Silicio

Jun 05, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12311 (2023) Citare questo articolo

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Il rilevamento nella gamma spettrale del medio infrarosso è altamente auspicabile per il rilevamento e il monitoraggio di diversi gas. Con la presente proponiamo un sensore a base di silicio compatibile CMOS che opera a (3,5–10 μm) nella gamma del medio infrarosso. Il materiale di silicio è drogato a un livello tale da spostare la sua risonanza plasmonica alla lunghezza d'onda di 3 μm. Il dispositivo sensore comprende una microcavità rettangolare in linea e un risonatore a microcavità stub. Le frequenze/lunghezze d'onda di risonanza dei due risonatori sono state studiate con diverse dimensioni di progettazione. Quando i due risonatori sono progettati per risuonare a frequenze ravvicinate, l'interessante risonanza di Fano con la sua forma di linea distinta e netta viene eccitata a causa dell'interferenza tra i due profili di risonanza. La risonanza Fano è utile per misurazioni altamente sensibili grazie al suo profilo che cambia bruscamente l'intensità. Il sensore viene studiato e analizzato utilizzando i metodi delle differenze finite e del dominio del tempo delle differenze finite 2D. Le prestazioni del sensore sono caratterizzate dall'elevata sensibilità di 6000 nm/RIU, FOM di 353 e perdita di inserzione limitata di 0,45 dB intorno alla lunghezza d'onda operativa di 6,5 μm. Inoltre, sviluppiamo il sensore per rilevare simultaneamente i gas formaldeide CH2O e protossido di azoto N2O dalle loro forti bande di assorbimento alle lunghezze d'onda di 3,6 μm e 4,46 μm, rispettivamente.

Il rilevamento nel medio infrarosso è di particolare importanza a causa delle sue applicazioni in diversi settori come le telecomunicazioni, la difesa, il monitoraggio ambientale e industriale, poiché molti gas hanno le loro impronte di assorbimento nella gamma del medio infrarosso1,2. I sensori ottici vengono sviluppati sulla base di due piattaforme principali: le piattaforme fotoniche e plasmoniche convenzionali del silicio Si3. Mentre le strutture di Si hanno il vantaggio di essere compatibili con CMOS e di avere basse perdite di guida d'onda, le strutture plasmoniche possono avere dimensioni molto più piccole. Inoltre, le strutture plasmoniche possiedono le proprietà interessanti di potenziare e confinare i campi elettromagnetici in piccole regioni4,5 come nelle guide d'onda metallo-isolante-metallo, nelle fessure plasmoniche e nelle cavità. Il problema con i metalli nobili comunemente usati Au e Ag è che hanno una densità fissa di elettroni liberi che risulta in una frequenza di risonanza plasmonica fissa, oltre ad essere incompatibili con CMOS. Al contrario, i semiconduttori drogati6,7 presentano i vantaggi della compatibilità CMOS e della sintonizzabilità della frequenza di risonanza plasmonica con la concentrazione del drogante8.

I principi di funzionamento dei sensori si basano su forti effetti di risonanza ottica e di interferenza che si ottengono in diverse configurazioni come i risonatori di pista9 e gli interferometri Mach Zender10. Sono state studiate anche altre tecnologie, tra cui i sensori toroidali11, la risonanza reticolare superficiale12 e lo stato legato nel continuo13. Tuttavia, vorremmo studiare l'effetto dei risonatori accoppiati nel rilevamento nel medio infrarosso che possono potenzialmente migliorare le prestazioni dei sensori. L'accoppiamento di due o più risonatori può portare a proprietà peculiari e forme di linee spettrali con profili speciali come la risonanza di Fano14,15,16, la trasparenza indotta elettromagneticamente e l'effetto Borrmann17.

In generale, la risonanza di Fano è un fenomeno che si verifica nella fotonica integrata dove le onde luminose interagiscono con la materia in un modo che produce forti cali o picchi nello spettro di trasmissione. La risonanza di Fano fu descritta per la prima volta dal fisico italiano Ugo Fano nel 196115, e da allora è stata osservata in vari sistemi, inclusi punti quantici, nanoparticelle plasmoniche e cristalli fotonici.

La risonanza di Fano nasce dall'interferenza tra due percorsi ottici. Un percorso prevede una trasmissione diretta della luce attraverso il materiale, mentre l'altro prevede la diffusione della luce da parte di una struttura risonante discreta all'interno del materiale. L'interferenza tra questi due percorsi può produrre un effetto di interferenza costruttivo o distruttivo, portando a un picco netto o a un calo nello spettro di trasmissione. Questo effetto è altamente sensibile alle proprietà della struttura risonante e può essere utilizzato per una varietà di applicazioni di rilevamento ed elaborazione del segnale.