Разработка фононного кристалла с использованием открытых резонаторов в качестве датчика вредных газов

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9346 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

В данной статье исследуется возможность использования конечного одномерного фононного кристалла, состоящего из разветвленных открытых резонаторов с горизонтальным дефектом, для обнаружения концентрации вредных газов, таких как CO2. В этом исследовании изучается влияние периодических открытых резонаторов, дефектного канала в центре структуры и геометрических параметров, таких как поперечное сечение и длина первичного волновода и резонаторов, на производительность модели. Насколько нам известно, это исследование уникально в области сенсорики. Кроме того, это моделирование показывает, что исследуемый конечный одномерный фононный кристалл, состоящий из разветвленных открытых резонаторов с горизонтальным дефектом, является перспективным датчиком.

В последние годы массовое производство загрязняющих веществ в воздухе угрожает здоровью человека, окружающей среде и глобальным биологическим экосистемам1,2. Таким образом, обнаружение вредных для здоровья человека газов, таких как CO2, NO2, NH3 и т. д., пробудило у людей интерес к защите людей и окружающей среды3,4,5,6. В результате были проведены многочисленные оптические исследования по обнаружению токсичных газов с использованием двумерных наноструктурированных материалов, таких как пористые материалы5,7 и графен8,9. Кроме того, распространенными датчиками газа являются флуоресцентные, химические, электрохимические, фотонно-кристаллические и масс-чувствительные10,11,12,13.

Фононные кристаллы (PnCs) представляют собой периодические искусственные материалы14,15,16. PnC вызвали значительный интерес к различным биосенсорным и химическим приложениям. PnC могут ограничивать акустические или упругие волны, создавая полосы стоп-частот или фононные запрещенные зоны (PnBG) для распространения через них17,18. Акустические свойства материалов, такие как вязкость, плотность, скорость звука, модули упругости и т. д., можно исследовать, распространяя акустическую волну внутри19. Одномерные датчики PnC (1D-PnC) являются резонансными детекторами. Основная концепция работы датчиков 1D-PnC заключается в многократном брэгговском рассеянии акустических волн на каждой границе раздела двух сред с различным акустическим импедансом для создания стоячей волны. Частота PnBG зависит от акустической скорости бегущей волны и геометрических размеров конструкции. Большинство датчиков 1D-PnC основаны на нарушении периодичности в центре структуры, что приводит к появлению резонансного пика внутри PnBG. Добавление этого дефекта в центр структуры ограничивает определенную частоту, называемую резонансной частотой.

В традиционных PnC рассматривается непрерывность потока и давления вдоль основного направления распространения. В последнее время локально резонансные элементы привлекли внимание в области периодических структур. Однако могут быть добавлены боковые элементы или резонаторы, зависящие от изменения давления или стабильности потока на других путях. Эти боковые элементы могут представлять собой закрытые или открытые воздуховоды. В 2008 году Эль Будути и др.20 предложили структуру тонкой трубки с боковыми протоками. Наличие боковых трубок приводит к образованию стоп-зон в спектре пропускания. В 2020 году Антрауи и др. разработал периодическую структуру, состоящую из основного канала с открытыми резонаторами. Но использование этих структур с боковыми резонаторами в приложениях для измерения газа все еще отсутствует.

В последнее время газовые датчики, использующие PnC, привлекли внимание благодаря своим преимуществам. Например, газовые датчики, использующие PnC, не требуют времени на восстановление. Кроме того, поскольку PnC не содержит электронных компонентов, газовые датчики, использующие PnC, могут давать хорошие результаты измерений в сложных средах, например, во взрывоопасной среде21. Кроме того, хорошими преимуществами являются низкая стоимость и простота изготовления датчиков PnC22.

Насколько нам известно, это исследование уникально в области газового зондирования. Использование разветвленных открытых резонаторов улучшило характеристики датчика. Кроме того, это моделирование показывает, что исследуемый конечный одномерный фононный кристалл, состоящий из разветвленных открытых резонаторов с горизонтальным дефектом, является перспективным датчиком. Кроме того, предлагаемый датчик PnC с разветвленными открытыми резонаторами может быть легко изготовлен с использованием недорогих традиционных материалов.