 (Si3N4) と二酸化ケイ素 (SiO2) は、過去数十年間、電界効果トランジスタのトランジスタ ゲートとして使用される市場を支配してきました 22,23。 しかし、従来のバイオセンサーは半導体シリコンを使用して構築されています。 SiO2 材料ベースのデバイスの相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) の厚さが減少すると、層の信頼性が低下するため、高いゲート酸化膜リークがより顕著になります。