31734

طراحي و شبيه‌سازي حسگرهاي پلاسموني مبتني بر موجبر فلز - عايق - فلز (MIM) به منظور كاربرد در سنجش زيستي و ضريب شكست

كارشناسي ارشد

مهندسي برق

1400

1403/06/26

محمدعظيم كرمي

/

مهندسي برق

در ميان نانوساختارهاي پلاسموني كه در مدارهاي مجتمع نوري استفاده مي‌شوند، موجبر فلز-عايق-فلز (MIM) يكي از رايج‌ترين ساختارها به شمار مي‌رود. موجبر MIM به دليل ميدان‌هاي الكترومغناطيسي متمركز و قوي، هندسه ساده و قابليت ادغام آسان با مدارهاي مجتمع نوري، يكي از مناسب‌ترين فناوري‌هاي موجبر مورد استفاده در حسگرها است. در اين پايان‌نامه، طراحي حسگرهاي ضريب شكست داراي تشديد چندگانه با حساسيت و شاخص شايستگي (FoM) بالا انجام مي شود. براي اين منظور، دو ساختار مبتني بر موجبر MIM طراحي و شبيه‌سازي مي‌شود. ساختار اول مبتني بر يك تشديدگر U شكل با گوشه‌هاي خميده است كه پس از بهينه‌سازي مشخصه‌هاي هندسي، مي‌تواند به بيشينه حساسيت nm/RIU 2772 و شاخص شايستگي برابر با RIU-1 80.37 دست يابد. ساختار دوم، مبتني بر تشديدگر ديسك است كه نقص‌هاي ايجادشده در آن موجب تشديدهاي چندگانه در محدوده طول‌موجي وسيع مي‌شود. بيشينه حساسيت و شاخص شايستگي آن به ترتيب برابر با nm/RIU 3340 و RIU-1 143.33 به دست مي‌آيد. علاوه بر اين، تشديد فانو نيز در هر دو ساختار بررسي مي‌شود كه نتايج نشان مي‌دهد ساختارهاي مبتني بر تشديد فانو از لحاظ شاخص شايستگي عملكرد بهتري ارائه مي‌دهند. به‌طوري‌كه شاخص شايستگي در ساختار اول برابر با 104×1.0984 و در ساختار دوم برابر با 105×2.89401 به دست مي‌آيد. در نهايت، عملكرد ساختارهاي پيشنهادي به‌عنوان حسگر ضريب شكست براي كاربردهاي زيستي و شيميايي بررسي مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه تشديدگر U شكل مبتني بر تشديد فانو به حساسيت دمايي nm/̊C 0.45 در تشخيص دماي اتانول مي‌رسد. ساختار مبتني بر تشديدگر ديسك نيز مي‌تواند سلول‌هاي سرطاني MCF-7 را با حداكثر حساسيت ضريب شكستي nm/RIU 3543 شناسايي كند و به حساسيت nm.L/g 0.407 در تشخيص غلظت گلوكز و nm/RIU 3329.41 براي تشخيص سطح هموگلوبين خون دست يابد.

1403/09/23

Design and simulation of plasmonic sensors based on metal-insulator-metal (MIM) waveguide for application on refractive index and bio-sensing

9/17/2025 12:00:00 AM

Among the plasmonic nanostructures utilized in optical integrated circuits, the metal-insulator-metal (MIM) waveguide is one of the most commonly used structures. MIM technology is a highly suitable waveguide technology for sensors due to its strong field confinement, simple geometry, and easy integration with optical integrated circuits. This research aims to design multi-resonance refractive index sensors with high sensitivity and high figure of merit. For this purpose, two structures based on MIM waveguides are designed and simulated. The first structure is based on a U-shaped resonator with rounded corners, which, after optimizing the geometrical parameters, can achieve a maximum sensitivity of 2772 nm/RIU and a FoM of 80.37 RIU-1. The second structure is based on a disk resonator with defects that create multiple resonances over a wide wavelength range. Its maximum sensitivity and FoM can achieve 3340 nm/RIU and 143.33 RIU-1, respectively. In addition, both structures are investigated for Fano resonance, and the results indicate that Fano resonance based structures offer better performance in terms of figure of merit. Therefore, FoM* can reach 1.0984×104 in the first structure and 2.89401×105 in the second structure. Finally, the performance of the proposed structures is investigated as a refractive index sensor for biological and chemical applications. The results indicate that the U-shaped resonator based on Fano resonance reaches a temperature sensitivity of 0.45 nm/̊C. The disk resonator-based structure can detect MCF-7 cancer cells with a maximum refractive index sensitivity of 3543 nm/RIU and achieve a sensitivity of 0.407 nm.L/g in detecting glucose concentration and 3329.41 nm/RIU in detecting blood hemoglobin level.

پلاسمونيك , حسگر ضريب شكست , تشديد فانو

plasmonic , refractive index sensor , fano resonance

Zahra Majidi

Mohammad Azim Karami