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Nov 13, 2023

육각형 2개 기반 염도 성능 분석

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22133(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 유전체 호스트 물질에 육각형 원통을 뚫어 주기적인 삼각형 격자 상수를 갖는 2차원 PC 기반의 액체 센서를 위한 독특한 구조를 설계했습니다. COMSOL 다중물리 접근 방식을 사용하여 유한 요소법을 기반으로 주어진 구조와 감지 성능을 조사했습니다. 우리는 2차원 육각형 광결정을 최적화하여 중적외선 및 원적외선 주파수 범위에서 광자 밴드 갭 영역을 위치화할 것입니다. 물은 이 주파수 범위에 대한 좋은 흡수재이기 때문입니다. 그런 다음 중앙 육각형 실린더에 식염수를 주입하고 광자 밴드 갭과 관련된 다양한 주파수에서 식염수 굴절률의 다양한 값에 대한 센서 매개 변수를 계산합니다. 육각형 모양의 반 대각선(R) = 500 nm, 두 대각선 육각형 사이의 수직 거리(D) = 250 nm, 주기 수(N) = 5로 염분 센서의 최적 조건에 도달할 수 있었습니다. 이는 감도(S) = 525 nm/RIU, 성능 지수(FOM) = 80.7 RIU−1, 품질 계수(Q) = 375로 높은 효율을 제공합니다. 감지 성능에 대한 구조적 특성의 영향을 다음과 같이 조사합니다. 염분 센서를 개선하기 위한 새로운 접근 방식이 제안되었습니다. 또한, 전통적인 염분 센서는 열 담수화 기술에 사용하기에 간단하고 실용적인 광 감지 응용 분야에서 제안된 방법으로 대체될 수 있습니다.

광결정은 주기적으로 변형되는 광학 특성을 갖는 새로운 재료 구조로 간주되었습니다. PC는 현재 포토닉스 방법6,7에서 탁월한 기술입니다. 광학 상수는 입사 파장에 따라 달라지므로 분산 매체로도 간주됩니다. PC는 EMW8과의 특이한 상호 작용으로 인해 많은 관심을 끌었습니다. 또한 PC는 EMW 전송을 제어하고 규제할 수 있습니다. EMW는 애플리케이션의 요구 사항에 따라 활성 영역에 집중될 수 있습니다9. 광자 밴드 갭(PBG)은 PC의 중요한 측면으로, 전자기 모드는 입사 파장의 이 영역에서 구조를 통해 전파될 수 없습니다. 따라서 이러한 PBG는 광자 전파가 금지된 영역을 가지지만 그럼에도 불구하고 국부적인 모드와 제한된 광파의 존재를 허용합니다. 이 속성은 광학 응용 분야의 전력 손실을 해결하기 위해 조명 관리에 큰 경향을 열어줍니다. 따라서 광검출11, 센싱12 등 다양한 분야에도 활용될 수 있다. 그렇지 않으면 태양 에너지 전환13,14,15 및 PC 기반 담수화16가 증가하고 있습니다.

최근 과학자와 연구자들은 담수화 기술을 검토하는 데 노력을 집중해 왔습니다. 따라서 생성되는 담수의 염도를 판단하기 위해서는 염도 센서가 매우 중요하다. 염도(S)는 바닷물 1g에 녹아 있는 소금의 양을 그램 단위로 정의하고, PPT(parts per 천분율)로 표시하며, 바닷물에 들어 있는 소금의 양을 나타냅니다. 외해의 염분도는 34~37PPT로 관찰되었으며, 이는 실용 염도 단위(PSU) 34~37로도 표현될 수 있습니다. 여기서 S가 35인 바닷물에는 약 35g의 소금과 965g의 물, 즉 35ppt(35PSU)가 포함되어 있습니다. 따라서 \(S\le 0.5 \left(PPT\right)\)17에서 물은 관개 및 인간 소비에 사용될 수 있습니다. EMW와 염수의 상호 작용은 수십 년 동안 사용되어 온 염도 수준 감지의 기본 방법입니다. 따라서 EMW와 물질의 상호 작용인 PC는 굴절률 변경에 대한 높은 감도를 제공할 수 있으므로 최근 유체 응용을 식별하는 데 널리 사용되었습니다. 또한 열광학 효과 공식에 따르면 PC는 온도에 따라 굴절률이 달라지기 때문에 온도 센서로 활용할 수 있습니다. 따라서 PC는 이전에 발표된 연구에 따라 액체 및 가스의 굴절률을 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 결과적으로 PC 기술을 사용하는 것은 특히 염분 수준을 결정하는 데 있어서 새로운 종류의 담수화 기술입니다24. 센서 예측은 주변 유체의 굴절률 변화로 인해 발생하는 PBG 범위 내의 결함 모드 생성에 따라 달라집니다. 생물학적 분석물은 2차원 PC 마이크로 캐비티 센서와 이론적 고려 사항을 사용하여 검출할 수도 있습니다25.