據麥姆斯咨詢報道，近日，由埃及米尼亞大學（Minia University）、西班牙馬德里大學（University Complutense of Madrid）、阿爾卡拉大學（University of Alcalá）、胡安卡洛斯國王大學（University Rey Juan Carlos）的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“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形諧振結構，研究團隊將非晶硅太陽能電池改造為光電折射氣體傳感器。

當介電蝴蝶結形結構由SiO?制成時，提出的氣體傳感器的靈敏度為2.4×10?（mA/W）/RIU，品質因數FOM=107RIU?1，這項研究成果為將等離子體折射傳感器納入更簡單、更緊湊的設計中奠定了基礎。

近三十年來，基于等離子體效應的光學傳感已經在許多領域得到了應用。該技術已被證明可被用于材料鑒定、食品質量保障、比色法、環境質量測試或生物傳感等應用。專注于環境應用，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，如碳氫化合物、揮發性有機化合物（VOC）、有害微生物等。

空氣質量和成分的監測可以通過測量其折射率來實現，這也取決于其他物理參數（溫度和壓力）和大氣的化學成分（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設條件是否滿足，或者已知樣本的濃度是否改變。

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

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

太陽能電池可以被視為一種已經制造好的低成本光探測器。盡管它被設計為寬光譜光伏探測器，但它可以很容易地通過納米結構超構表面產生的SPR激發而進行選擇性響應。

作為一個整體，這個定制器件成為了一個自供電的光電傳感器。有機和無機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、無毒和穩定的材料的商用器件，并且價格相當實惠。

在本論文中，基于氫化非晶硅（aSiH），通過添加介電蝴蝶結形諧振結構，研究團隊將其改造為以光電解調的折射氣體傳感器。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到電池的有源層。然后，將一介電蝴蝶結形結構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吸收。

整個器件暴露于被測分析物（周圍介質）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形結構，即氟化鎂（MgF?）、二氧化硅（SiO?）和氮化鋁（AlN）已被測試作為SPR激發的耦合結構。通過優化這種結構的幾何參數，他們實現了讀出/短路電流的最大化。

該設計針對氣體測量應用進行了定制，其折射率比1略高約10??。他們的分析表明，當介電蝴蝶結形結構由SiO?制成時，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，品質因數FOM=107RIU?1。

與先前的文獻報道相比，其性能具有競爭力，而且還具有可以規避移動部件和光譜解調元件的額外優勢。

圖1（a）傳統和（b）提出的改造設計的aSiH薄膜太陽能電池的層狀結構
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圖2 本論文提出的光電折射氣體傳感器設計的三維示意圖

圖3 光電折射氣體傳感器的性能

綜上所述，研究團隊提出的設計為利用光伏技術和超構表面的優勢，將等離子體折射傳感器納入更簡單、更緊湊的設計中奠定了基礎。

論文信息：

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

審核編輯：劉清