상변화물질과 그래핀의 수치해석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7653(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

여기에서는 적외선 및 가시 전자기 스펙트럼에서 넓은 동적 범위를 갖는 상전이 물질 Ge2Sb2Te5(GST) 기반, 그래핀 기반에 대한 파라메트릭 분석 결과를 제시합니다. 제안된 구조는 GST, 그래핀, 실리콘 및 은 재료의 층으로 구성된 다층 구성으로 연구되었습니다. 이러한 다층 구조의 반사율 동작은 1.3과 2.5 사이의 굴절률에 대해 설명되었습니다. 전체 설계는 유한 요소법이라는 계산 프로세스를 사용하여 시뮬레이션됩니다. 또한, 우리는 일반적으로 구조 성능에 대한 재료 높이의 영향을 조사했습니다. 우리는 특정 파장 범위와 굴절률 값에 대한 감지 동작을 결정하기 위해 다항식의 여러 공진 추적 곡선을 제시했습니다. 제안된 디자인은 또한 광각 안정성을 확인하기 위해 다양한 경사 입사각에서 조사되었습니다. 제안된 구조에 대한 전산 연구는 악성, 헤모글로빈 소변, 타액-코티솔 및 포도당을 포함한 광범위한 생체 분자를 식별하는 바이오 센서의 진화를 도울 수 있습니다.

생명과학과 전자공학의 통합은 생체분자 상호작용을 연구하고 측정하기 위한 강력한 자원을 만들어냈습니다. 지난 몇 년 동안 전자 장치는 생명 과학에서 생체 원자 상호 작용의 특성화 및 분석에 크게 기여해 왔습니다1. 이러한 전자 장치에 대한 관심은 합성 식별, 유전체학, 임상 검출 및 단백질체학2,3을 포함하되 이에 국한되지 않는 여러 분야에서 급증했습니다. 약물 연구, 생의학, 식품 안전, 국방, 보안 및 환경 모니터링 분야 모두 바이오센서 사용의 중요한 관련성을 인식했습니다. 그 결과, 과학자들은 생물학적 시료의 미세한 변화를 매우 정밀하게 감지할 수 있는 바이오센서를 기반으로 한 민감한 분석 기술을 개발했습니다. 바이오센서는 생물학적 검출 구성요소를 사용하는 진단 장치이며 약물 개발, 의료 진단, 식품 가공, 환경 모니터링, 군사 국방 및 국가 안보와 같은 다양한 분야에서 많은 실용적인 용도를 가지고 있습니다4. 산소 또는 과산화수소를 전기화학적으로 감지하기 위해 고정된 포도당 산화효소 전극을 사용하는 최초의 바이오센서는 생물학적 시료에서 포도당을 정량화하기 위해 Clark과 Lyons에 의해 개발되었습니다5. 그 이후로 전기화학, 나노기술, 생체전자공학 등 다양한 분야의 새로운 기술 덕분에 바이오센서 기술과 응용이 엄청나게 발전했습니다. 광학 바이오센서는 본질적으로 하드웨어 변환기의 짧은 거리 내에 있는 생체 인식 요소로, 분석물질의 포착을 빛의 특성(강도, 파장, 공명 또는 굴절률 등)의 일부 측면에서 감지 가능한 변화로 변환합니다. . 간섭계7, 격자8, 플라즈몬9 및 공진기10는 광학 감지에 활용될 수 있는 물리적 변환 메커니즘의 몇 가지 예일 뿐입니다. 센서와 관련하여 플라즈모닉을 기반으로 하는 센서가 아마도 가장 잘 알려져 있고 일반적으로 사용되는 센서일 것입니다. 많은 사람들에게 표면 플라즈몬 공명(SPR) 바이오센서는 광학 및 플라즈몬 바이오센서 기술9의 정점을 나타냅니다. SPR에 대한 최초의 기록된 증거는 1902년 물리적 세계에서 발생했습니다. 이 모호한 광학 현상 관찰은 수십 년에 걸쳐 표면 플라즈몬 물리학에 대한 확실한 통찰력으로 발전했습니다12. Liedeberg와 Nylander는 1982년 가스 감지 및 바이오 감지에 유용한 광학 바이오센서로서 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 처음으로 입증했습니다. 그 이후로 SPR은 화학, 물리학, 생물학이 모두 융합될 수 있는 관문 역할을 하여 표면 화학을 강화했습니다14. 표면 플라즈몬 공명(SPR) 기반 바이오센서에 대한 전망이 계속해서 빠르게 확장됨에 따라 최근 이 주제에 관심이 있는 연구자 수가 폭발적으로 증가했으며 SPR 기술은 감지 수단으로 바이오센서에서 주목을 받았습니다. 라벨이 없는 시스템에서의 지속적인 감지 기능, 지속적인 관찰, 신속한 반응 및 향상된 감도와 같은 유익한 특성뿐만 아니라 설계 유연성, 소형화, 감지 데이터 다중화 및 원격 감지와 같은 주목할만한 이점으로 인해17 , SPR 기술은 생물 의학에서 환경, 심지어 산업까지 잠재적 응용 분야를 확대했습니다. 최근 몇 년 동안 핵산, 단백질, 다양한 효소, 성장 인자, DNA, 항체, 의약품 및 식품 품질을 비롯한 다양한 생체분자를 감지하기 위한 SPR 기반 바이오센서의 성공적인 상용화 및 광범위한 사용이 달성되었습니다. 그러나 무엇보다도 SPR의 생의학 응용은 특히 획기적입니다20. 금속 내 집단 전자 진동을 플라즈몬이라고 하며, 금속-유전체 경계면을 따라 이동하는 전파 표면 플라즈몬(PSP) 또는 금속 나노 구조의 표면에 국한된 국소 표면 플라즈몬(LSP)일 수 있습니다(크기가 금속보다 작은 크기). 빛의 파장)(LSP). 이러한 모드를 들어오는 빛과 결합하면 금속 나노 구조의 구성, 모양 및 크기와 주변 매체의 유전 특성에 크게 의존하는 공명이 발생하기 때문에 표면 프로세스를 조사하는 데 중요한 도구입니다. SP와 LSP는 모두 표면에 국한된 전자기장을 갖고 있으며 반감기는 각각 30nm와 200nm로 주변 매체로 기하급수적으로 감소합니다. 결과적으로 이러한 프로세스를 기반으로 구축된 센서는 지면 근처에서 발생하는 변화에 고도로 적응합니다. 분석물과의 물리화학적 접촉은 SPR 및 LSPR 센서의 기초가 되는 금속 나노구조 주변 감지층의 굴절률 변화를 일으킵니다.