DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82889-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39901016
تاريخ النشر: 2025-02-03
المؤلف: M. Maher وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلورات الضوئية والتطبيقات
نظرة عامة
تستكشف هذه الورقة البحثية مستشعر حراري معيب من نوع الكريستال الفوتوني أحادي البعد يتكون من طبقات من نيتريد الغاليوم (GaN) والجلسرين والهواء. باستخدام طريقة مصفوفة النقل وMATLAB لمحاكاة عددية، تقيم الدراسة حساسية المستشعر لتغيرات درجة الحرارة، وهو أمر حاسم للحفاظ على القطع الأثرية. تشير النتائج إلى أن المستشعر يحقق حساسية تبلغ حوالي 20 نانومتر/°م، مع عامل جودة ذروة يبلغ 14,723 عند زاوية سقوط 65°. تم تحديد سمك العيب المثالي للجلسرين بـ 900 نانومتر، بينما كان السمك المثالي لـ GaN هو 100 نانومتر، وكلاهما يساهم في تعزيز الحساسية وعوامل الجودة.
تكشف التحليلات أيضًا أن طيف النقل يظهر انزياحات حمراء عند الزوايا العالية وانزياحات زرقاء عند الزوايا المنخفضة، مع ذروة الحساسية عند 65°. تتغير مقاييس الأداء، بما في ذلك الحساسية وعامل الجودة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، مع تغيرات في زاوية السقوط وعدد تكرارات فترات GaN/الهواء، حيث أن ثلاث تكرارات تعطي أفضل حساسية لدرجة الحرارة. تستنتج الدراسة أن هيكل المستشعر المقترح يتفوق على المستشعرات الحرارية السابقة من حيث الحساسية وعامل الجودة ومقياس الجدارة، مما يشير إلى إمكانيته في تطبيقات الاستشعار الحراري العملية والفعالة من حيث التكلفة.
طرق
في هذه الدراسة، يوضح المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة لتطوير مستشعر حراري من الكريستال الفوتوني أحادي البعد (1D PhC) باستخدام نيتريد الغاليوم (GaN) كالمادة العازلة. تتضمن عملية التصنيع تقنيات الحفر الجاف والرطب، إلى جانب الفوتوليثوغرافيا، لإنشاء الهياكل اللازمة. على وجه التحديد، يتم استخدام الفوتوليثوغرافيا لتشكيل فجوات هوائية داخل إطار GaN، والتي تعتبر ضرورية لتشغيل أنظمة 1D PhC.
بالإضافة إلى ذلك، تتضمن البحث تقنية الميكروسيستم الضوئي السائل (OFM) لإدخال الجلسرين في منطقة العيب المركزية لـ 1D PhC. يهدف هذا التسلل إلى تعزيز قدرات الاستشعار الحراري. تعتمد المنهجية على دراسات سابقة، بما في ذلك أعمال T.S. Perova وآخرين وS. Surdo وآخرين، التي توفر رؤى أساسية حول استخدام البلورات السائلة النيماتية ودمج السوائل داخل الهياكل الفوتونية.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول تأثير سمك عيب الجلسرين ($D_{def}$) على أداء مستشعر حراري مقترح عن عدة نتائج رئيسية. مع زيادة $D_{def}$ من 500 نانومتر إلى 900 نانومتر، تظهر كل من الحساسية ($S$) ومقياس الجدارة (FOM) علاقة إيجابية، حيث يرتفع $S$ من 0.099 إلى 0.135 نانومتر/°م ويزداد FOM من 0.116 إلى 0.219 °م$^{-1}$. ومع ذلك، عند $D_{def} = 1000$ نانومتر، ينخفض FOM قليلاً إلى 0.169 °م$^{-1}$، على الرغم من أنه يبقى أعلى من القيم عند السماكات الأقل. يظهر عامل الجودة (QF) سلوكًا أكثر تعقيدًا، حيث يصل إلى ذروته عند 1539.678 لـ $D_{def} = 900$ نانومتر بعد زيادة كبيرة من 500 إلى 600 نانومتر، تليها تقلبات.
تظهر نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وحدود الكشف ($\delta n$) أيضًا تباينًا كبيرًا مع تغيرات في $D_{def}$. تصل SNR إلى ذروتها عند 671.001 لـ $D_{def} = 800$ نانومتر ولكن لا تظهر اتجاهًا ثابتًا عبر السماكات. وبالمثل، تصل $\delta n$ إلى أعلى قيمة لها وهي 1742.350 °م عند $D_{def} = 700$ نانومتر قبل أن تنخفض إلى 906.304 °م عند $D_{def} = 800$ نانومتر. تتبع دقة المستشعر (SR) نمطًا مشابهًا، مع أقصى قيمة تبلغ 206.555 نانومتر عند $D_{def} = 700$ نانومتر. بشكل عام، يتم تحديد سمك عيب الجلسرين المثالي لتعظيم كل من الحساسية وعامل الجودة حول 800-900 نانومتر، حيث يظهر المستشعر أداءً معززًا قبل الانخفاض المحتمل في الجودة بسبب زيادة السماكة.
نقاش
تتناول قسم النقاش في الورقة البحثية اعتبارات التصميم وخصائص الأداء للكريستالات الفوتونية أحادية البعد (PhCs) التي تستخدم نيتريد الغاليوم (GaN) والجلسرين لتطبيقات استشعار درجة الحرارة. تشمل الهياكل المقترحة تكوينات خالية من العيوب وتحتوي على عيوب، حيث يعمل GaN كوسط عالي معامل الانكسار والجلسرين كمادة عيب حساسة لدرجة الحرارة. تضع الخصائص المفيدة لـ GaN، مثل حركة الإلكترون العالية، وفجوة الطاقة الواسعة، والتوصيل الحراري الممتاز، كمرشح واعد لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار، بما في ذلك مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة. تسلط الدراسة الضوء على فعالية الجلسرين في استشعار درجة الحرارة بسبب معاملها الحراري البصري السلبي، مما يسمح بانخفاض معامل الانكسار مع زيادة درجة الحرارة.
تستخدم طريقة مصفوفة النقل (TMM) لمحاكاة الأطياف البصرية لهياكل PhC، مما يمكّن من استخراج أطياف النقل والانعكاس. يتم تقييم مقاييس الأداء الرئيسية مثل الحساسية (S) وعامل الجودة (QF) ومقياس الجدارة (FOM) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وحدود الكشف (δn) ودقة المستشعر (SR). تشير النتائج إلى أن الحساسية وعامل الجودة تتقلب مع تغير زوايا السقوط وسماكات GaN، مع ملاحظة الأداء الأمثل عند تكوينات معينة. على سبيل المثال، يتم تحقيق أقصى حساسية عند زاوية سقوط 65° وسماكة GaN تبلغ 100 نانومتر. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مستشعرات PhC المعتمدة على GaN لتطبيقات استشعار درجة الحرارة المتقدمة، مع آثار على التصنيفات البصرية المستقبلية وتصميمات المستشعرات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82889-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39901016
Publication Date: 2025-02-03
Author(s): M. Maher et al.
Primary Topic: Photonic Crystals and Applications
Overview
This research paper investigates a defective one-dimensional photonic crystal thermal sensor composed of layers of gallium nitride (GaN), glycerin, and air. Utilizing the transfer matrix method and MATLAB for numerical simulations, the study evaluates the sensor’s sensitivity to temperature variations, which is critical for preserving archaeological artifacts. The findings indicate that the sensor achieves a sensitivity of approximately 20 nm/°C, with a peak quality factor of 14,723 at an incident angle of 65°. The optimal glycerin defect thickness is identified as 900 nm, while the ideal GaN thickness is 100 nm, both contributing to enhanced sensitivity and quality factors.
The analysis further reveals that the transmission spectra exhibit redshifts at higher angles and blueshifts at lower angles, with sensitivity peaking at 65°. The performance metrics, including sensitivity, quality factor, and signal-to-noise ratio, vary with changes in incident angle and the number of GaN/air period repetitions, with three repetitions yielding the best temperature sensitivity. The study concludes that the proposed sensor structure outperforms previous thermal sensors in terms of sensitivity, quality factor, and figure of merit, suggesting its potential for practical and cost-effective thermal sensing applications.
Methods
In this study, the authors detail the experimental methods employed to develop a one-dimensional photonic crystal (1D PhC) thermal sensor utilizing gallium nitride (GaN) as the dielectric material. The fabrication process involves both dry and wet etching techniques, alongside photolithography, to create the necessary structures. Specifically, photolithography is utilized to form air gaps within the GaN framework, which are essential for the operation of the 1D PhC systems.
Additionally, the research incorporates the optofluidic microsystem (OFM) technique to introduce glycerin into the central defect region of the 1D PhC. This infiltration is aimed at enhancing thermal sensing capabilities. The methodology draws on previous studies, including the work of T.S. Perova et al. and S. Surdo et al., which provide foundational insights into the use of nematic liquid crystals and the integration of fluids within photonic structures.
Results
The results of the study on the impact of glycerin defect thickness ($D_{def}$) on the performance of a proposed thermal sensor reveal several key findings. As $D_{def}$ increases from 500 nm to 900 nm, both sensitivity ($S$) and figure of merit (FOM) exhibit a positive correlation, with $S$ rising from 0.099 to 0.135 nm/°C and FOM increasing from 0.116 to 0.219 °C$^{-1}$. However, at $D_{def} = 1000$ nm, the FOM slightly decreases to 0.169 °C$^{-1}$, although it remains higher than values at lower thicknesses. The quality factor (QF) shows a more complex behavior, peaking at 1539.678 for $D_{def} = 900$ nm after a significant increase from 500 to 600 nm, followed by fluctuations.
The signal-to-noise ratio (SNR) and detection limit ($\delta n$) also demonstrate significant variability with changes in $D_{def}$. The SNR peaks at 671.001 for $D_{def} = 800$ nm but shows no consistent trend across thicknesses. Similarly, $\delta n$ reaches its highest value of 1742.350 °C at $D_{def} = 700$ nm before decreasing to 906.304 °C at $D_{def} = 800$ nm. Sensor resolution (SR) follows a similar pattern, with a maximum of 206.555 nm at $D_{def} = 700$ nm. Overall, the optimal glycerin defect thickness for maximizing both sensitivity and quality factor is identified around 800-900 nm, where the sensor exhibits enhanced performance before potential declines in quality due to increased thickness.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the design considerations and performance characteristics of one-dimensional photonic crystals (PhCs) utilizing Gallium Nitride (GaN) and glycerin for temperature sensing applications. The proposed structures include defect-free and defect-containing configurations, with GaN serving as a high-refractive index medium and glycerin as a temperature-sensitive defect material. GaN’s advantageous properties, such as high electron mobility, wide energy band gap, and excellent thermal conductivity, position it as a promising candidate for various sensing applications, including temperature and humidity sensors. The study highlights the effectiveness of glycerin in temperature sensing due to its negative thermo-optic coefficient, which allows for a decrease in refractive index with increasing temperature.
The transfer matrix method (TMM) is employed to simulate the optical spectra of the PhC structures, enabling the extraction of transmission and reflection spectra. Key performance metrics such as sensitivity (S), quality factor (QF), figure of merit (FOM), signal-to-noise ratio (SNR), detection limit (δn), and sensor resolution (SR) are evaluated. The results indicate that the sensitivity and quality factor fluctuate with varying incident angles and GaN thicknesses, with optimal performance observed at specific configurations. For instance, the maximum sensitivity is achieved at an incident angle of 65° and a GaN thickness of 100 nm. Overall, the findings underscore the potential of GaN-based PhC sensors for advanced temperature sensing applications, with implications for future optical characterizations and sensor designs.