Design and optimization of an adjustable and dynamic plasmonic structure for a narrow band sensor for optical refractive index detection

Subject Areas : Electronic Engineering

Azizmorad Valinasab ¹ , Ali Mir ² , Abbas Hamouleh-Alipour ³ , Vahid Mehrdad ⁴ , Reza Talebzadeh ⁵ , Ali Farmani ⁶

1 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
2 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
3 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
4 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
5 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
6 - Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran

Received: 2024-08-09 Accepted : 2024-12-12 Published : 2026-06-21

Keywords: refractive index, plasmonic sensor, metamaterials,

Abstract :

In this research work, a plasmonic sensor based on metamaterial has been designed to measure the refractive index of materials. In this structure, a diagnostic resonator medium with rectangular receivers with different dimensions is used alternately and regularly in a ring to trap more of the field at the top and bottom of the metal-insulator-metal layered structure. The structure supports a resonant mode that leads to a sharp peak in the absorption spectrum, resulting in a sensor with a figure of merit of at a resonant wavelength of 8.35 GHz. All the steps of simulation and optimization of the proposed sensor have been done using commercial software CST Microwave studio and the effect of different parameters of changes in structure dimensions and changes in refractive indices on the absorption spectrum has been investigated. The proposed plasmonic sensor can be used to measure the refractive index and medical diagnosis with an extraordinary level of sensitivity equal to 6400 (μm/RIU) and very high-quality index (283.7). This structure has a high degree of protection against manufacturing errors in the dimensions of the receivers as well as the corrosion of the diagnostic environment and for that reason, it is a potential and promising candidate for diagnostic applications and measuring the refractive index of materials.

References:

[1] R. Aldo, M. Mirasoli, B. Roda, F. Bonvicini, C Colliva, and P. Reschiglian, “Recent developments in rapid multiplexed bioanalytical methods for foodborne pathogenic bacteria detection,” Microchimica Acta, vol. 178, pp. 7–28, 2012. doi: 10.1007/s00604-012-0824-3.
[2] Y. Ming-jie, B. Gu, Q. An, Ch. Yang, Y. L. Guan, and K. Yong, “Recent development of fiber-optic chemical sensors and biosensors: Mechanisms, materials, micro/nano-fabrications and applications,” Coordination Chemistry Reviews, vol. 376, pp. 348-392, 2018. doi: 10.1016/j.ccr.2018.08.001.
[3] C. Cai, R. E. Miles, M. I. Cotterell, A. Marsh, G. Rovelli, A. M. Rickards, Y. Zhang, and J. P. Reid, “Comparison of methods for predicting the compositional dependence of the density and refractive index of organic–aqueous aerosols,” The Journal of Physical Chemistry A, vol. 120, no. 33, pp. 6604-6617, 2016. doi: 10.1021/acs.jpca.6b05986.
[4] I. M. Rakibul, A. N. M. Iftekher, K. R. Hasan, M. J. Nayen, S. B. Islam, A. Hossain, Z. Mustafa, and T. Tahsin, “Design and numerical analysis of a gold-coated photonic crystal fiber based refractive index sensor,” Optical and Quantum Electronics, vol. 53, no. 112, pp. 1-18, 2021. doi: 10.1007/s11082-021-02748-8.
[5] H. Zhaochen, Y. Li, B. Chen, W. Zhang, X. Yang, and X. Yang, “Recent advances in surface plasmon resonance imaging and biological applications,” Talanta, vol. 255, 124213, 2023. doi: 10.1016/j.talanta.2022.124213.
[6] Sh. Anand, U. Cvelbar, and I. Abdulhalim, “A comprehensive review on plasmonic-based biosensors used in viral diagnostics,” Communications biology, vol. 4, no. 1, pp. 70, 2021. doi: 10.1038/s42003-020-01615-8.
[7] J. W. Kyung, and K. M. Byun, “Fabrication of nanoscale plasmonic structures and their applications to photonic devices and biosensors,” Biomedical Engineering Letters, vol. 1, pp. 153-162, 2011. doi: 10.1007/s13534-011-0026-7.
[8] P. Abin, and A. R. Kumar, “The performance enhancement of surface plasmon resonance optical sensors using nanomaterials: A review,” Coordination Chemistry Reviews, vol. 458, 2022, 214424, doi: 10.1016/j.ccr.2022.214424.
[9] S. Cheon, K. D. Kihm, H. G. Kim, G. Lim, J. S. Park, and J. S. Lee, “How to reliably determine the complex refractive index (RI) of graphene by using two independent measurement constraints,” Scientific reports, vol. 4, no. 1, 2014, 6364. doi: 10.1038/srep06364.
[10] M. Heydari, A. Habibzadeh-Sharif, and F. Jabbarzadeh, “Design of a compact refractive-index sensor based on surface plasmon polariton slot waveguide,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol. 38, 2020. doi: 10.1016/j.photonics.2019.100755.
[11] R. S. Anwar, H. Ning, and L. Mao, “Recent advancements in surface plasmon polaritons-plasmonics in subwavelength structures in microwave and terahertz regimes,” Digital Communications and Networks, vol. 4, no. 4, pp. 244-257, 2018. doi: 10.1016/j.dcan.2017.08.004.
[12] D. K. Gramotnev, and S. I. Bozhevolnyi, “Nanofocusing of electromagnetic radiation,” Nature Photonics, vol. 8, no. 1, pp. 13-22, 2014. doi: 10.1038/nphoton.2013.232.
[13] J. Li, “A review: Development of novel fiber-optic platforms for bulk and surface refractive index sensing applications,” Sensors and Actuators Reports, vol. 2, no. 1, 2020, 100018, doi: 10.1016/j.snr.2020.100018.
[14] D. Wu, R. Li, Y. Liu, Zh. Yu, L. Yu, L. Chen, Ch. Liu, R. Ma, and H. Ye, “Ultra-narrow band perfect absorber and its application as plasmonic sensor in the visible region,” Nanoscale research letters, vol. 12, pp. 1-11, 2017. doi: 10.1186/s11671-017-2203-9.
[15] E. D. Tommasi, E. Esposito, S. Romano, A. Crescitelli, V. Di Meo, V. Mocella, G. Zito, and I. Rendina, “Frontiers of light manipulation in natural, metallic, and dielectric nanostructures,” La Rivista del Nuovo Cimento, vol. 44, pp. 1-68, 2021. doi: 10.1007/s40766-021-00015-w.
[16] B. Gul, S. Ashraf, Sh. Khan, H. Nisar, and I. Ahmad, “Cell refractive index: Models, insights, applications and future perspectives,” Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, vol, 33, 2021. doi: 10.1016/j.pdpdt.2020.102096.
[17] Y. Li, A. Ma, L. Yang, and X. Zhang, “Highly sensitive refractive index sensing with surface plasmon polariton waveguides,” Plasmonics, vol. 9, 71-78, 2014. doi: 10.1007/s11468-013-9599-6.
[18] G. A. Khan, Y. Lu, and P. Wang, “Plasmon-Enhanced Refractive Index Sensing of Biomolecules Based on Metal–Dielectric–Metal Metasurface in the Infrared Regime,” ACS omega, vol. 9, no. 1, pp. 1416-1423, 2023. doi: 10.1021/acsomega.3c07809.
[19] R. Horchani, “Refractive index sensing using a linear graded plasmonic chain of metal nano-particles,” Chinese journal of physics, vol. 56, no. 3, pp. 1247-1251, 2018. doi: 10.1016/j.cjph.2018.03.038.
[20] J. Yao, J. Ou, V. Savinov, M. K. Chen, H. Y. Kuo, N. I. Zheludev, and D. P. Tsai, “Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing,” PhotoniX, vol. 3, no. 1, 2022. doi: 10.1186/s43074-022-00069-x.
[21] Y. Esfahani Monfared, “Refractive index sensor based on surface plasmon resonance excitation in a D-shaped photonic crystal fiber coated by titanium nitride,” Plasmonics, vol. 15, no. 2, pp. 535-542, 2020. doi: 10.1007/s11468-019-01072-y.
[22] Y. Shen, J. Zhou, T. Liu, Y. Tao, R. Jiang, M. Liu, G. Xiao et al, “Plasmonic gold mushroom arrays with refractive index sensing figures of merit approaching the theoretical limit,” Nature communications, vol, 4, no. 1, 2381, 2013. doi: 10.1038/ncomms3381.
[23] M. Danaie, L. Hajshahvaladi, and E. Ghaderpanah, “A single-mode tunable plasmonic sensor based on an 8-shaped resonator for cancer cell detection,” Scientific Reports, vol. 13, no. 1, 13976, 2023. doi: 10.1038/s41598-023-41193-3.
[24] H. Zhang, Y. Cheng, and F. Chen, “Quad-band plasmonic perfect absorber using all-metal nanostructure metasurface for refractive index sensing,” Optik, vol. 229, 166300, 2021. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166300.
[25] X. Chong, Y. Zhang, E. Li, K. Kim, P. R. Ohodnicki, Ch. Chang, and A. X. Wang, “Surface-enhanced infrared absorption: pushing the frontier for on-chip gas sensing,” ACS sensors, vol. 3, no. 1, pp. 230-238, 2018. doi: 10.1021/acssensors.7b00891.
[26] H. P. Pasanen, R. Khan, J. A. Odutola, and N. V. Tkachenko, “Transient Absorption Spectroscopy of Films: Impact of Refractive Index,” The Journal of Physical Chemistry C, vol. 128, no. 15, pp. 6167-6179, 2024. doi: 10.1021/acs.jpcc.4c00981.
[27] H. Sohrabi, A. Hemmati, M. R. Majidi, Sh. Eyvazi, A. Jahanban-Esfahan, B. Baradaran, R. Adlpour-Azar, A. Mokhtarzadeh, and M. de la Guardia, “Recent advances on portable sensing and biosensing assays applied for detection of main chemical and biological pollutant agents in water samples: A critical review,” TrAC Trends in Analytical Chemistry, vol. 143, 2021. doi: 10.1016/j.trac.2021.116344.
[28] S. Barizuddin, S. Bok, and S. Gangopadhyay, “Plasmonic sensors for disease detection-a review,” J. Nanomed. Nanotechnol, vol. 7, no. 3, 2016. doi: 10.4172/2157-7439.1000373.
[29] R. Rahad, S. Shahriar Sharar, and M. A. Haque, “Exploring the Diverse Applications of Plasmonic Refractive Index Sensors: Unveiling a New Realm of Possibilities,” A Thesis submitted in Electrical and Electronic Engineering, Islamic University of Technology, Board Bazar, Gazipur-1704, Bangladesh, Department of Electrical and Electronic Engineering, April, 2023.
[30] M. T. Sohail, M. Wang, M. Shareef, and P. Yan, “A Review of Ultrafast Photonics Enabled by Metal-Based Nanomaterials: Fabrication, Integration, Applications and Future Perspective,” Infrared Physics & Technology, 2024. doi: 10.1016/j.infrared.2024.105127.
[31] D. S. Dkhar, R. Kumari, Sh. J. Malode, N. P. Shetti, and P. Chandra, “Integrated lab-on-a-chip devices: Fabrication methodologies, transduction system for sensing purposes,” Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, vol. 223, 2023. doi: 10.1016/j.jpba.2022.115120.
[32] L. Escoubas, M. Carlberg, J. L. Rouzo, F. Pourcin, J. Ackermann, O. Margeat, C. Reynaud et al, “Design and realization of light absorbers using plasmonic nanoparticles,” Progress in Quantum Electronics, vol. 63, pp. 1-22, 2019. doi: 10.1016/j.pquantelec.2018.12.001.
[33] C. M. Das, F. Yang, Zh. Yang, X. Liu, Q. Th. Hoang, Zh. Xu, Sh. Neermunda et al, “Computational Modeling for Intelligent Surface Plasmon Resonance Sensor Design and Experimental Schemes for Real‐Time Plasmonic Biosensing: A Review,” Advanced Theory and Simulations, vol. 6, no. 9, 2023. doi: 10.1002/adts.202200886.
[34] L. De Sio, T. Placido, R. Comparelli, M. L. Curri, M. Striccoli, N. Tabiryan, and T. J. Bunning, “Next-generation thermo-plasmonic technologies and plasmonic nanoparticles in optoelectronics,” Progress in Quantum Electronics, vol. 41, pp. 23-70, 2015. doi: 10.1016/j.pquantelec.2015.03.001.
[35] M. R. Rakhshani, “Narrowband plasmonic absorber using gold nanoparticle arrays for refractive index sensing,” IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 5, pp. 4043-4050, 2022, doi: 10.1109/JSEN.2022.3142655.
[36] B. Špačková, P. Wrobel, M. Bocková, and J. Homola, “Optical biosensors based on plasmonic nanostructures: a review,” Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 12, pp. 2380-2408, 2016. doi: 10.1109/JPROC.2016.2624340.
[37] M. Chauhan, and V. K. Singh, “Fiber optic plasmonic sensors based on theoretical analysis: a review,” Optical and Quantum Electronics, vol. 53, no. 7, 2021, 409, doi: 10.1007/s11082-021-03034-3.
[38] R. Zafar, and M. Salim, “Enhanced figure of merit in Fano resonance-based plasmonic refractive index sensor,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 11, pp. 6313-6317, 2015. doi: 10.1109/JSEN.2015.2455534.
[39] Y. Chen, J. Liu, Zh. Yang, J. S. Wilkinson, and X. Zhou, “Optical biosensors based on refractometric sensing schemes: A review,” Biosensors and Bioelectronics, vol. 144, 2019. doi: 10.1016/j.bios.2019.111693.
[40] A.Farmani, S.Mohammad, HM.Mohammad, and T. Daghooghi. "Optical nanosensors for cancer and virus detections." In Nanosensors for smart cities, pp. 419-432, 2020. doi: 10.1016/B978-0-12-819870-4.00024-4.
[41] Z.Salehnezhad, S.Mohammad, and A.Farmani. "Design and numerical simulation of a sensitive plasmonic-based nanosensor utilizing MoS2 monolayer and graphene." Diamond and Related Materials 131 (2023). doi: 10.1016/j.diamond.2022.109594
[42] Y. Yuan, X. Peng, X. Weng, J. He, Ch. Liao, Y. Wang, L. Liu, Sh. Zeng, J. Song, and J. Qu, “Two-dimensional nanomaterials as enhanced surface plasmon resonance sensing platforms: Design perspectives and illustrative applications,” Biosensors and Bioelectronics, 2023. doi: 10.1016/j.bios.2023.115672.
[43] K. Sakoda, “Electromagnetic Metamaterials,” Springer: Singapore, 2019.
[44] M. Isti, I. Ahmad, M. H. K. Anik, S. Nuzhat, R. C. Talukder, S. Sultana, S. K. Biswas, and H. Talukder, “Highly sensitive double D-shaped channel photonic crystal fiber based plasmonic refractive index sensor,” Optics Continuum, vol. 1, no. 3, pp. 575-590, 2022. doi: 10.1364/OPTCON.452020.
[45] N. Hussain, M. R. Masuk, M. F. Hossain, and A. Z. Kouzani, “Dual core photonic crystal fiber based plasmonic refractive index sensor with ultra-wide detection range,” Optics Express, vol. 31, no. 16, pp. 26910-26922, 2023. doi: 10.1364/OE.487600.
[46] E. Haque, S. Mahmuda, M. A. Hossain, N. H. Hai, Y. Namihira, and F. Ahmed, “Highly sensitive dual-core PCF based plasmonic refractive index sensor for low refractive index detection,” IEEE photonics journal, vol. 11, no. 5, pp. 1-9, 2019. doi: 10.1109/JPHOT.2019.2931713.
[47] M. H. K. Anik, M. A. Isti, S. R. Islam, S. Mahmud, H. Talukder, M. J. Piran, S. K. Biswas, and K Kwak, “Milled microchannel-assisted open D-channel photonic crystal fiber plasmonic biosensor,” IEEE Access, vol. 9, pp. 2924-2933, 2020. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3047509.
[48] M. A. Butt, S. N. Khonina, and N. L. Kazanskiy, “Plasmonic refractive index sensor based on metal–insulator-metal waveguides with high sensitivity,” Journal of Modern Optics, vol. 66, no. 9, pp. 1038-1043, 2019. doi: 10.1080/09500340.2019.1601272.
[49] N. L. Kazanskiy, M. A. Butt, and S. N. Khonina, “Nanodots decorated MIM semi-ring resonator cavity for biochemical sensing applications,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol. 42, 2020, 100836. doi: 10.1016/j.photonics.2020.100836.
[50] E. Haque, M. A. Hossain, Y. Namihira, and F. Ahmed, “Microchannel-based plasmonic refractive index sensor for low refractive index detection,” Applied optics, vol. 58, no. 6, pp. 1547-1554, 2019. doi: 10.1364/AO.58.001547.

Full-Text:



عزیزمراد ولی‌نسب، علی میر، عباس حموله علی پور، وحید مهرداد، رضا طالب‌زاده و علی فرمانی

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                                     (2026) 5(1):1-17

 

Design and Optimization of an Adjustable and Dynamic Plasmonic Structure for a Narrow Band Sensor for Optical Refractive Index Detection

Azizmorad Valinasab1, PhD Student, Ali Mir1, Professor, Abbas Hamouleh-Alipour1,2, PhD, Vahid Mehrdad1, Associate Professor, Reza Talebzadeh1, Assistant Professor, Ali Farmani1, Associate Professor

 

1 Department of Electrical and Electronics, Lorestan University, Khorramabad, Iran

2 Engineering and R&D Manager of MIS Petrochemical industry Company, Khuzestan, Masjed-Soleyman, Iran

 

Abstract:

In this research work, a plasmonic sensor based on metamaterial has been designed to measure the refractive index of materials. In this structure, a diagnostic resonator medium with rectangular receivers with different dimensions is used alternately and regularly in a ring to trap more of the field at the top and bottom of the metal-insulator-metal layered structure. The structure supports a resonant mode that leads to a sharp peak in the absorption spectrum, resulting in a sensor with a figure of merit of at a resonant wavelength of 8.35 GHz. All the steps of simulation and optimization of the proposed sensor have been done using commercial software CST Microwave studio and the effect of different parameters of changes in structure dimensions and changes in refractive indices on the absorption spectrum has been investigated. The proposed plasmonic sensor can be used to measure the refractive index and medical diagnosis with an extraordinary level of sensitivity equal to 6400 (μm/RIU) and very high-quality index (283.7). This structure has a high degree of protection against manufacturing errors in the dimensions of the receivers as well as the corrosion of the diagnostic environment and for that reason, it is a potential and promising candidate for diagnostic applications and measuring the refractive index of materials.

Keywords: Refractive index, Plasmonic sensor, Metamaterials

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Received: 9 August 2024

Revised: 1 November 2024

Accepted: 12 December 2024

Corresponding Author: Dr. Ali Mir, [e-mail]

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1128646

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

طراحی و بهینه­سازی یک ساختار پلاسمونی تنظیم­پذیر و پویا برای حسگر باند باریک تشخیص ضریب شکست نوری

عزیزمراد ولی نسب۱، دانشجوی دکتری، علی میر۱، استاد، عباس حموله علی پور۱و۲، دکتری تخصصی، وحید مهرداد۱، دانشیار،

رضا طالب­زاده۱، استادیار، علی فرمانی۱، دانشیار

1- دانشکده فنی مهندسي، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ايران

2- مهندسی و تحقیق و توسعه شرکت صنایع پتروشیمی مسجدسلیمان، مسجد سلیمان، ايران

 

چكيده: در این مقاله به طراحی یک حسگر پلاسمونی مبتنی بر فرامواد برای سنجش ضریب شکست مواد پرداخته شده است، که در از یک محیط تشدیدگر تشخیصی با گیرنده­های مستطیلی شکل با ابعاد متفاوت و متناوب درون حلقه‌ای برای جذب بیشتر میدان الکترومغناطیسی در قسمت­های بالا و پایین ساختار لایه­ای فلز-عایق-فلز استفاده شده است. ساختار با یک مد تشدیدی، منجر به یک قله تیز در طیف جذبی را پشتیبانی می­کند و ضریب شایستگی 1-RIU 1321 در بسامد تشدید 35/8 گیگاهرتز را رقم می­زند. تمامی مراحل شبیه‌سازی و بهینه‌سازی حسگر پیشنهادی با استفاده از نرم‌افزار تجاری CST Microwave studio انجام شده و تأثیر پارامترهای مختلف با تغییر در ابعاد ساختار و ضریب شکست بر روی طیف جذبی بررسی شده است. حسگر پلاسمونی پیشنهادی می­تواند برای سنجش ضریب شکست و کاربردهای تشخیصی پزشکی با حساسیت  فوق­العاده­ی nm/RIU 6400 و ضریب کیفیت بسیار بالای 7/283 مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این ساختار از درجه بالایی از اطمینان در برابر خطاهای حین ساخت در ابعاد گیرنده­ها و خوردگی محیط تشخیصی برخوردار است و به همین دلیل یک نامزد بالقوه و امیدوارکننده برای کاربردهای تشخیصی و سنجش ضریب شکست مواد و کاربردهای پزشکی است.

 

واژه­هاي كليدي: ضریب شکست، حسگر پلاسمونی، فرامواد.

 

 

 

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۱۹/0۵/140۳

تاریخ بازنگری مقاله: ۱1/0۸/140۳

تاریخ پذیرش مقاله: ۲۲/0۹/140۳

نویسنده­ی مسئول: دکتر علی میر، [e-mail]

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1128646 

 

 

1-       مقدمه

در سال‌های اخیر، تأکید قابل توجهی بر توسعه فناوری‌های سنجش پیشرفته قرار گرفته است که امکان تشخیص سریع و دقیق آنالیت‌های مختلف شیمیایی و زیستی¹ را فراهم می‌کنند [1]. در این بین، سنجش ضریب شکست به دلیل کاربردهای گسترده‌ای که در زمینه‌هایی از جمله پایش محیطی، تشخیص زیست پزشکی، ایمنی مواد غذایی و کنترل فرآیندهای صنعتی دارد، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است [2]. ضریب شکست اطلاعات مفیدی درباره خواص نوری، ترکیب مولکولی، غلظت و حتی وضعیت فیزیکی یک ماده ارائه می‌دهد [3]. در واقع، ضریب شکست پارامتر اساسی است که ویژگی‌های نوری ماده را مشخص می‌کند و به همین دلیل، توسعه حسگرهای حساس و قابل اعتماد برای تشخیص ضریب شکست به عنوان یک حوزه تحقیقاتی حیاتی تبدیل شده است [4]. حسگرهای ضریب شکست مرسوم اغلب بر روش‌های حجیم و گران قیمت مانند بیضی‌سنجی²، تداخل‌سنجی³ یا تزویج منشوری متکی بودند که این روش‌ها اگرچه موثر بوده و هستند، اما با محدودیت‌هایی مانند ساخت پیچیده، هزینه بالا و عدم قابلیت کوچک­سازی روبه­رو هستند [5]. برای مقابله با این چالش‌ها، حسگرهای مبتنی بر پلاسمونیک به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده ظاهر شده‌اند که حساسیت، فشردگی و مقرون به صرفه‌تر بودن را ارائه می‌دهند [6].

پلاسمونیک یک زمینه در حال تکامل در تقاطع فناوری نانو و فوتونیک است که از خواص نوری منحصر به فرد نانوساختارهای فلزی برای دست‌کاری نور در مقیاس نانو استفاده می‌کند. حسگرهای پلاسمونی از امکانات بالقوه‌ای برای تشخیص ضریب شکست استفاده می‌کنند [7]. این حسگرها بر اساس تغییرات میدان الکترومغناطیسی پلاسمون‌ها در نزدیکی سطح فلزات مبنا تشکیل می‌شوند. هنگامی که نور به ساختار وارد می‌شود، پلاسمون‌ها القا می‌شوند و میدان الکترومغناطیسی آنها تغییر می‌کند [8]. این تغییرات می‌تواند به عنوان یک سیگنال قابل اندازه‌گیری استفاده شود تا ضریب شکست نمونه مورد نظر را تعیین کند [9]. از جمله روش‌های مورد استفاده در حسگرهای پلاسمونی برای تشخیص ضریب شکست می‌توان به پلاریتون­های پلاسمون سطحی (SPPs)⁴ اشاره کرد [10].

در زمینه در حال رشد فوتونیک و فناوری نانو، پلاریتون­های پلاسمون سطحی به عنوان یک راه امیدوارکننده برای توسعه افزاره­های نوری بسیار حساس و کارآمد ظاهر شده­اند [11]. این امواج الکترومغناطیسی منحصر به فرد، که از جفت‌شدن نور با الکترون­های آزاد در یک رابط فلز-دی الکتریک به دست می­آیند، قابلیت­های استثنایی برای دست‌کاری و تشخیص نور در مقیاس نانو ارائه می­دهند [12]. محققان با استفاده از خواص خارق‌العاده SPP، رویکردهای جدیدی را برای بهبود کارایی و حساسیت حسگرهای نوری مختلف، از جمله تشخیص ضریب شکست، بررسی کرده‌اند [13].

یکی از روش‌های استفاده از این پدیده، ساختار جاذب پلاسمونی است [14]. این ساختار شامل یک لایه فلزی نازک است که دارای الگوی نانوساختارهایی مانند نانولوله­ها یا نانوگره­ها در اشکال مختلف هستند که تحریک SPPها را تسهیل می­کنند. با تنظیم دقیق پارامترهای هندسی این نانوساختارها، می­توان شرایط تشدید را دقیقاً کنترل کرد که منجر به افزایش محصورشدگی⁵ میدان و تعامل با محیط اطراف می­شود [15]. تغییرات حاصل در پاسخ نوری، مانند جذب یا پراکندگی، می‌تواند اندازه‌گیری شده، که با تغییرات ضریب شکست ارتباط داشته و یک ارزیابی کمی از نمونه مورد بررسی را ارائه می‌دهد [16]. در سال ۲۰۱۳ دو ساختار متفاوت تک موجبری و دوکاناله ماخ­زندری برای بررسی ضریب شکست مواد در طول موج ۱۵۵۰ نانومتر بررسی شد [1۷]. این ساختارها شامل یک لایه طلا بین دو لایه دی­الکتریک هوا و دی­الکتریکی با ضریب شکست 47/1=n  است. در این کار به میزان حساسیت 1-RIU 300 دست پیدا کردند. در سال ۲۰۲۴ در یک کار پژوهشی به بررسی یک حسگر ضریب شکست فلز-دی­الکتریک-فلز در ناحیه فروسرخ پرداخته شد [1۸]. این حسگر از مزیت چند حالته برخوردار است و برای طراحی از درایه­ای از بلوک­های مربعی به عنوان محیط سنجش بهره جستند و حساسیت­های متفاوتی در مدهای مختلف (nm/RIU 1287 - 525) و ضریب شکست نهایی  375 دست یافتند. برای این حسگر امکان تشخیص غلظت­های متفاوت گلوگز و هموگلوبین و پاسخ­دهی سریع را دارد. در این زمینه طرح­های مختلفی برای تشخیص ضریب شکست­های متفاوت در زمینه­های گوناگون بررسی و شبیه­سازی شده است [۲۳-۱۹]. علی­رغم پژوهش­های صورت گرفته در این زمینه، تاکنون پژوهشی که به­طور خاص به بررسی عدم تأثیر خوردگی محیط سنجش حسگر بر درستی جواب­ها و نیز از بین رفتن بخشی از محیط سنجشی در فرآیندهای آزمون و بررسی نمونه بپردازد انجام نشده است. لذا پژوهش حاضر درصدد بررسی موارد مذکور است. علاوه­بر این، ساختار پیشنهادی برای ضریب شکست­های در محدوده بسیار بزرگ (5/2 – 1=n) و با گام­های بسیار ریز تغییرات ضریب شکست در حد 05/0= Δn در طول موج میلی­متری که در حیطه نظامی، فضایی و پزشکی بسیار کاربردی و مفید است طراحی و ساخته شده و این نوآوری دیگر این پژوهش است.

در یک حسگر تشخیص ضریب شکست بر اساس ساختار جاذب پلاسمونی، نانوساختارها بر روی یک بستر ساخته شده و با سازوکارهای انتقال مناسب ادغام می‌شوند [۲۴]. هنگامی که نور به حسگر تابیده می­شود، نانوساختارهای پلاسمونی با میدان الکترومغناطیسی تعامل می­کنند و در نتیجه نور در طول موج SPP جذب می­شود [۲۵]. موقعیت و شدت پیک جذب به شدت به ضریب شکست محیط اطراف بستگی دارد [22]. با نظارت بر تغییرات در طیف جذب، چه از نظر تغییر در طول موج قله یا تغییر در شدت قله، می­توان تغییرات ضریب شکست محیط مورد بررسی را تعیین کرد [۲6].

بنابراین، طراحی و شبیه‌سازی حسگر تشخیص ضریب شکست بر اساس ساختار جاذب پلاسمونی به عنوان هدف این پژوهش، از اهمیت بالایی برخوردار است. به عبارتی، ضرورت انجام تحقیق در این زمینه از عوامل متعددی ناشی می­شود. در مرحله اول، توسعه یک ساختار سنجش فشرده و قابل اعتماد با حساسیت و ویژگی بالا برای کاربردهای مختلف در تجزیه و تحلیل شیمیایی و زیستی ضروری است [۲7]. با بهره­گیری از خواص منحصر به فرد نانوساختارهای پلاسمونی، می­توان به قابلیت­های تشخیص مقیاس زیر طول موج دست یافت که امکان تشخیص تغییرات جزئی در ضریب شکست را فراهم می­کند [۲8]. دوم اینکه ساختار جاذب پلاسمونی پیشنهادی مزایای قابل توجهی نسبت به حسگرهای ضریب شکست معمولی از نظر سادگی ساخت، مقرون‌به‌صرفه بودن و سازگاری با افزاره‌های نوری یکپارچه ارائه می‌دهد [29]. استفاده از روش‌های استاندارد نانوساخت، مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی یا لیتوگرافی نانوایمپرنت، امکان تولید انبوه حسگرهای پلاسمونی را با هزینه نسبتاً کم فراهم می‌کند [30]. علاوه بر این، ترکیب حسگرهای پلاسمونی با موجبرهای نوری، مدارهای فوتونیکی یا سامانه‌های میکروسیال، راه را برای توسعه سازه‌های آزمایشگاهی روی تراشه هموار می‌کند و امکان نظارت در محل و زمان واقعی را در محیط‌های مختلف فراهم می‌کند [31]. علاوه بر این، توانایی شبیه‌سازی دقیق رفتار ساختارهای جاذب پلاسمونی برای بهینه‌سازی عملکرد حسگر، درک سازوکارهای فیزیکی زیربنایی و هدایت طراحی آزمایشی بسیار مهم است [32]. از طریق مدل‌سازی محاسباتی و شبیه‌سازی، می‌توان هندسه‌ها، مواد و شرایط عملیاتی مختلف را کشف کرد که منجر به شناسایی پیکربندی‌های حسگر بهینه می‌شود [33]. این تلاش تحقیقاتی به درک اساسی پدیده­های پلاسمونی کمک می­کند و راه را برای توسعه نسل بعدی دستگاه­های سنجش ضریب شکست هموار می­کند [34]. در نتیجه، ضرورت انجام تحقیقات در مورد طراحی و شبیه‌سازی حسگر تشخیص ضریب شکست بر اساس ساختار جاذب پلاسمونی ناشی از تقاضا برای فناوری‌های سنجش فشرده، حساس و مقرون‌به‌صرفه است [35]. خواص منحصربه­فرد ارائه شده توسط نانوساختارهای پلاسمونی، همراه با مزایای ساختار جاذب، راه­های جدیدی را برای توسعه حسگرهای ضریب شکست پیشرفته باز می­کند [36]. این تحقیق با بهره‌گیری از قدرت نانوفناوری، مدل‌سازی محاسباتی و حوزه سنجش پلاسمونی، تحقق سکو‌های تشخیص ضریب شکست برای کاربردهای مختلف را نشان می­دهد [37].

بنابراین، در این مقاله، ما یک مطالعه در مورد طراحی و شبیه‌سازی یک حسگر تشخیص ضریب شکست بر اساس ساختار جاذب پلاسمونی با بهره‌برداری از خواص منحصر به فرد SPP ارائه می‌کنیم [38]. هدف طراحی حسگر پیشنهادی ما دستیابی به حساسیت بالا و دامنه پویایی گسترده است که امکان تشخیص دقیق تغییرات جزئی در ضریب شکست محیط اطراف را فراهم می‌کند [39]. درواقع، ادغام SPPها با جاذب‌های پلاسمونی پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای افزایش حساسیت و انتخاب حسگرهای نوری دارد و راه‌های جدیدی را برای کاربردها در زمینه‌های مختلف از سنجش زیستی و شناسایی سرطان گرفته [۴۱,۴۰] تا نظارت بر محیط باز می‌کند [۴۲]. بینش‌های به‌دست‌آمده از این مطالعه، پایه محکمی برای پیاده‌سازی‌های آزمایشی آینده فراهم می‌کند و راه را برای تحقق حسگرهای ضریب شکست بسیار کارآمد و فشرده هموار می‌کند.

 

2-       طراحی و تجزیه­وتحلیل ساختار

2-1-       تحلیل نظری

با تابش امواج الکترومغناطیسی با قطبش طولی⁶ به گونه­ای که باعث بازتاب داخلی کلی شود تحریک­های الکترومغناطیسی پلاریتون پلاسمون­های سطحی(SPP) شکل می­گیرد که با تجمع الکترون­های آزاد نوسانی در سطح فلزات تزویج شده و می­توانند به صورت طولی در سطح تقاطع فلز دی­الکتریک انتشار یابند. تمرکز میدان الکترومغناطیسی، کاهش حد پراش و گسترش و تقویت میدان­های تا چندین مرتبه فراتر از میدان­های موضعی باعث محصورسازی مدهای انتشاری الکتریکی و مغناطیسی عرضی (TE و TM) عمود بر جهت انتشار می­شود. معادله موج میدان الکتریکی با فرض محیط غیرمغناطیسی همه‌سویکسان، همگن و با ثابت دی­الکتریک ε(ω) به صورت زیر بیان می­شود [۴۳]:

که در آن میدان الکتریکی به صورت زیر است:

(1)

با اقتباس از تعریف بردار موج معادله پخش⁷ به صورت زیر بیان می­گردد:

(2)

با فرض محصورشدگی و انتشار در جهت x-z و عدم تغییر بردار موج در جهت y برای بررسی انتشار امواج در دو ساختار فلز دی­الکتریک-فلز و دی­الکتریک-فلز دی­الکتریک با لایه میانی چند ده نانومتری (با در نظر گرفتن طول موج پرتو تحریک­کننده) از رابطه زیر استفاده می­شود:

(3)

با در نظر گرفتن جمع آثار امواج صفحه­ای پرتو نور رابطه پخش برای یک موج صفحه­ای با بسامد ω در یک محیط دی­الکتریک با ضریب شکست n و با فرض رابطه زیر را خواهیم داشت که در تشابه با سطح فرمی یک الکترون در داخل جامد بلورین سطح عدد موج را مشخص می­کند:

(4)

با در نظر گرفتن سطح عدد موج در فضای k بعدی و رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ، رابطه حد پراش و کمترین مقدار اندازه شعاعی پرتویی که از جمع آثار امواج نوری سه بعدی ایجاد می­شود به صورت زیر محاسبه می­شود:

(5)

با حد پراش به سراغ امواج نوری با ابعاد پایین (مثل امواج دوبعدی، تک­بعدی یا صفربعدی) می­رویم. نمونه­ای از این امواج، میدان ناپایدار ایجاد شده در سطح دی­الکتریک با بازتاب داخلی کامل یا امواج سطحی انتشار یافته در امتداد سطح مشترک دی­الکتریک و فلز است که به همان پلاسمون­های سطحی که بیان شد، تعبیر می­شوند و از تزویح موج الکترومغناطیسی با پلاسمون­های سطحی ایجاد می­شوند. لذا در این کار پژوهشی برای کاهش حد پراش امواج نوری با ابعاد پایین از امواج سطحی منتشره در سطح مشترک فلز دی­الکتریک که همان پلاسمون­های سطحی هستند استفاده می­کنیم.

 فلز به­کار رفته در اینجا نقره است که می­توان ضریب گذردهی نسبی آن را با مدل درود توصیف کرد [۴۴].

(6)

که در آن ،  ،  و  به ترتیب بسامد‌ پلاسما، بسامد زاویه­ای، ضریب گذردهی دی‌الکتریک در بسامد بی‌نهایت و ضریب میرایی ماده هستند و بسامد­های تشدید ساختار حلقه و پارامترهای الکتریکی مشخص را می­توان از حل معادلات بالا به­دست آورد.

2-2-       ساختار و مشخصات افزاره

شکل (1) نمای بالایی و زیرین ساختار را نشان می­دهد. ساختار به طور کلی از سه لایه فلز-دی­الکتریک-فلز ایجاد شده است. جنس فلز نقره و دی­الکتریک میانی، شیشه با ضریب گذردهی 1316/2 است. جنس قسمت­های مختلف ساختار، در شکل بیان شده است.

 

 

(7)

(الف)	(ب)
شکل (1): لایه­های ساختار، الف): نمای بالایی ساختار، ب): نمای زیرین ساختار

روند شکل­گیری ساختار در شکل (2-الف) و طیف جذبی با تاکید بر قله‌های جذب در شکل (2-ب) نمایش داده شده است. قله جذب در ساختار نهایی، برابر 83/0 است. ساختار پیشنهادی بر اساس یک حلقه تشدیدگر ساده که در درون آن یک آرایه متناسب و متناوب از نانو گیرنده­های فلزی به صورت ۴ بخش که دوبه­دو متقارن هستند و حول یک نانو دیسک که در مرکز حلقه قرار گرفته­اند ارائه شده است. در این ساختار ما برای ایجاد تشدیدگر از یک ساختار به شکل ساختار آنتن هوایی تلویزیون استفاده کردیم، یک نانو دیسک در وسط ساختار برای ما مفهوم پایه⁸ آنتن را ایجاد کرده است. در بالا و پایین نانو میله دو دسته سه‌تایی نانو گیرنده مستطیلی شکل بلند با طول و عرض به ترتیب 75/3 در 5/0 میلی­متر شانه‌مانند ایجاد شده است که بازتابنده­هایی⁹ بسیار قوی را به همراه نانو میله وسطی ایجاد می­کنند. در طرفین این محیط بازتابی و بوجود آورنده میدان ضعیف مغناطیسی، نانو گیرنده­هایی برای به دام انداختن بیشتر أمواج، به­کار گرفته شده است. هدایت­کننده­ها با ابعاد طول و عرض به ترتیب برابر با 5/2 در 5/0 میلی­متر است که به صورت کاملاً متقارن، ۲ عدد در بالا و ۲ عدد در پایین شاخه اصلی که نانو گیرنده­هایی بازتابی هستند قرار گرفته­اند. این بخش از تشدیدگر باعث ایجاد مرکز بالای میدان مغناطیسی در این دو ناحیه به صورت متقارن، در دو طرف بخش بازتابی می­شود. در واقع این بخش مهم با جداسازی میدانی قسمت بازتابنده، به کمک حلقه­هایی که در بالا و پایین قسمت دی­الکتریک تعبیه شده، یک دو قطبی بسیار قوی ایجاد می­کند.

(الف)

(ب)

شکل (۲): الف) روند بهینه­سازی ساختار (ب): شدت قله جذبی برای مراحل مختلف بهینه­سازی بخش تشدیدگر ساختار

برای ضرایب متفاوت دی­الکتریک با مقادیر 3316/2 – 8316/1= εr (به ترتیب آلومینای متخلخل- ،منیزیم­فلوراید، مولیبدن­دی­سولفاید ، شیشه ()، Taconic TLy-5 و تنگستن­دی­سولفید- ) با گام­های ۱/۰، بررسی و طیف جذبی در شکل (3) نشان داده شده است.

 

شکل (3): نمودارشدت جذب در ضریب شکست­های متفاوت بر حسب طول موج

شدت میدان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی و دو قطبی‌های ایجاد شده در حلقه و نانو دیسک، در شکل (4) نشان داده شده است.

شکل (۴): دوقطبی ایجاد شده توسط ساختار، شدت میدان مغناطیسی (چپ)، شدت میدان الکتریکی (راست)

این ساختار برای مقادیر متفاوت محیط دی­الکتریک با در نظر گرفتن تغییرات محیطی کاملاً مناسب بوده و پاسخ بهینه با بالاترین شدت، برای محیط دی­الکتریک شیشه رقم می­خورد. برای تحلیل و بررسی بیشتر ساختار محیط دی­الکتریک با گام­های کوچک‌تر ۰۵/۰ با تغییرات طول موجی در حدود ۳۰ نانومتر در جدول (1) آورده شده است.

 

جدول (1): وابستگی مدهای تشدیدی جذبی به تغییر پارامترهای هندسی ساختار پیشنهادی

ضریب شایستگی (RIU-1)

میزان حساسیت (nm/RIU)

جابجایی قله تشدید (nm)

بسامد تشدید (GHz)

طول موج تشدید (nm)

بیشینه شدت

ضریب شکست سطح

۱۲۰۸

۴۸/۳۴

۲۹۰۰۰۰

۶۸۳۰/۸

۱۰۷× ۴۵۵۰/۳

۶۱۹/۰

۸۸۱۶/۱

۱۲۲۶

۷۲/۳۴

۲۸۸۰۰۰

۶۱۰۴/۸

۱۰۷× ۴۸۴۰/۳

۶۴۳/۰

۹۳۱۶/۱

۱۲۷۳

۴۸/۳۴

۲۹۰۰۰۰

۵۴۰۰/۸

۵۱۲۸۱۰۷× /۳

۶۴۴/۰

۹۸۱۶/۱

۱۲۵۶

۱۱.۳۳

۳۰۲۰۰۰

۴۷۰۱/۸

۵۴۱۸۱۰۷× /۳

۶۸۰/۰

۰۳۱۶/۱

۱۲۷۱

۱۲.۳۴

۲۹۳۰۰۰

۴۰۰۴/۸

۱۰۷× ۵۷۱۲/۳

۶۵۲/۰

۰۸۱۶/۲

۱۰۴۵

۰۰/۳۳

۳۰۳۰۰۰

۳۳۰۳/۸

۱۰۷× ۶۰۱۳/۳

۸۲۰/۰

۱۳۱۶/۲

۱۳۱۶

۲۵/۳۲

۳۱۰۰۰

۲۶۰۷/۸

۶۳۱۶۱۰۷× /۳

۶۶۶/۰

۱۸۱۶/۲

۱۳۱۳

۵۴/۳۱

۳۱۷۰۰۰

۱۹۰۷/۸

۶۶۲۶۱۰۷× /۳

۶۸۳/۰

۲۳۱۶/۲

۱۳۲۱

۲۵/۳۱

۳۲۰۰۰۰

۱۲۰۵/۸

۶۹۴۳۱۰۷× /۳

۶۸۵/۰

۲۸۱۶/۲

۱۲۴۶

۷۸/۳۲

۳۰۵۰۰۰

۰۵۰۴/۸

۱۰۷× ۷۲۶۵/۳

۶۹۲/۰

۳۳۱۶/۲

 

در ادامه نشان خواهیم داد که طول موج تشدید به ضریب شکست ماده در نانو تشدیدگر بستگی دارد و بنابراین، ضریب شکست را می­توان با استفاده از طول موج تشدید به دست آورده، و ماده را تشخیص داد.

2-3-       نتایج شبیه­سازی و تحلیل

پاسخ طیفی حسگر طراحی شده مبتنی بر تشدیدگر حلقه­ای با اسلات آنتن­های مستطیلی در اندازه­های متفاوت و متناوب محاط شده و به مرکزیت یک نانو دیسک با استفاده از روش FDTD و نرم‌افزار CST با شرایط مرزی PML لایه­های هم‌سو و تطبیق یافته و منبع نور با موج صفحه­ای تخت با راستای انتشار z محاسبه شده است. در ادامه برای بررسی چگونگی عملکرد حسگر پیشنهادی میزان حساسیت حسگر (SS)، یعنی میزان تغییرات دامنه به تغییرات ضریب شکست و ارتباط آن با میزان ضریب شایستگی (FOM) به صورت زیر محاسبه گردیده است [۴۵].

که در آن  میزان جابجایی طول موج تشدیدی در ساختار و  میزان تغییرات ناشی از تغییر ضریب شکست محیط سنجش مورد استفاده است. در نهایت  نیز بیانگر میزان پهنای پیک در نیمه مقدار بیشینه در طیف جذبی ساختار است.

(8)

شکل (۵): نمودار جذب در ضریب شکست­های متفاوت بر حسب طول موج با در نظر گرفتن فضای بین دو بخش فلزی در بالا و پایین ساختار به عنوان محیط سنجش.

 

همان­طور که در شکل (5) نشان داده شد ساختار از یک نانو تشدیدگر حلقوی در بالا و پایین ساختار در دو حالت متفاوت استفاده شده است. حالت اول اینکه محیط دی­الکتریک قرار گرفته بین محیط تشدیدگر بالا و پایین، یعنی محیط سنجش با بررسی ضرایب دی­الکتریک 8316/1= εr تا 2316/2= εr با مرکزیت شیشه () با ضریب شکست 46/1= n (1316/2= εr) و اختلاف گام 1/0= Δn مورد بررسی قرار می­گیرد.

از نکات قابل توجه ساختار این است که با تغییر حدود ۵ درصدی در ابعاد اسلات آنتن­های داخلی حلقه تشدیدگر و حلقه محاط کننده ناحیه تشدیدگر در بالا و پایین ساختار، پاسخ­های ساختار ثابت باقی مانده و فقط شدت ساختار به میزان 2/0 کاهش می‌یابد. شکل ۶ (الف و ب) شدت طیف جذبی را برای ابعاد مختلف گیرنده­های تعبیه شده در محیط تشدیدگر برای طول‌های 95/2 – 5/2= L میلی­متر را با فاصله گام ۵۰ میکرومتر نشان می­دهد. در این شکل‌ها مشخص است با افزایش طول گیرنده­ها، موقعیت حالت­های تشدیدی به مرکزیت طول موج ۳۶ میلی­متر برای ضریب شکست 46/1= Δn با فاصله حداکثر ۳ میکرومتر تغییر پیدا می­کند اما این تغییر طول موجی برای تغییر ابعاد تا ۵ درصد مقدار طول گیرنده (۱۳۷ میکرومتر) به قدری کوچک است (کمتر از ۳ میکرومتر) که می­توان نتیجه گرفت پاسخ­های ساختار با توجه به محدودیت­ها و خطاهای ساخت قطعه از اعتبار بالایی برخوردار هستند.

 

(الف)	(ب)
(ج)	(د)

شکل (۶): تأثیر تغییر ابعاد گیرنده­های مستطیلی شکل (الف و ب) برای محیط سنجش و (ج) و (د) برای پهنای حلقه محاط‌کننده فضای سنجش

 

در ادامه بررسی تغییر ابعاد در جواب­های ساختار همان­طور که در شکل (۶- ج و د) نشان داده شده است با تغییر ابعاد و پهنای حلقه محیطی بخش سنجش دو بازه جابجایی بسامدی به­وجود می­آید. در بخش اول، تغییر ابعاد کمتر از 100 میکرومتر است و این تغییر نسبت به 5 درصد تغییر ابعاد حلقه بسیار بیشتر است و نسبت آن دو و نیم (۵/۲)‌ برابر است. در بخش دوم، تغییر ابعاد بیشتر از این مقدار است و تا 150 میکرومتر در نظر گرفته شده است. در نتیجه اگر بیشینه تغییر ۵ درصد در ساخت ابعاد (یعنی ۴۰ میکرومتر) را در نظر بگیریم میزان شدت ساختار و جابجایی بسامدی بسیار ناچیز بوده و تأثیر محسوسی بر عملکرد حسگر پیشنهادی نداشته و این مزیت بسیار خوبی برای درستی عملکرد قطعه با در نظر گرفتن خطاهای احتمالی ساخت قطعه است.

خاطر نشان می‌شود فواصل اسلات آنتن­ها به گونه­ای در نظر گرفته شده که جفت‌شدگی مؤثر و بهینه­ای را فراهم می­سازد و منجر به تیز شدن شدت جذبی ساختار و بهنجار شدن پاسخ می­گردد.

از مزایای دیگر ساختار، پایداری پاسخ­های ساختار با در نظر گرفتن خوردگی گیرنده­های محیط سنجش است. در حالت دیگر محیط سنجش را متفاوت و محیط بر منطقه تشدیدگر ساختار از جنس خلأ با ضریب شکست 1= n با تأثیر پارامترهای مختلف هندسی در طیف جذبی در شکل (7) مورد بررسی قرار گرفته است. این بار محیط سنجش لایه با ابعاد 2mm 5×5 و ضخامت μm ۱۰۰ میکرومتر در اطراف محیط سنجش در نظر گرفته شده است. در این حالت محیط دی­الکتریک را از جنس پلی‌متیل‌متاکریلات¹⁰ با فرمول شیمیایی  و نام اختصاری PMMA، با ضریب گذردهی 1609/2= εr (47/1= n) در نظر گرفتیم که نهایت تشابه با شیشه بکارگرفته شده در لایه دی­الکتریک ساختار را دارد. PMMA، یک رزین مصنوعی است که از پلیمریزاسیون متیل متاکریلات تولید می­شود. این ماده یک پلاستیک شفاف و محکم است که اغلب به عنوان جایگزینی برای شیشه در محصولاتی مانند پنجره­های نشکن، نورگیرها، تابلوهای نورانی و سایبان­های هواپیما استفاده می­شود. از مزایای بسیار خوبی برخوردار است و یکی از سخت‌ترین و محکم‌ترین پلیمرها با شفافیتی بالاتر از شیشه و سطحی صیقلی و براق و مقاوم در برابر عوامل جوی است. صفحات پلی متیل متاکریلات مقاومت قابل توجهی در برابر عوامل جوی و پرتو نور خورشید دارند و از خواص نوری و سطح شفاف فوق‌العاده‌ای برخوردارند و در عین حال از نظر استحکام در برابر ضربه از شیشه مقاوم­تر هستند. علاوه بر آن درصد جذب رطوبت بسیار کم و مقاومت کششی و الکتریکی خوبی دارند. با توجه به مزایای ذکر شده و نزدیکی ضرایب شکست دو ماده مذکور می‌توان هرکدام از این دو ماده را در این ساختار بکار گرفت. قابل ذکر است بالاترین شدت طیف جذبی را با اختلاف ناچیزی، محیط دی­الکتریک شیشه رقم می­زند که ما هم در ادامه روند تحلیل و بررسی ساختار همان محیط شیشه را در نظر گرفتیم. در ادامه و در این قسمت با افزایش ضریب شکست محیط طول موجی جذبی ساختار به سمت طول موج­های بالاتر همان­طور که در شکل (7) نشان داده شده تغییر پیدا می­کند و مقوله تغییر ضریب شکست همراه با تغییر طول موج تشدیدی ساختار پلاسمونی به وضوح نشان داده شده است.

 

شکل (۷): نمودار جذب در ضرایب شکست­ متفاوت بر حسب طول موج با در نظر گرفتن محیط سنجش در برگیرنده بخش تشخیصی ساختار

 

(الف)	(ب)
(ج)	(د)

شکل (۸): نتایج شبیه­سازی در برابر خوردگی­های متفاوت سطح بالایی ساختار و محیط سنجش (الف). خوردگی سطح با اعمال نانودیسک­های با شعاع خوردگی 2/0 میلی­متر (ب). طیف جذبی ساختار به ازای سطح ارتفاع متفاوت خوردگی و متناسب با شکل الف. (ج). سطح با اعمال نانودیسک­های نشانگر خوردگی با شعاع 4/0 میلی­متر (د). طیف جذبی ساختار به ازای سطح ارتفاع متفاوت خوردگی و متناسب با شکل ج

همان­طور که در بخش تحلیلی مقاله ذکر شد، جابه­جایی طول موج تشدیدی حالت‌های پلاسمونی با تغییر ضریب شکست و ثابت گذردهی الکتریکی محیط اطراف قابل انتظار است و حالت جذبی تشدیدی با تغییر ضریب شکست محیط اطراف جابه­جا می­شود. لذا می­توان با تعیین و مقیاس­بندی محدوده­های خاصی از میزان آلودگی بر اساس عوامل زیست­شناختی در محیط مورد نظر و مکان­های نیازمند مراقبت ویژه همچون ایجاد اتاق­های تمیز، میزان آلودگی را تشخیص داد و مراقبت ویژه را به بهترین نحو انجام داد. البته لازم به ذکر است مزیت اصلی ساختار، یعنی دارا بودن درجه بالای اطمینان جواب­دهی در برابر خطاهای عدم دقت در ابعاد ساختار حین ساخت و مقاومت بسیار بالای عدم تغییر محسوس جواب در برابر خوردگی ناحیه سنجش در هیچ منبعی تا به حال ذکر نشده است.

1-       بررسی درستی و اطمینان پاسخ­های ساختار در برابر خوردگی محیط سنجش

محیط سنجش ساختار با توجه به دارا بودن یک حلقه بیرونی برای به دام انداختن میدان از مقاومت خوبی در برابر خطاهای ناشی از ساخت قطعه و ساییدگی و یا از بین رفتن محیط سنجش در اثر عوامل مختلف جهت پاسخ­دهی مطمئن به تغییرات ضریب شکست محیط برخوردار است. نتایج شبیه­سازی در برابر خوردگی­های متفاوت سطح بالایی ساختار و محیط سنجش در شکل (8) نشان داده شده است. برای اعمال خوردگی سطح، یک آرایه متناوب از نانو دیسک­هایی با عمق­های متفاوت از 02/0 میلی­متر تا 14/0 میلی­متر در نظر گرفته شده است که نتایج تا عمق 14/0 میلی­متر یعنی تقریباً برابر با ارتفاع گیرنده­های محیط سنجش (همان­طور که در شکل ۸(ب) نشان داده شده است) طیف جذبی تشدیدی محیط خورده شده با عمق­های متفاوت در برابر جواب اصلی ساختار بدون خوردگی انحراف بسیار اندکی دارد چرا که جواب­های ساختار به ضرایب متفاوت ضریب شکست در فواصل طول موجی بسیار بیشتری از همدیگر قرار می­گیرند و از طرفی پیک­های جذبی محیط­های با خوردگی متفاوت با توجه به نتایج به­دست آمده کاملا بر همدیگر منطبق بوده و تنها در میزان شدت جذبی اختلاف ناچیزی دارند اما با افزایش محیط خوردگی بیش از ارتفاع محیط سنجش (شکل ۸(ج)) طیف جذبی ساختار هم با افت شدید شدت جذب و با جابجایی بسیار فاحش بسامدی همراه است به صورتی­که نمی­توان آن را مرتبط به طیف جذبی مرتبط با همان ضریب شکست در نظر گرفت. این موضوع در شکل (۸(د)) نشان داده شده است که دو قله جذبی در طول موج­های خیلی بالاتر و با افت بسیار شدید شدت جذبی نشان داده شده است.

 

جدول (2): مقایسه عملکرد حسگر پیشنهادی با کارهای مشابه

محدوده ضریب شکست	بیشینه ضریب کیفیت (1-RIU)	بیشینه حساسیت (nm/RIU)	منبع
-	۹۶۴	۸۸۰	]۴۴[
۴۵/۱- ۱/۱	۱۲۰	۲۴۳۰۰	]۴۵[
۳۹/۱- ۲۹/۱	۲۳۲۰	۱۱۶۰۰۰	]۴۶[
۳۶/۱- ۱۴/۱	۱۰۵	۵۳۸۰۰	]۴۷[
۲۰/۱- ۰۰/۱	۲۲.۳	۱۳۶۷	]۴۸[
۳۸/۱- ۰۰/۱	۰۶/۵۷	۱۰۸۴	]۴۹[
۳۷/۱- ۲۲/۱	۵۶۶	۵۱۰۰۰	]۵۰[
۵۰/۲- ۰۰/۱	۱۳۴۰	۶۴۰۰۰۰	حسگر پیشنهادی

 

مقایسه عملکرد حسگر پیشنهادی با در نظرگرفتن بعضی پارامترهای اثرگذار کیفیت حسگرها که اخیرا در پژوهش­های مرتبط با این ضمینه ارائه می­گردد در جدول (2) فهرست شده است. همانطور که مشخص است طرح پیشنهادی بالاترین میزان حساسیت در میان حسگرهای ضریب شکست ارائه شده را دارا می­باشد. این طرح علاوه بر این وسیع ترین محدوده سنجش را در بین تمام حسگرهای در این زمینه به خود اختصاص می­دهد و توانایی تشخیص انالیت­های با ضریب شکست پایین را دارد و ان را به یک نامزد بسیار عالی برای موارد با ضریب شکست ذکر شده در مرجع ]44[ شامل تشخیص بیهوشی، اتر هالوژنه، آئروژل­های مختلف، آلودگی هوای محیطی و عوامل خنک کننده را دارا می­باشد.همچنین خاطر نشان می­شود ساختار از ضریب شایستگی مطلوبی در حیطه خود برخوردار است.

 

2-       بررسی پارامتر پراکندگی ساختار و چشم­انداز بیشتر ساختار

از مزایای دیگر ساختار همان­طور که در شکل ۹(الف) نشان داده شده، ایجاد حالت جذبی دوم در ساختار است که در اطمینان­بخشی و درستی عملکرد ساختار و همچنین بررسی دقیق­تر آزمایشات مورد نظر را ممکن می­سازد. باید خاطر نشان شد که بررسی پارامتر پراکندگی ساختار یک معیار بسیار ارزشمند در بررسی کیفیت ساختارها است؛ به همین جهت پارامتر پراکندگی ساختار مورد نظر در شکل ۹(ب) نشان داده شده است. همان­طور که در شکل مشخص است این پارامتر از دو مد مجزا و با فاصله خیلی خوبی از همدیگر جهت سنجش هر چه بهتر پارامترهای مورد نظر پشتیبانی می­کند. لذا این ساختار علاوه­بر میزان حساسیت و ضریب شایستگی مطلوب از ضریب کیفیت بسیار بالایی نسبت به حسگرهای ارائه شده در قبل برخوردار است. میزان ضریب کیفیت ساختار برابر با 7/283 است که یکی از مزیت­های بسیار خوب ساختار پیشنهادی به عمل می­آید. مزیت پشتیبانی ساختار از دو حالت مجزا و دارا بودن ضریب کیفیت و ضریب شایستگی بسیار بالا قابلیت اطمینان ساختار را برای بررسی کاربردهای پزشکی بیشتر و دقیق­تر را نشان می­دهد.

 

(الف)	(ب)

شکل (۹): (الف) نمودار جذب برحسب طول موج (ب) پارامتر پراکندگی ساختار برحسب بسامد

3-       نتیجه­گیری

در این کار پژوهشی یک حسگر پلاسمونی مبتنی بر فرامواد برای سنجش ضریب شکست مواد در ناحیه موج میلی­متری طراحی شده است. ساختار مورد نظر شامل یک محیط سنجش با آرایه منظمی از گیرنده­ها ی آنتن مانند که توسط یک استوانه توخالی یا به عبارتی یک حلقه در دو حالت متفاوت محیط سنجشی محاط شده است. در حالت اول خود محیط دی­الکتریک در بین دو بخش فلزی ساختار در بالا و پایین به عنوان پارامتری با ضریب شکست متغیر و قابل تشخیص توسط ساختار جهت بهینه­یابی شکل طیف جذبی و با کیفیت بالا قرار گرفته است و در حالت دوم محیط سنجش مجزا و لایه­ای نشسته بر روی محیط دی­الکتریک با ضریب شکست 46/1 در نظر گرفته شده است. میزان حساسیت و ضریب شایستگی حسگر پیشنهادی در حالت سنجشی اول بررسی شده است و مقادیر بسیار خوبی در محدوده امواج میلی­متری از خود نشان می­دهد که با توجه به کاربرد موج میلی­متری در حیطه نظامی و فضایی، این ساختار بسیار ارزشمند خواهد بود. علاوه­براین مزیت می­توان بیان داشت که ساختار از مزیت بسیار خوبی در برابر خطاهای حین ساخت و عدم دقت در ابعاد و همچنین پایداری بسیار مطلوبی در برابر خوردگی محیط سنجش برخوردار است. از طرفی با توجه به اینکه ساختار از ۲ حالت جذبی و همچنین پارامتر پراکندگی با ضریب کیفیت بسیار خوبی برخوردار است، لذا با دارا بودن میزان حساسیت فوق­العاده و ضریب کیفیت بالا با قاطعیت می­توان ادعا کرد که ساختار مورد نظر توانایی بسیار خوبی در سنجش و شناسایی آلودگی­های محیطی و جو و همچنین سنجش مواد زیست شیمیایی و مواد با ضرایب شکست پایین در حیطه پزشکی را داراست که در حالت دوم به خوبی بررسی شده است.

 

مراجع

[1]       R. Aldo, M. Mirasoli, B. Roda, F. Bonvicini, C Colliva, and P. Reschiglian, “Recent developments in rapid multiplexed bioanalytical methods for foodborne pathogenic bacteria detection,” Microchimica Acta, vol. 178, pp. 7–28, 2012. doi: 10.1007/s00604-012-0824-3.

[2]       Y. Ming-jie, B. Gu, Q. An, Ch. Yang, Y. L. Guan, and K. Yong, “Recent development of fiber-optic chemical sensors and biosensors: Mechanisms, materials, micro/nano-fabrications and applications,” Coordination Chemistry Reviews, vol. 376, pp. 348-392, 2018. doi: 10.1016/j.ccr.2018.08.001.

[3]       C. Cai, R. E. Miles, M. I. Cotterell, A. Marsh, G. Rovelli, A. M. Rickards, Y. Zhang, and J. P. Reid, “Comparison of methods for predicting the compositional dependence of the density and refractive index of organic–aqueous aerosols,” The Journal of Physical Chemistry A, vol. 120, no. 33, pp. 6604-6617, 2016. doi: 10.1021/acs.jpca.6b05986.

[4]       I. M. Rakibul, A. N. M. Iftekher, K. R. Hasan, M. J. Nayen, S. B. Islam, A. Hossain, Z. Mustafa, and T. Tahsin, “Design and numerical analysis of a gold-coated photonic crystal fiber based refractive index sensor,” Optical and Quantum Electronics, vol. 53, no. 112, pp. 1-18, 2021. doi: 10.1007/s11082-021-02748-8.

[5]       H. Zhaochen, Y. Li, B. Chen, W. Zhang, X. Yang, and X. Yang, “Recent advances in surface plasmon resonance imaging and biological applications,” Talanta, vol. 255, 124213, 2023. doi: 10.1016/j.talanta.2022.124213.

[6]       Sh. Anand, U. Cvelbar, and I. Abdulhalim, “A comprehensive review on plasmonic-based biosensors used in viral diagnostics,” Communications biology, vol. 4, no. 1, pp. 70, 2021. doi: 10.1038/s42003-020-01615-8.

[7]       J. W. Kyung, and K. M. Byun, “Fabrication of nanoscale plasmonic structures and their applications to photonic devices and biosensors,” Biomedical Engineering Letters, vol. 1, pp. 153-162, 2011. doi: 10.1007/s13534-011-0026-7.

[8]       P. Abin, and A. R. Kumar, “The performance enhancement of surface plasmon resonance optical sensors using nanomaterials: A review,” Coordination Chemistry Reviews, vol. 458, 2022, 214424, doi: 10.1016/j.ccr.2022.214424.

[9]       S. Cheon, K. D. Kihm, H. G. Kim, G. Lim, J. S. Park, and J. S. Lee, “How to reliably determine the complex refractive index (RI) of graphene by using two independent measurement constraints,” Scientific reports, vol. 4, no. 1, 2014, 6364. doi: 10.1038/srep06364.

[10]       M. Heydari, A. Habibzadeh-Sharif, and F. Jabbarzadeh, “Design of a compact refractive-index sensor based on surface plasmon polariton slot waveguide,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol. 38, 2020. doi: 10.1016/j.photonics.2019.100755.

[11]       R. S. Anwar, H. Ning, and L. Mao, “Recent advancements in surface plasmon polaritons-plasmonics in subwavelength structures in microwave and terahertz regimes,” Digital Communications and Networks, vol. 4, no. 4, pp. 244-257, 2018. doi: 10.1016/j.dcan.2017.08.004.

[12]       D. K. Gramotnev, and S. I. Bozhevolnyi, “Nanofocusing of electromagnetic radiation,” Nature Photonics, vol. 8, no. 1, pp. 13-22, 2014. doi: 10.1038/nphoton.2013.232.

[13]       J. Li, “A review: Development of novel fiber-optic platforms for bulk and surface refractive index sensing applications,” Sensors and Actuators Reports, vol. 2, no. 1, 2020, 100018, doi: 10.1016/j.snr.2020.100018.

[14]       D. Wu, R. Li, Y. Liu, Zh. Yu, L. Yu, L. Chen, Ch. Liu, R. Ma, and H. Ye, “Ultra-narrow band perfect absorber and its application as plasmonic sensor in the visible region,” Nanoscale research letters, vol. 12, pp. 1-11, 2017. doi: 10.1186/s11671-017-2203-9.

[15]       E. D. Tommasi, E. Esposito, S. Romano, A. Crescitelli, V. Di Meo, V. Mocella, G. Zito, and I. Rendina, “Frontiers of light manipulation in natural, metallic, and dielectric nanostructures,” La Rivista del Nuovo Cimento, vol. 44, pp. 1-68, 2021. doi: 10.1007/s40766-021-00015-w.

[16]       B. Gul, S. Ashraf, Sh. Khan, H. Nisar, and I. Ahmad, “Cell refractive index: Models, insights, applications and future perspectives,” Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, vol, 33, 2021. doi: 10.1016/j.pdpdt.2020.102096.

[17]       Y. Li, A. Ma, L. Yang, and X. Zhang, “Highly sensitive refractive index sensing with surface plasmon polariton waveguides,” Plasmonics, vol. 9, 71-78, 2014. doi: 10.1007/s11468-013-9599-6.

[18]       G. A. Khan, Y. Lu, and P. Wang, “Plasmon-Enhanced Refractive Index Sensing of Biomolecules Based on Metal–Dielectric–Metal Metasurface in the Infrared Regime,” ACS omega, vol. 9, no. 1, pp. 1416-1423, 2023. doi: 10.1021/acsomega.3c07809.

[19]       R. Horchani, “Refractive index sensing using a linear graded plasmonic chain of metal nano-particles,” Chinese journal of physics, vol. 56, no. 3, pp. 1247-1251, 2018. doi: 10.1016/j.cjph.2018.03.038.

[20]       J. Yao, J. Ou, V. Savinov, M. K. Chen, H. Y. Kuo, N. I. Zheludev, and D. P. Tsai, “Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing,” PhotoniX, vol. 3, no. 1, 2022. doi: 10.1186/s43074-022-00069-x.

[21]       Y. Esfahani Monfared, “Refractive index sensor based on surface plasmon resonance excitation in a D-shaped photonic crystal fiber coated by titanium nitride,” Plasmonics, vol. 15, no. 2, pp. 535-542, 2020. doi: 10.1007/s11468-019-01072-y.

[22]       Y. Shen, J. Zhou, T. Liu, Y. Tao, R. Jiang, M. Liu, G. Xiao et al, “Plasmonic gold mushroom arrays with refractive index sensing figures of merit approaching the theoretical limit,” Nature communications, vol, 4, no. 1, 2381, 2013. doi: 10.1038/ncomms3381.

[23]       M. Danaie, L. Hajshahvaladi, and E. Ghaderpanah, “A single-mode tunable plasmonic sensor based on an 8-shaped resonator for cancer cell detection,” Scientific Reports, vol. 13, no. 1, 13976, 2023. doi: 10.1038/s41598-023-41193-3.

[24]       H. Zhang, Y. Cheng, and F. Chen, “Quad-band plasmonic perfect absorber using all-metal nanostructure metasurface for refractive index sensing,” Optik, vol. 229, 166300, 2021. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166300.

[25]       X. Chong, Y. Zhang, E. Li, K. Kim, P. R. Ohodnicki, Ch. Chang, and A. X. Wang, “Surface-enhanced infrared absorption: pushing the frontier for on-chip gas sensing,” ACS sensors, vol. 3, no. 1, pp. 230-238, 2018. doi: 10.1021/acssensors.7b00891.

[26]       H. P. Pasanen, R. Khan, J. A. Odutola, and N. V. Tkachenko, “Transient Absorption Spectroscopy of Films: Impact of Refractive Index,” The Journal of Physical Chemistry C, vol. 128, no. 15, pp. 6167-6179, 2024. doi: 10.1021/acs.jpcc.4c00981.

[27]       H. Sohrabi, A. Hemmati, M. R. Majidi, Sh. Eyvazi, A. Jahanban-Esfahan, B. Baradaran, R. Adlpour-Azar, A. Mokhtarzadeh, and M. de la Guardia, “Recent advances on portable sensing and biosensing assays applied for detection of main chemical and biological pollutant agents in water samples: A critical review,” TrAC Trends in Analytical Chemistry, vol. 143, 2021. doi: 10.1016/j.trac.2021.116344.

[28]       S. Barizuddin, S. Bok, and S. Gangopadhyay, “Plasmonic sensors for disease detection-a review,” J. Nanomed. Nanotechnol, vol. 7, no. 3, 2016. doi: 10.4172/2157-7439.1000373.

[29]       R. Rahad, S. Shahriar Sharar, and M. A. Haque, “Exploring the Diverse Applications of Plasmonic Refractive Index Sensors: Unveiling a New Realm of Possibilities,” A Thesis submitted in Electrical and Electronic Engineering, Islamic University of Technology, Board Bazar, Gazipur-1704, Bangladesh, Department of Electrical and Electronic Engineering, April, 2023.

[30]       M. T. Sohail, M. Wang, M. Shareef, and P. Yan, “A Review of Ultrafast Photonics Enabled by Metal-Based Nanomaterials: Fabrication, Integration, Applications and Future Perspective,” Infrared Physics & Technology, 2024. doi: 10.1016/j.infrared.2024.105127.

[31]       D. S. Dkhar, R. Kumari, Sh. J. Malode, N. P. Shetti, and P. Chandra, “Integrated lab-on-a-chip devices: Fabrication methodologies, transduction system for sensing purposes,” Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, vol. 223, 2023. doi: 10.1016/j.jpba.2022.115120.

[32]       L. Escoubas, M. Carlberg, J. L. Rouzo, F. Pourcin, J. Ackermann, O. Margeat, C. Reynaud et al, “Design and realization of light absorbers using plasmonic nanoparticles,” Progress in Quantum Electronics, vol. 63, pp. 1-22, 2019. doi: 10.1016/j.pquantelec.2018.12.001.

[33]       C. M. Das, F. Yang, Zh. Yang, X. Liu, Q. Th. Hoang, Zh. Xu, Sh. Neermunda et al, “Computational Modeling for Intelligent Surface Plasmon Resonance Sensor Design and Experimental Schemes for Real‐Time Plasmonic Biosensing: A Review,” Advanced Theory and Simulations, vol. 6, no. 9, 2023. doi: 10.1002/adts.202200886.

[34]       L. De Sio, T. Placido, R. Comparelli, M. L. Curri, M. Striccoli, N. Tabiryan, and T. J. Bunning, “Next-generation thermo-plasmonic technologies and plasmonic nanoparticles in optoelectronics,” Progress in Quantum Electronics, vol. 41, pp. 23-70, 2015. doi: 10.1016/j.pquantelec.2015.03.001.

[35]       M. R. Rakhshani, “Narrowband plasmonic absorber using gold nanoparticle arrays for refractive index sensing,” IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 5, pp. 4043-4050, 2022, doi: 10.1109/JSEN.2022.3142655.

[36]       B. Špačková, P. Wrobel, M. Bocková, and J. Homola, “Optical biosensors based on plasmonic nanostructures: a review,” Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 12, pp. 2380-2408, 2016. doi: 10.1109/JPROC.2016.2624340.

[37]       M. Chauhan, and V. K. Singh, “Fiber optic plasmonic sensors based on theoretical analysis: a review,” Optical and Quantum Electronics, vol. 53, no. 7, 2021, 409, doi: 10.1007/s11082-021-03034-3.

[38]       R. Zafar, and M. Salim, “Enhanced figure of merit in Fano resonance-based plasmonic refractive index sensor,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 11, pp. 6313-6317, 2015. doi: 10.1109/JSEN.2015.2455534.

[39]       Y. Chen, J. Liu, Zh. Yang, J. S. Wilkinson, and X. Zhou, “Optical biosensors based on refractometric sensing schemes: A review,” Biosensors and Bioelectronics, vol. 144, 2019. doi: 10.1016/j.bios.2019.111693.

[40]       A.Farmani, S.Mohammad, HM.Mohammad, and T. Daghooghi. "Optical nanosensors for cancer and virus detections." In Nanosensors for smart cities, pp. 419-432, 2020. doi: 10.1016/B978-0-12-819870-4.00024-4.

[41]       Z.Salehnezhad, S.Mohammad, and A.Farmani. "Design and numerical simulation of a sensitive plasmonic-based nanosensor utilizing MoS2 monolayer and graphene." Diamond and Related Materials 131 (2023). doi: 10.1016/j.diamond.2022.109594 

[42]       Y. Yuan, X. Peng, X. Weng, J. He, Ch. Liao, Y. Wang, L. Liu, Sh. Zeng, J. Song, and J. Qu, “Two-dimensional nanomaterials as enhanced surface plasmon resonance sensing platforms: Design perspectives and illustrative applications,” Biosensors and Bioelectronics, 2023. doi: 10.1016/j.bios.2023.115672.

[43]       K. Sakoda, “Electromagnetic Metamaterials,” Springer: Singapore, 2019.

[44]       M. Isti, I. Ahmad, M. H. K. Anik, S. Nuzhat, R. C. Talukder, S. Sultana, S. K. Biswas, and H. Talukder, “Highly sensitive double D-shaped channel photonic crystal fiber based plasmonic refractive index sensor,” Optics Continuum, vol. 1, no. 3, pp. 575-590, 2022. doi: 10.1364/OPTCON.452020.

[45]       N. Hussain, M. R. Masuk, M. F. Hossain, and A. Z. Kouzani, “Dual core photonic crystal fiber based plasmonic refractive index sensor with ultra-wide detection range,” Optics Express, vol. 31, no. 16, pp. 26910-26922, 2023. doi: 10.1364/OE.487600.

[46]       E. Haque, S. Mahmuda, M. A. Hossain, N. H. Hai, Y. Namihira, and F. Ahmed, “Highly sensitive dual-core PCF based plasmonic refractive index sensor for low refractive index detection,” IEEE photonics journal, vol. 11, no. 5, pp. 1-9, 2019. doi: 10.1109/JPHOT.2019.2931713.

[47]       M. H. K. Anik, M. A. Isti, S. R. Islam, S. Mahmud, H. Talukder, M. J. Piran, S. K. Biswas, and K Kwak, “Milled microchannel-assisted open D-channel photonic crystal fiber plasmonic biosensor,” IEEE Access, vol. 9, pp. 2924-2933, 2020. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3047509.

[48]       M. A. Butt, S. N. Khonina, and N. L. Kazanskiy, “Plasmonic refractive index sensor based on metal–insulator-metal waveguides with high sensitivity,” Journal of Modern Optics, vol. 66, no. 9, pp. 1038-1043, 2019. doi: 10.1080/09500340.2019.1601272.

[49]       N. L. Kazanskiy, M. A. Butt, and S. N. Khonina, “Nanodots decorated MIM semi-ring resonator cavity for biochemical sensing applications,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol. 42, 2020, 100836. doi: 10.1016/j.photonics.2020.100836.

[50]       E. Haque, M. A. Hossain, Y. Namihira, and F. Ahmed, “Microchannel-based plasmonic refractive index sensor for low refractive index detection,” Applied optics, vol. 58, no. 6, pp. 1547-1554, 2019. doi: 10.1364/AO.58.001547.

زیرنویس‏ها

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال پنجم، شماره ۱، بهار ۱۴۰۵                                            17

---

[1]   Biologic

[2]   Ellipsometry

[3]   Interferometer

[4]  Surface Plasmon Polaritons

[5]   Confinement

[6]  P-Polarized 

[7]  Dispersion Relation

[8]  stand 

[9]  reflectors

[10]  Poly methyl methacrylate (PMMA)