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Nov 13, 2023

Leistungsanalyse des Salzgehalts basierend auf hexagonalen zwei

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22133 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben eine einzigartige Struktur für einen Flüssigkeitssensor basierend auf zweidimensionalen PCs mit einer dreieckigen Gitterkonstante in der Periodizität entworfen, indem wir einen sechseckigen Zylinder in ein dielektrisches Wirtsmaterial gebohrt haben. Mit dem COMSOL-Multiphysik-Ansatz untersuchten wir die gegebene Struktur und Sensorleistung auf Basis der Finite-Elemente-Methode. Wir werden zweidimensionale hexagonale photonische Kristalle optimieren, um den photonischen Bandlückenbereich im mittleren und fernen Infrarot-Frequenzbereich zu lokalisieren, da Wasser ein guter Absorber für diesen Frequenzbereich ist. Anschließend injizieren wir Salzwasser in den zentralen sechseckigen Zylinder und berechnen die Sensorparameter für verschiedene Werte des Brechungsindex von Salzwasser bei verschiedenen Frequenzen im Zusammenhang mit photonischen Bandlücken. Wir könnten die optimalen Bedingungen des Salzgehaltsensors erreichen, wenn die halbe Diagonale der sechseckigen Form (R) = 500 nm, der senkrechte Abstand zwischen den beiden diagonalen sechseckigen Formen (D) = 250 nm und die Anzahl der Perioden (N) = 5 beträgt , was eine hohe Effizienz mit einer Empfindlichkeit (S) = 525 nm/RIU, einem Gütefaktor (FOM) = 80,7 RIU−1 und einem Qualitätsfaktor (Q) = 375 ergibt. Die Auswirkungen struktureller Merkmale auf die Sensorleistung werden untersucht neue Ansätze zur Verbesserung von Salzgehaltssensoren vorgeschlagen. Darüber hinaus können herkömmliche Salzgehaltssensoren durch die vorgeschlagene Methode in der Fotosensoranwendung ersetzt werden, die für den Einsatz in thermischen Entsalzungstechniken einfach und praktisch ist.

Photonische Kristalle wurden als neue Materialstrukturen mit periodisch veränderten optischen Eigenschaften angesehen1,2,3,4,5. PCs sind derzeit eine herausragende Technologie in photonischen Methoden6,7. Da ihre optischen Konstanten von der einfallenden Wellenlänge abhängen, gelten sie auch als dispersives Medium. PCs haben aufgrund ihrer ungewöhnlichen Interaktion mit EMW8 großes Interesse geweckt. Darüber hinaus können PCs die Übertragung von EMW steuern und regeln. Damit die EMW gemäß den Anforderungen der Anwendung9 auf eine aktive Region konzentriert werden kann. Die photonische Bandlücke (PBG) ist ein wesentlicher Aspekt von PCs, da sich die elektromagnetischen Moden in diesem Bereich der einfallenden Wellenlängen nicht durch die Struktur ausbreiten können. Somit verfügen diese PBGs über eine verbotene Zone für die Photonenausbreitung, ermöglichen aber dennoch das Vorhandensein lokalisierter Moden und eingeschränkter optischer Wellen10. Diese Eigenschaft eröffnet eine große Tendenz im Lichtmanagement, die Verlustleistung in optischen Anwendungen zu lösen. Daher kann es auch in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in der Fotodetektion11 und Sensorik12. Ansonsten sind die Solarenergieumwandlung13,14,15 und die PC-basierte Wasserentsalzung16 auf dem Vormarsch.

Wissenschaftler und Forscher haben ihre Bemühungen in letzter Zeit auf die Untersuchung von Entsalzungstechnologien konzentriert. Daher ist der Salzgehaltsensor sehr wichtig, um den Salzgehalt des erzeugten Süßwassers zu bestimmen. Der Salzgehalt (S), definiert als die in 1 g Salzwasser gelöste Salzmenge in Gramm und dargestellt in Promille (PPT), gibt die Salzmenge im Meerwasser an. Es wurde beobachtet, dass der Salzgehalt des offenen Ozeans zwischen 34 und 37 PPT liegt, was auch als 34 bis 37 praktische Salzgehaltseinheiten (PSU) ausgedrückt werden kann. Dabei enthält Meerwasser mit S gleich 35 etwa 35 g Salz und 965 g Wasser oder 35 ppt (35 PSU). Daher könnte das Wasser für die Bewässerung und den menschlichen Verzehr bei \(S\le 0,5 \left(PPT\right)\)17 verwendet werden. Die Wechselwirkung von EMW und Salzwasser ist die grundlegende Methode zur Bestimmung des Salzgehalts, die seit Jahrzehnten verwendet wird18,19. Daher wurden PCs – die Wechselwirkung von EMW mit Materie – in jüngster Zeit häufig zur Identifizierung von Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt, da sie möglicherweise ein hohes Maß an Empfindlichkeit für die Änderung des Brechungsindex bieten. Nach der Formel des thermooptischen Effekts können PCs auch als Temperatursensoren verwendet werden, da der Brechungsindex mit der Temperatur variiert20. Daher könnten PCs nach zuvor veröffentlichten Forschungsergebnissen zur Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten und Gasen verwendet werden21,22,23. Daher stellt der Einsatz von PC-Technologie eine neue Klasse der Entsalzungstechnologie dar, insbesondere bei der Bestimmung des Salzgehalts24. Das Sensorprinzip beruht auf der Erzeugung von Defektmodi innerhalb der PBG-Bereiche, die auf Schwankungen im Brechungsindex der umgebenden Flüssigkeit zurückzuführen sind. Biologische Analyte können auch mit zweidimensionalen PC-Mikrokavitätssensoren und theoretischen Überlegungen nachgewiesen werden25.

Forscher sind an zweidimensionalen PCs interessiert, weil sie als Wellenleiter und Lichtsteuerung genutzt werden können26. Darüber hinaus wird das Dreiecksgitter zweidimensionaler PCs zum Entwurf ultrakompakter Logikgatter27 verwendet. Außerdem wird As2Se3-Chalkogenid mit Dreiecksgitterstäben in der Luft zum Entwurf digitaler Logikgatter und rein optischer Leistungsteiler verwendet, indem in der Diagonalrichtung des PCs ein Leitungsdefekt (Entfernen von Stäben) erzeugt wird28. Aufgrund der Beliebtheit von 2D-PCs tendieren wir dazu, einen Salzgehaltsensor zu entwerfen, der auf den grundlegenden Eigenschaften von 2D-PCs mit einer dreieckigen Gitterkonstante und einer hexagonalen Elementarzelle basiert, wie wir im folgenden Abschnitt ausführlich besprechen werden.

Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, zu zeigen, wie 2D-PCs mit einer dreieckigen Gitterkonstante und einer hexagonalen Elementarzelle den Salzgehalt von Meerwasser bestimmen können. Der Salzgehalt wird durch den Brechungsindex des Salzwassers dargestellt, der sich von 1,3326 auf 1,3505 RIU ändert. Wir haben die normale Übertragung durch eine Platte untersucht, die in dreieckigen Abständen mit sechseckigen Löchern perforiert ist. Anschließend wird die Leistung des Sensors durch Berechnung verschiedener Parameter wie Gütezahl (FOM), Qualitätsfaktor (Q) und Empfindlichkeit (S)29,30 bewertet.

Wir befassen uns mit der vorliegenden strukturtheoretischen Modellierung. Die Finite-Elemente-Methode[FEM] ist die grundlegende mathematische Methode, die im COMSOL-Multiphysik-Simulationsverfahren31,31 verwendet wird. Wie wir in Abb. 1 gezeigt haben, besteht die betrachtete Struktur aus sechseckigen Bohrlöchern, die Zellen innerhalb einer Wirtsmaterialmatrix mit der dreieckigen Anordnung in zwei Richtungen und homogen in der dritten Richtung vereinen, was unserer Meinung nach zweidimensionale PCs darstellt.

Schematische Struktur von 2D-PCs mit hexagonaler Elementarzelle (A) Oberfläche der Struktur mit den Abständen zwischen dem Sechseck wie gezeigt, (B) einer Elementarzelle und (C) der Anordnung der Elementarzelle in x-Richtung.

In Abb. 1 ist X der diagonale Gitterparameter (Mitte zu Mitte), R die halbe Diagonale der sechseckigen Form und D der senkrechte Abstand zwischen den beiden diagonalen sechseckigen Formen, wie gezeigt. A ist der Gitterparameter in der X-Richtung, wie gezeigt, wobei

Die betrachtete Struktur in Abb. 1 hat mehr als einen Parameter, wie zum Beispiel den Gitterparameter (Mitte zu Mitte), R, die halbe Diagonale der sechseckigen Form, und D, den senkrechten Abstand zwischen zwei diagonalen Sechsecken, wie gezeigt. Daher untersuchen wir die optischen Eigenschaften der betrachteten Strukturen, wie in Abb. 1 dargestellt, um die Eigenschaft der hohen Empfindung zu erhalten. Wir können in Gl. (3) Der Wasserindex hängt von den verschiedenen Parametern ab: Salzgehalt S (%), Meerwassertemperatur (°C) und Wellenlänge (\(\lambda\)) in nm32,33.

Die in Abb. 1 betrachtete Struktur besteht aus gebohrten sechseckigen Löchern in einem Grundmaterial aus Titandioxid. Alle Löcher sind mit Luft gefüllt, daher wird erwartet, dass das zentrale Loch, das mit Salzwasser gefüllt ist, entdeckt wird. Schließlich wird die Leistung des betrachteten Salzgehaltsensors, wie bereits erwähnt, von mehreren Faktoren berechnet. Die Gleichungen. (4, 5 und 6) unten werden üblicherweise zur Berechnung dieser Werte verwendet34.

Dabei sind \(\Delta \lambda\), \(\Delta n\) und \({\lambda }_{r}\) die Wellenlängenunterschiede, die Änderung des Brechungsindex bzw. die zentrale Wellenlänge. FWHM stellt die Vollwellen im halben Maximum dar.

Unser Simulationsverfahren wird in zwei Dimensionen durchgeführt, mit homogenen Eigenschaften in der dritten Dimension. Die Randbedingungen des Simulationsverfahrens für die 2D-PCs mit einer hexagonalen Elementarzelle aus Salzwasser sind periodische Bedingungen für die beiden Seiten senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung wie in Abb. 1C. Außerdem muss die Maschenweite zehnmal kleiner sein als die kleinste einfallende Wellenlänge bei freier Dreiecksgröße, um genauere Ergebnisse bei der Finite-Elemente-Methode zu erhalten. Daher sind die Simulationsvernetzungsparameter die maximale Elementgröße von \(70 (\mathrm{nm})\), die minimale Elementgröße von 0,213 \((\mathrm{nm})\) und die maximale Elementwachstumsrate ist 1,1. Wir ersetzen den Brechungsindex des Wirtsmaterials \((Ti{O}_{2})\) durch 2,535 im definierenden Materialteil des Modells.

In diesem Teil werden wir die theoretischen Ergebnisse und Diskussionen für das Optimierungsverfahren unserer Struktur präsentieren, um sehr empfindlich auf Änderungen im Index (n) eines Salzwassers zu reagieren, die vom Salzgehalt abhängen. Die hier vorgestellten Ergebnisse und Diskussionen werden in zwei Phasen präsentiert: Zunächst werden wir 2D-hexagonale PCs optimieren, um den photonischen Bandlückenbereich in einem bestimmten Frequenzbereich zu lokalisieren, der mit den optischen Eigenschaften von Meerwasser zusammenhängt. Im zweiten Schritt beschäftigen wir uns dann mit den defekten zweidimensionalen photonischen Kristallen, wobei die Defektschicht der Struktur das Salzwasser ist. Schließlich konnten wir den optimalen Zustand des Salzgehaltsensors auch in der Fotosensoranwendung erreichen.

Hier untersuchen wir die Auswirkung jedes Parameters, wie der Anzahl der Perioden (N), der halben Diagonale der sechseckigen Form (R) und des senkrechten Abstands zwischen zwei diagonalen sechseckigen Zylindern (D), auf die optischen Eigenschaften der Berücksichtigte Struktur von 2D-Sechseck-PCs, insbesondere in Bezug auf PBG-Breite und -Position. Daher ist die Untersuchung des Effekts der Anzahl der Perioden in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2 zeigt das Transmissionsspektrum der zweidimensionalen hexagonalen Elementarzelle. Alle Zylinder (sechseckig) mit einem Radius \(( R)=80 \mathrm{nm}\), sind mit Luft gefüllt und \(D=160 \mathrm{nm},\) bei Wirtsmaterial aus Titandioxid \( (Ti{O}_{2})\) für verschiedene Werte von N, wie gezeigt. Hier ist die PBG-Position nahezu konstant, indem der Wert von N im Wellenlängenbereich von etwa 940 bis 1200 nm erhöht wird, wie gezeigt wurde, aber dies führt zu einer Schärfe der PBG-Kanten.

Transmissionseigenschaft einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(R=80 nm\),\(D=160 nm,\) und wobei alle Zylinder am Wirtsmaterial Titandioxid \((Ti{ O}_{2})\) mit Variationen der Anzahl der Perioden wie gezeigt.

Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass bei höheren Werten von N Perioden die Resonanzspitzen schärfer sind als die anderen. Daher optimieren wir die vollständige Struktur für diese höhere Anzahl von Perioden, um die Empfindlichkeit unseres Sensors zu verbessern. Abbildung 3 veranschaulicht die Verteilung elektrischer Felder durch die betrachtete Struktur. Es lokalisiert auch das elektrische Feld innerhalb der Abschnitte der dargestellten Strukturen, was der Struktur den Vorteil verleiht, zwischen den verschiedenen Brechungsindizes zu unterscheiden.

Die elektrische Feldverteilung innerhalb der Struktur einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(R=80 \mathrm{nm}\), \(D=160 \mathrm{nm},\) und alle Zylinder sind mit Luft gefüllt am Wirtsmaterial Titandioxid \((Ti{O}_{2})\). Außerdem entsprechen N Perioden 7 für unterschiedliche Werte der Einfallsfrequenz wie in (A) und (B).

In Abb. 3 nehmen wir eine Anordnung hexagonaler Elementarzellen mit einer perfekt passenden Schicht in Richtung der Wellenausbreitung und einer periodischen Randbedingung in Normalenrichtung. Wie wir gezeigt haben, haben wir auch die Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb der Struktur untersucht. Daher haben wir bei dieser bestimmten Frequenz, wie wir in Abb. 3a gezeigt haben, festgestellt, dass sich die Lokalisierung des elektrischen Feldes in der zentralen Pore verändert. Daher nutzen wir diese Frequenz, um zwischen verschiedenen Analyten in dieser Pore zu unterscheiden. Anschließend optimieren wir den Wert des senkrechten Abstands zwischen zwei hexagonalen Poren \((D)\) für die Lokalisierung des PBG in einem bestimmten Bereich, wie in Abb. 4 dargestellt. In Abb. 4 durch Erhöhen des Wertes der Resonanzspitzen , sie werden schärfer als die anderen und der PBG-Bereich wird in Richtung der längeren Wellenlängen verschoben.

Transmissionseigenschaft einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(R=80 \mathrm{nm}\), \(N=11,\) und alle Zylinder sind mit Luft gefüllt beim Wirtsmaterial Titandioxid \((Ti {O}_{2})\) bei verschiedenen Werten von \(D\), wie gezeigt.

Schließlich optimieren wir den Wert von R, der als halbe Diagonale der sechseckigen Form betrachtet wird, wie wir zuvor in Abschn. 2. Ziel der Optimierung ist die Lokalisierung des PBG im nahen oder mittleren Infrarotspektrum aufgrund der optischen Eigenschaften von Wasser. In Abb. 5 wird durch Erhöhen des Werts von \(R\) die PBG-Breite vergrößert und die Position des PBG wird zu längeren Wellenlängen verschoben, wie wir gezeigt haben. Daher sammeln wir die letzten Ergebnisse in Tabelle 1, die den Optimierungsprozess von PBG in dem spezifischen Frequenzbereich darstellen, den wir für unsere Anwendung des Salzgehaltsensors benötigen. Um aus Tabelle 1 ein breites PBG im IR-Spektrum zu lokalisieren, müssen wir die Struktur mit höheren Werten für R und D wählen.

Transmissionseigenschaft der zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N}=11,\) und alle Zylinder sind im Wirt mit Luft gefüllt Material aus Titandioxid \(({\mathrm{TiO}}_{2})\) bei verschiedenen Werten von \(\mathrm{r}\) wie gezeigt.

Am Ende dieses Unterabschnitts untersuchen wir die optischen Eigenschaften von Wasser. Es ist bekannt, dass die Variation des Brechungsindex von Wasser von der einfallenden Wellenlänge abhängt und zwischen 1,15 und 1,5 RIU liegt. Infolgedessen beträgt der Brechungsindex von Süßwasser bei sichtbarem Licht ungefähr 1,33 RIU29. Darüber hinaus variiert auch der Ausdehnungskoeffizient von Wasser als Funktion der Wellenlänge. Außerdem haben wir das Absorptionsspektrum von Wasser wie in Abb. 6, was bestätigt, dass das Wasser aufgrund seiner geringen Absorption für diese Wellenlängen für das ultraviolette und sichtbare Spektrum transparent ist, wie gezeigt. Darüber hinaus wird das Wasser im mittleren und fernen IR-Spektrum stark absorbiert. Daher ändert sich, wie bereits im letzten Abschnitt erläutert, der Salzwasserindex aufgrund der Schwankung des Salzgehalts von 0 auf 100 % von 1,3326 auf 1,3505 RIU. Als Ergebnis testen wir die Fähigkeit unserer Struktur, die verschiedenen Brechungsindizes von Salzwasser als Maß für den Salzgehalt im Meerwasser zu charakterisieren.

Wasserabsorptionsspektrum als Funktion der einfallenden Wellenlänge36.

Nach der Optimierung der 2D-Sechseck-PCs waren wir in der Lage, das PBG so zu lokalisieren, wie wir es für eine bestimmte Anwendung benötigten. Daher werden wir im folgenden Unterabschnitt die defekten Modi der letzten Strukturen untersuchen, die als Salzgehaltssensoren für das Salzwasser in den Wasserentsalzungstechniken dienen.

Wir sind besorgt über die fehlerhafte Struktur des Salzgehaltsensors. Unsere Struktur ist ein unendlicher Kristall aus sechseckigen Bohrlöchern in einem Wirtsmaterial aus Titandioxid \((Ti{O}_{2})\), von dem wir glauben, dass es sich um 2D-PCs handelt, wie wir in Abb. 1 gezeigt haben. Bis auf den zentralen sechseckigen Zylinder, der das zu untersuchende Salzwasser enthält, sind alle sechseckigen Zylinder in Abb. 1 mit Luft gefüllt.

In Abb. 7 wird die Transmissionsspektrumkurve mittels FEM erstellt. In Abb. 7A besteht diese Struktur aus der zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(r=80 nm,\) \(D=80 nm\),\(und einer Periodenzahl (N)=5,\) bei Wirtsmaterial aus Titandioxid \(\left(Ti{O}_{2}\right)\), und alle Zylinder sind mit Luft gefüllt. Wie wir gezeigt haben, entsteht im Spektralbereich von 549 bis 813 nm ein PBG. Beim Einspritzen von Salzwasser in den zentralen Teil der Struktur in Abb. 7B bemerken wir einen Defektpeak bei 565 nm. Wir sind jedoch nicht in der Lage, zwischen den verschiedenen Brechungsindizes von Salzwasser zu unterscheiden, daher vergrößern wir den Wellenlängenbereich von 550 bis 580 nm, wie in Abb. 7C dargestellt. Als Ergebnis müssen die Attribute dieses Sensors berechnet werden: Empfindlichkeit \((S)=67 nm/RIU\), \(Q=128 ,\) und Gütefaktor \(\left(FOM\right)=15 {RIU}^{-1}\).

Die Transmissionseigenschaft der zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(\mathrm{R}=80\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=80\mathrm{ nm}\),\(\mathrm {N}=5,\mathrm{ und}\) das Wirtsmaterial ist Titandioxid \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt\(,\) (B) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt, mit Ausnahme des Mittelgusses, der mit Salzwasser mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten gefüllt ist, und (C) Vergrößern Sie den Defektpeak in Abbildung B .

Dann wird durch Erhöhen der Dimension der Struktur, wobei \(R=180 nm\), \(D=120 nm\),\(N=5,\mathrm{ und}\) das Wirtsmaterial Titandioxid ist \( \left(Ti{O}_{2}\right)\), alle Zylinder sind mit Luft gefüllt. Wie wir in Abb. 8A gezeigt haben, wird im Spektralbereich von 922 bis 1482 nm ein PBG gebildet. Beim Einspritzen von Salzwasser in den zentralen Teil der Struktur in Abb. 8B bemerken wir einen Defektpeak bei 1000 nm. Da wir jedoch nicht zwischen den verschiedenen Brechungsindizes von Salzwasser unterscheiden können, vergrößern wir den Wellenlängenbereich von 980 bis 1020 nm, wie in Abb. 8C dargestellt. Als Ergebnis müssen die Attribute dieses Sensors berechnet werden: Empfindlichkeit \((S)=200 nm/RIU\), \(Q=285,4 ,\) und Gütefaktor \(\left(FOM\right)=57 {RIU}^{-1}\).

Transmissionseigenschaft einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(\mathrm{R}=180\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ und}\) das Wirtsmaterial Titandioxid \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt; (B) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt, mit Ausnahme des zentralen Gusszylinders, der mit Salzwasser mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten gefüllt ist; und (C) Vergrößern Sie den Defektpeak in Abbildung (B).

Auf die gleiche Weise können wir nicht zwischen den unterschiedlichen Brechungsindizes von Salzwasser unterscheiden, daher vergrößern wir den Wellenlängenbereich von 550 bis 580 nm, wie in Abb. 7C dargestellt. Als Ergebnis müssen die Attribute dieses Sensors berechnet werden: Empfindlichkeit \((S)=67 nm/RIU\), \(Q=128 ,\) und Gütefaktor \(\left(FOM\right)=15 {RIU}^{-1}\).

Durch das gleiche Verfahren zur Vergrößerung der Strukturdimension, wobei \(R=250 nm\) und \(D=120 nm\) wie in Abb. 9, beträgt die Empfindlichkeit \((S)=279 nm/ RIU\), \(Q=324 ,\) und Gütezahl \(\left(FOM\right)=75 {RIU}^{-1}\). Auch für \(R=500 nm,\) und \(D=250 nm\), wie in Abb. 10, ist die Empfindlichkeit \((S)=525 nm/RIU\), \(Q=376 ,\ ) und Gütezahl \(\left(FOM\right)=80,7 {RIU}^{-1}\). Wir erreichen also eine Verbesserung der Erfassungsleistung durch Vergrößerung der Dimension der betrachteten Struktur.

Transmissionseigenschaft einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(\mathrm{R}=250\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ und}\) das Wirtsmaterial ist Titandioxid \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt; (B) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt, mit Ausnahme des zentralen Gusszylinders, der mit Salzwasser mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten gefüllt ist; und (C) Vergrößern Sie den Defektpeak in Abbildung (B).

Transmissionseigenschaft einer zweidimensionalen hexagonalen Zylinderelementarzelle mit \(\mathrm{R}=500\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=250\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ und}\) das Wirtsmaterial ist Titandioxid \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt; (B) Alle Zylinder sind mit Luft gefüllt, mit Ausnahme des zentralen Gusszylinders, der mit Salzwasser mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten gefüllt ist; und (C) Vergrößern Sie den Defektpeak in Abbildung (B).

Tabelle 2 zeigt, dass die Sensorleistung von der Dimension der Struktur abhängt, die wir zuvor in diesem Teil besprochen haben. Daher zeichnen wir die Beziehung zwischen den Sensorparametern [S, Q und FOM] und der Position des Defektpeaks in der PBG-Region auf, wie in Abb. 11 dargestellt. Wir haben festgestellt, dass die Empfindlichkeit erhöht wird, wenn der Defektpeak in Richtung länger verschoben wird Wellenlängen (mittleres IR-Spektrum). Darüber hinaus scheinen, wie in Abb. 11 dargestellt, der Gütefaktor (FOM) und der Qualitätsfaktor (Q) bei längeren Wellenlängen konstant zu sein. Somit wird die Empfindlichkeit von Salzwasser bei \(525 nm/RIU\) am Defektpeak im mittleren IR-Spektrum erreicht, was auf die hohe Absorption von Wasser im mittleren IR-Spektrum zurückzuführen ist, wie wir zuvor in Abb. 6 besprochen haben. Daher verfügt unsere Struktur aus sechseckigen Zylindern, die in Wirtsmaterialien aus Titandioxid gebohrt sind, über eine hohe Fähigkeit, den Brechungsindex von Salzwasser zu bestimmen, der als Salzgehalt bezeichnet wird.

Die Abhängigkeit der Sensorparameter von der Position des Defektpeaks.

Hier ist diese betrachtete Struktur der hexagonalen Elementarzelle von 2D-PCs eine Erweiterung unserer früheren Arbeit für die 2D-PCs mit einer kreisförmigen Elementarzelle, die bei Material Science and Engineering B31 veröffentlicht wurde. Die Empfindlichkeit der kreisförmigen Elementarzelle wird bei 58 [nm/RIU] erreicht, wie in 37,38 veröffentlicht. Somit bestätigt der Vergleich zwischen den kreisförmigen und hexagonalen Salzgehaltssensoren, dass die hexagonale Form eine hohe Empfindlichkeit für den Salzgehalt des Wassers aufweist und nicht die herkömmliche Struktur einer kreisförmigen Elementarzelle.

In diesem Artikel zeigen wir, wie zweidimensionale photonische Kristalle mit sechseckigem Zylinder als Salzgehaltssensor verwendet werden können. Wir entwerfen die Strukturen so, dass alle sechseckigen Zylinder mit dem Radius r mit Luft gefüllt sind, mit Ausnahme des zentralen Gusszylinders, der mit Salzwasser mit unterschiedlichen Brechungsindexwerten [1,3326–1,3505 RIU] gefüllt ist. Wir haben die zweidimensionalen hexagonalen photonischen Kristalle optimiert, um den photonischen Bandlückenbereich im mittleren Infrarot-Frequenzbereich zu lokalisieren, da Wasser ein guter Absorber für diesen Frequenzbereich ist. Durch Anpassen der Abmessungen des Sensors ergeben sich: \(R=500 \mathrm{nm},\) und \(D=250 \mathrm{nm}\), um einen PBG von 2304 bis 3566 nm zu erhalten, außerdem ist die Empfindlichkeit \ ((S)=525 nm/RIU\), \(Q=376 ,\) und Gütezahl \(\left(FOM\right)=80,7 {RIU}^{-1}\). Wir erreichen eine Verbesserung der Sensorleistung durch Vergrößerung der Dimension der betrachteten Struktur. Die Empfindlichkeit änderte sich von 67 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (PBG im sichtbaren Spektrum) auf 525 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (PBG im mittleren IR). Spektrum). Daher wird durch die Vergrößerung der Strukturabmessungen wie R und D die photonische Bandlücke zu längeren Wellenlängen verschoben und die Empfindlichkeit des Sensors erhöht. In unseren Modellierungs- und Simulationsverfahren kommt die Finite-Elemente-Methode (FEM) des Multiphysikprogramms COMSOL zum Einsatz. Es wurde nachgewiesen, dass das vorliegende Design den Brechungsindex von Salzwasser bestimmen kann, der dem für die Durchführung des Entsalzungsprozesses erforderlichen Salzgehalt entspricht. Darüber hinaus wurden durch diese Ergebnisse die empfohlenen Geräteeigenschaften im Bereich lichtempfindlicher Anwendungen hervorgehoben.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

In dieser Studie wird kein Code verwendet.

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Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der King Khalid University für die Finanzierung dieser Arbeit durch ein Großgruppenprojekt unter der Fördernummer RGP. 38.02.43.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Die Autoren geben an, keinen Fonds zu haben.

TH-PPM-Gruppe, Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, Beni-Suef-Universität, Beni Suef, 62514, Ägypten

Hassan Sayed & Arafa H. Aly

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, King Khalid University, Abha, 62529, Saudi-Arabien

M. Al-Dossari

Fakultät für Technologie und Bildung, Beni-Suef-Universität, Beni Suef, 62521, Ägypten

Mohamed A. Ismail

Physikabteilung, University College in Al-Aarda, Jazan University, Jazan, 82817, Saudi-Arabien

Mohamed A. Ismail

Fakultät für Naturwissenschaften, King Khalid University, Mohayel Asser, Abha, 61421, Saudi-Arabien

NS Abd El-Gawaad

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HS, AHA konzipierte die Entwürfe. AHA, HS, MA, MAI und NS haben die Analysen entworfen und durchgeführt. MAI und MA führten Software durch. AHA und HS analysierten die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Arafa H. Aly.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sayed, H., Al-Dossari, M., Ismail, MA et al. Leistungsanalyse des Salzgehalts basierend auf einem hexagonalen zweidimensionalen photonischen Kristall: Computerstudie. Sci Rep 12, 22133 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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Eingegangen: 15. Juli 2022

Angenommen: 01. Dezember 2022

Veröffentlicht: 22. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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