據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由埃及米尼亞大學(xué)（Minia University）、西班牙馬德里大學(xué)（University Complutense of Madrid）、阿爾卡拉大學(xué)（University of Alcalá）、胡安卡洛斯國王大學(xué)（University Rey Juan Carlos）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Optoelectronic refractometric sensing device for gases based on dielectric bow-ties and amorphous silicon solar cells”的最新論文，通過添加介電蝴蝶結(jié)形諧振結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)將非晶硅太陽能電池改造為光電折射氣體傳感器。

當(dāng)介電蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)由SiO?制成時(shí)，提出的氣體傳感器的靈敏度為2.4×10?（mA/W）/RIU，品質(zhì)因數(shù)FOM=107RIU?1，這項(xiàng)研究成果為將等離子體折射傳感器納入更簡單、更緊湊的設(shè)計(jì)中奠定了基礎(chǔ)。

近三十年來，基于等離子體效應(yīng)的光學(xué)傳感已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。該技術(shù)已被證明可被用于材料鑒定、食品質(zhì)量保障、比色法、環(huán)境質(zhì)量測試或生物傳感等應(yīng)用。專注于環(huán)境應(yīng)用，需要高分辨率和高靈敏度器件來檢測極少量的大氣污染物，如碳?xì)浠衔铩]發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、有害微生物等。

空氣質(zhì)量和成分的監(jiān)測可以通過測量其折射率來實(shí)現(xiàn)，這也取決于其他物理參數(shù)（溫度和壓力）和大氣的化學(xué)成分（濕度、天然或人造樣本的存在）。因此，折射傳感器可以檢查某些預(yù)設(shè)條件是否滿足，或者已知樣本的濃度是否改變。

由于其狹窄的選擇性響應(yīng)，基于表面等離子體共振（SPR）的光電器件是環(huán)境監(jiān)測和傳感的解決方案之一。該技術(shù)可被應(yīng)用于氣體傳感、折射率傳感和化學(xué)傳感。它們也可以包含在多功能和多參數(shù)傳感器中。等離子體傳感器可以從角度、光譜和光電三個(gè)方面進(jìn)行解調(diào)。

當(dāng)使用等離子體響應(yīng)的角度依賴性時(shí)，該系統(tǒng)通常需要移動(dòng)部件和高精度測角儀或昂貴的集成讀出系統(tǒng)。光譜解調(diào)也是如此：它需要在照明和/或探測臂中使用高分辨率單色儀。純光電解調(diào)方法得益于傳感器本身傳遞的電信號，而不需要移動(dòng)部件和/或單色儀。這一事實(shí)簡化了解調(diào)子系統(tǒng)，使傳感器更緊湊、更可靠。

太陽能電池可以被視為一種已經(jīng)制造好的低成本光探測器。盡管它被設(shè)計(jì)為寬光譜光伏探測器，但它可以很容易地通過納米結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面產(chǎn)生的SPR激發(fā)而進(jìn)行選擇性響應(yīng)。

作為一個(gè)整體，這個(gè)定制器件成為了一個(gè)自供電的光電傳感器。有機(jī)和無機(jī)薄膜太陽能電池是低成本、輕量和緊湊型傳感器件的最佳選擇。其中，氫化非晶硅（aSiH）電池是一種采用多種、無毒和穩(wěn)定的材料的商用器件，并且價(jià)格相當(dāng)實(shí)惠。

在本論文中，基于氫化非晶硅（aSiH），通過添加介電蝴蝶結(jié)形諧振結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)將其改造為以光電解調(diào)的折射氣體傳感器。銦透明氧化物頂部電極被薄金屬層取代，以選擇性地防止光直接傳輸?shù)诫姵氐挠性磳?。然后，將一介電蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)陣列置于該電極的頂部，以通過表面等離子體共振激活光學(xué)吸收。

整個(gè)器件暴露于被測分析物（周圍介質(zhì)）中。他們選擇了三種不同的低、中和高折射率的介電材料作為蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)，即氟化鎂（MgF?）、二氧化硅（SiO?）和氮化鋁（AlN）已被測試作為SPR激發(fā)的耦合結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化這種結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了讀出/短路電流的最大化。

該設(shè)計(jì)針對氣體測量應(yīng)用進(jìn)行了定制，其折射率比1略高約10??。他們的分析表明，當(dāng)介電蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)由SiO?制成時(shí)，提出的光電折射氣體傳感器的超高靈敏度為2.4×10?（mA/W）/RIU，品質(zhì)因數(shù)FOM=107RIU?1。

與先前的文獻(xiàn)報(bào)道相比，其性能具有競爭力，而且還具有可以規(guī)避移動(dòng)部件和光譜解調(diào)元件的額外優(yōu)勢。

圖1（a）傳統(tǒng)和（b）提出的改造設(shè)計(jì)的aSiH薄膜太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)
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圖2 本論文提出的光電折射氣體傳感器設(shè)計(jì)的三維示意圖

圖3 光電折射氣體傳感器的性能

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)提出的設(shè)計(jì)為利用光伏技術(shù)和超構(gòu)表面的優(yōu)勢，將等離子體折射傳感器納入更簡單、更緊湊的設(shè)計(jì)中奠定了基礎(chǔ)。

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-21299-w

審核編輯：劉清