Projeto de cristal fonônico usando ressonadores abertos como sensores de gases nocivos

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9346 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho investiga a capacidade de usar um cristal fonônico unidimensional finito composto por ressonadores abertos ramificados com um defeito horizontal para detectar a concentração de gases nocivos como o CO2. Esta pesquisa investiga o impacto de ressonadores periódicos abertos, dutos defeituosos no centro da estrutura e parâmetros geométricos como seções transversais e comprimento do guia de onda primário e ressonadores no desempenho do modelo. Tanto quanto sabemos, esta pesquisa é única no campo da detecção. Além disso, essas simulações mostram que o cristal fonônico unidimensional finito investigado composto por ressonadores abertos ramificados com um defeito horizontal é um sensor promissor.

A produção massiva de poluentes no ar tem ameaçado a saúde humana, o meio ambiente e os ecossistemas biológicos globais nos últimos anos1,2. Assim, a detecção de gases nocivos à saúde humana, como CO2, NO2, NH3, etc., despertou o interesse das pessoas em proteger o ser humano e o meio ambiente3,4,5,6. Como resultado, numerosos estudos ópticos foram feitos na detecção de gases tóxicos usando materiais nanoestruturados de duas dimensões, como materiais porosos5,7 e grafeno8,9. Além disso, fluorescente, químico, eletroquímico, cristal fotônico e sensível à massa são sensores de gás comuns10,11,12,13.

Os cristais fonônicos (PnCs) são materiais artificiais periódicos14,15,16. Os PnCs despertaram um interesse considerável em várias aplicações químicas e de biossensores. Os PnCs podem confinar ondas acústicas ou elásticas criando bandas de frequência stop ou bandgaps fonônicos (PnBGs) para se propagar através deles17,18. As propriedades acústicas dos materiais, como viscosidade, densidade, velocidade do som, módulos elásticos, etc., podem ser sondadas pela propagação da onda acústica no interior19. Sensores unidimensionais PnC (1D-PnC) são detectores ressonantes. O principal conceito operacional dos sensores 1D-PnC é a dispersão múltipla de Bragg de ondas acústicas em cada interface entre dois meios com diferentes impedâncias acústicas para produzir uma onda estacionária. A frequência do PnBG depende da velocidade acústica da onda progressiva e das dimensões geométricas da estrutura. A maioria dos sensores 1D-PnC é baseada na quebra da periodicidade no centro da estrutura, resultando em um pico ressonante dentro do PnBG. Adicionar esse defeito no centro da estrutura confina uma frequência específica chamada frequência ressonante.

Nos PnCs tradicionais, a continuidade de fluxo e pressão são consideradas ao longo da direção principal de propagação. Recentemente, elementos localmente ressonantes têm atraído atenção no campo das estruturas periódicas. No entanto, podem ser adicionados elementos laterais ou ressonadores que dependem da mudança de pressão ou estabilidade de fluxo em outros caminhos. Esses elementos laterais podem ser dutos fechados ou abertos. Em 2008, El Boudouti et al.20 propuseram uma estrutura de tubo delgado com dutos laterais. A presença de tubos laterais causa a formação de bandas de parada no espectro de transmitância. Em 2020, Antraoui et al. projetou uma estrutura periódica composta por um duto principal com ressonadores abertos. Mas ainda falta utilizar essas estruturas com ressonadores laterais em aplicações de detecção de gás.

Recentemente, sensores de gás usando PnCs têm atraído a atenção devido às suas vantagens. Por exemplo, sensores de gás usando PnCs não requerem um tempo de recuperação. Além disso, como o PnC não contém nenhum componente eletrônico, os sensores de gás que usam PnCs podem fornecer boas medições em ambientes complexos, como em um ambiente explosivo21. Além disso, o baixo custo e a facilidade de fabricação dos sensores PnC são boas vantagens22.

Tanto quanto sabemos, esta pesquisa é única no campo de detecção de gás. O uso de ressonadores abertos ramificados melhorou o desempenho do sensor. Além disso, essas simulações mostram que o cristal fonônico unidimensional finito investigado composto por ressonadores abertos ramificados com um defeito horizontal é um sensor promissor. Além disso, o sensor PnC proposto com ressonadores abertos ramificados pode ser facilmente fabricado usando materiais convencionais de baixo custo.