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Nov 13, 2023

Analyse des performances de la salinité basée sur l'hexagone deux

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22133 (2022) Citer cet article

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Nous avons conçu une structure unique pour un capteur de liquide basé sur des PC bidimensionnels avec un réseau triangulaire constant dans la périodicité en perçant un cylindre hexagonal dans un matériau hôte diélectrique. En utilisant l'approche multiphysique COMSOL, nous avons étudié la structure donnée et les performances de détection basées sur la méthode des éléments finis. Nous optimiserons des cristaux photoniques hexagonaux bidimensionnels pour localiser la région de bande interdite photonique dans la gamme de fréquences infrarouge moyen et lointain, car l'eau est un bon absorbeur pour cette gamme de fréquences. Ensuite, nous injectons de l'eau saline dans le cylindre hexagonal central et calculons les paramètres du capteur pour différentes valeurs de l'indice de réfraction de l'eau saline à différentes fréquences liées aux bandes interdites photoniques. On pourrait atteindre les conditions optimales du capteur de salinité comme la demi-diagonale de la forme hexagonale (R) = 500 nm, la distance perpendiculaire entre les deux diagonales hexagonales (D) = 250 nm, et le nombre de périodes (N) = 5 , ce qui donne une efficacité élevée avec une sensibilité (S) = 525 nm/RIU, un facteur de mérite (FOM) = 80,7 RIU−1 et un facteur de qualité (Q) = 375. Les effets des caractéristiques structurelles sur les performances de détection sont étudiés, avec nouvelles approches d'amélioration des capteurs de salinité proposées. De plus, les capteurs de salinité traditionnels peuvent être remplacés par le procédé proposé dans l'application de photodétection, qui est simple et pratique pour une utilisation dans les techniques de dessalement thermique.

Les cristaux photoniques étaient considérés comme de nouvelles structures de matériaux aux propriétés optiques périodiquement modifiées1,2,3,4,5. Les PC sont actuellement une technologie de premier plan dans les méthodes photoniques6,7. Parce que leurs constantes optiques dépendent de la longueur d'onde incidente, ils sont également considérés comme un milieu dispersif. Les PC ont suscité beaucoup d'intérêt en raison de leur interaction inhabituelle avec EMW8. De plus, les PC peuvent contrôler et réguler la transmission d'EMW. Afin que l'EMW puisse être concentré sur une région active selon les exigences de l'application9. La bande interdite photonique (PBG) est un aspect important des PC, dans lequel les modes électromagnétiques sont incapables de se propager à travers la structure dans cette région de longueurs d'onde incidentes. Ainsi, ces PBG ont une zone interdite à la propagation des photons, mais ils autorisent néanmoins la présence de modes localisés et d'ondes optiques restreintes10. Cette propriété ouvre une grande tendance dans la gestion de la lumière pour résoudre la dissipation de puissance dans les applications optiques. Par conséquent, il peut également être utilisé dans une variété de domaines, tels que la photodétection11 et la détection12. Sinon, la conversion de l'énergie solaire13,14,15 et le dessalement de l'eau sur PC16 sont en hausse.

Les scientifiques et les chercheurs ont récemment concentré leurs efforts sur l'examen des technologies de dessalement. Par conséquent, le capteur de salinité est très important pour déterminer le niveau de salinité de l'eau douce générée. La salinité (S) définie comme la quantité de sel en gramme dissous dans 1 g d'eau salée et représentée en parties pour mille (PPT), indique la quantité de sel dans l'eau de mer. On a observé que les salinités de l'océan ouvert se situaient entre 34 et 37 PPT, ce qui peut également être exprimé en 34 à 37 unités pratiques de salinité (PSU). Où, l'eau de mer avec S égal à 35 contient environ 35 g de sel et 965 g d'eau, soit 35 ppt (35 PSU). Par conséquent, l'eau pourrait être utilisée pour l'irrigation et la consommation humaine à \(S\le 0,5 \left(PPT\right)\)17. L'interaction de l'EMW et de l'eau salée est la méthode fondamentale de détection du niveau de salinité utilisée depuis des décennies18,19. Par conséquent, les PC - l'interaction de l'EMW avec la matière - ont récemment été largement utilisés pour identifier les applications de fluides car ils peuvent fournir des degrés élevés de sensibilité pour modifier l'indice de réfraction. De plus, selon la formule de l'effet thermo-optique, les PC peuvent être utilisés comme capteurs de température car l'indice de réfraction varie avec la température20. Par conséquent, les PC pourraient être utilisés pour déterminer l'indice de réfraction des liquides et des gaz selon des recherches publiées précédemment21,22,23. En conséquence, l'utilisation de la technologie PC est une nouvelle classe de technologie de dessalement, en particulier pour déterminer le niveau de salinité24. Le précepte du capteur dépend de la génération de modes de défaut dans les plages de PBG qui sont dus aux variations de l'indice de réfraction du fluide environnant. Les analytes biologiques peuvent également être détectés avec des capteurs à micro-cavité PC bidimensionnels et des considérations théoriques25.

Les chercheurs s'intéressent aux PC bidimensionnels car ils peuvent être utilisés comme guides d'ondes et commandes de lumière26. De plus, le réseau triangulaire des PC bidimensionnels est utilisé pour concevoir des portes logiques ultra-compactes27. En outre, le chalcogénure As2Se3 avec des tiges de réseau triangulaire dans l'air est utilisé pour concevoir des portes logiques numériques et des répartiteurs de puissance tout optique en créant un défaut de ligne (en supprimant les tiges) dans la direction diagonale du PC28. En raison de la popularité des PC 2D, nous avons tendance à concevoir un capteur de salinité basé sur les propriétés fondamentales des PC 2D avec une constante de réseau triangulaire et une cellule unitaire hexagonale, comme nous le verrons en détail dans la section suivante.

Le but de ce travail est de montrer comment les 2D–PCs avec une constante de réseau triangulaire et la cellule unitaire étant hexagonale peuvent déterminer le niveau de salinité de l'eau de mer. La salinité est représentée par l'indice de réfraction de l'eau saline, qui passe de 1,3326 à 1,3505 RIU. Nous avons étudié la transmission normale à travers une dalle perforée de trous hexagonaux à intervalles triangulaires. Ensuite, les performances du capteur seront évaluées en calculant une variété de paramètres tels que le facteur de qualité (Q) et la sensibilité (S)29,30.

Nous examinons la modélisation théorique de la structure actuelle. La méthode des éléments finis [FEM] est la méthode mathématique fondamentale utilisée dans la procédure de simulation multiphysique COMSOL31,31. Comme nous l'avons montré sur la figure 1, la structure considérée est composée de trous hexagonaux forés qui unissent les cellules à l'intérieur d'une matrice de matériau hôte avec le réseau triangulaire dans deux directions et homogène dans la troisième direction, que nous pensons être des PC bidimensionnels.

Structure schématique des 2D-PC avec cellule unitaire hexagonale (A) surface de la structure avec les distances entre l'hexagone comme indiqué, (B) une cellule unitaire et (C) le tableau de la cellule unitaire dans la direction x.

Sur la figure 1, X est le paramètre de réseau diagonal (centre à centre), R est la demi-diagonale de la forme hexagonale et D est la distance perpendiculaire entre les deux hexagonaux diagonaux, comme indiqué. A est le paramètre de réseau dans la direction X comme indiqué, où

La structure considérée sur la figure 1 a plus d'un paramètre, tel que le paramètre de réseau (centre à centre), R, la demi-diagonale de la forme hexagonale, et D, la distance perpendiculaire entre deux hexagones diagonaux, comme indiqué. Par conséquent, nous étudions les propriétés optiques des structures considérées comme le montre la figure 1 pour obtenir la propriété de sensation élevée. Nous pouvons voir dans l'Eq. (3), l'indice de l'eau est dépendant de différents paramètres : salinité S (%), température de l'eau de mer (°C), et longueur d'onde (\(\lambda\)) en nm32,33.

Pour la structure considérée sur la figure 1, elle consiste en des trous hexagonaux percés dans un matériau hôte en dioxyde de titane. Tous les trous sont occupés par de l'air, on s'attend donc à ce que le trou central, qui est rempli d'eau salée, soit détecté. Enfin, la performance du capteur de salinité considéré est calculée par plusieurs facteurs comme nous l'avons mentionné. Les éq. (4, 5 et 6) ci-dessous sont couramment utilisés pour calculer ces valeurs34.

où \(\Delta \lambda\), \(\Delta n\) et \({\lambda }_{r}\) sont respectivement les différences de longueur d'onde, le changement d'indice de réfraction et la longueur d'onde centrale. FWHM représente les pleines ondes à mi-maximum.

Notre procédure de simulation est effectuée en deux dimensions, avec des propriétés homogènes dans la troisième dimension. Les conditions aux limites de la procédure de simulation pour les 2D-PC avec une cellule unitaire hexagonale d'eau salée sont des conditions périodiques pour les deux côtés perpendiculaires à la direction de propagation des ondes comme sur la figure 1C. De plus, la taille du maillage doit être 10 fois plus petite que la plus petite longueur d'onde incidente avec une taille triangulaire libre pour obtenir des résultats plus précis dans la méthode des éléments finis. Par conséquent, les paramètres de maillage de simulation sont la taille maximale de l'élément égale à \(70 (\mathrm{nm})\), la taille minimale de l'élément égale à 0,213 \((\mathrm{nm})\) et le taux de croissance maximal de l'élément est de 1,1. Nous substituons l'indice de réfraction du matériau hôte \((Ti{O}_{2})\) à 2,535 dans la partie des matériaux de définition du modèle.

Dans cette partie, nous présenterons les résultats théoriques et les discussions pour que la procédure d'optimisation de notre structure soit très sensible à tout changement de l'indice (n) d'une eau saline qui dépend de la salinité. Les résultats et les discussions présentés ici sont présentés en deux étapes : premièrement, nous optimiserons les PC hexagonaux 2D pour localiser la région de la bande interdite photonique à une gamme de fréquences spécifique liée aux propriétés optiques de l'eau de mer. Ensuite, à travers la deuxième étape, nous nous intéressons aux cristaux photoniques bidimensionnels défectueux, dans lesquels la couche défectueuse de la structure est l'eau saline. Enfin, nous pourrions atteindre l'état optimal du capteur de salinité en outre dans l'application de photodétection.

Ici, nous étudions l'effet de chaque paramètre, tel que le nombre de périodes (N), la demi-diagonale de la forme hexagonale (R) et la distance perpendiculaire entre deux cylindres hexagonaux diagonaux (D), sur les propriétés optiques de la structure considérée des PC 2D-hexagonaux, en particulier sur la largeur et la position du PBG. Ainsi, l'étude de l'effet du nombre de périodes est illustrée sur la figure 2. La figure 2 représente le spectre de transmission de la cellule unitaire hexagonale bidimensionnelle. Tous les cylindres (hexagonaux) avec un rayon \(( R)=80 \mathrm{nm}\), sont remplis d'air, et \(D=160 \mathrm{nm},\) au matériau hôte en dioxyde de titane \( (Ti{O}_{2})\) pour différentes valeurs de N comme indiqué. Ici, la position du PBG est presque constante en augmentant la valeur de N dans la plage de longueur d'onde approximativement de 940 à 1200 nm comme cela a été montré, mais cela provoque la netteté des bords du PBG.

Propriété de transmission d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec, \(R=80 nm\),\(D=160 nm,\) et tous les cylindres étant remplis d'air au niveau du matériau hôte de dioxyde de titane \((Ti{ O}_{2})\) avec des variations du nombre de périodes comme indiqué.

De plus, nous avons découvert que, pour des valeurs plus élevées de N périodes, les pics de résonance sont plus nets que les autres. Par conséquent, nous optimisons pour produire la structure complète pour ce nombre plus élevé de périodes afin d'améliorer la sensibilité de notre capteur. La figure 3 illustre la répartition des champs électriques à travers la structure considérée. Il localise également le champ électrique au sein des structures présentées, ce qui donne à la structure l'avantage de distinguer les différents indices de réfraction.

La distribution du champ électrique à l'intérieur de la structure d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(R=80 \mathrm{nm}\), \(D=160 \mathrm{nm},\) et tous les cylindres sont remplis d'air au matériau hôte du dioxyde de titane \((Ti{O}_{2})\). De plus, N périodes égalent 7 pour différentes valeurs de fréquence incidente comme dans (A) et (B).

Sur la figure 3, nous prenons un réseau de cellules unitaires hexagonales avec une couche d'adaptation parfaite dans la direction de propagation des ondes et une condition aux limites périodique dans la direction normale. Nous avons également étudié la répartition du champ électrique à l'intérieur de la structure, comme nous l'avons montré. Par conséquent, à cette certaine fréquence, comme nous l'avons montré sur la figure 3a, nous avons remarqué que la localisation du champ électrique sur le pore central est altérée. Par conséquent, nous utilisons cette fréquence pour différencier les différents analytes dans ce pore. Ensuite, nous optimisons la valeur de la distance perpendiculaire entre deux pores hexagonaux \((D)\) pour la localisation du PBG dans une région spécifique comme le montre la Fig. 4. Sur la Fig. 4, en augmentant la valeur des pics de résonance , ils deviennent plus nets que les autres et la région PBG est décalée vers les plus grandes longueurs d'onde.

Propriété de transmission d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(R=80 \mathrm{nm}\), \(N=11,\) et tous les cylindres sont remplis d'air au matériau hôte de dioxyde de titane \((Ti {O}_{2})\) à différentes valeurs de \(D\) comme indiqué.

Enfin, nous optimisons la valeur de R, qui est considérée comme la demi-diagonale de la forme hexagonale, comme nous l'avons vu précédemment dans la Sect. 2. L'objectif de l'optimisation est la localisation du PBG dans le spectre proche ou moyen infrarouge grâce aux propriétés optiques de l'eau. Sur la figure 5, en augmentant la valeur de \(R\), la largeur du PBG est augmentée et la position du PBG est décalée vers des longueurs d'onde plus longues, comme nous l'avons montré. Par conséquent, nous recueillons les derniers résultats dans le tableau 1, qui représentent le processus d'optimisation du PBG dans la plage de fréquences spécifique dont nous avons besoin pour notre application de capteur de salinité. À partir du tableau 1, pour localiser un PBG large dans le spectre IR, nous devons choisir la structure avec des valeurs plus élevées de chaque R et D.

Propriété de transmission de la cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(\mathrm{D}=120\mathrm{nm}\),\(\mathrm{N}=11,\) et tous les cylindres sont remplis d'air à l'hôte matériau à partir de dioxyde de titane \(({\mathrm{TiO}}_{2})\) à différentes valeurs de \(\mathrm{r}\) comme indiqué.

À la fin de cette sous-section, nous étudions les propriétés optiques de l'eau. On sait que la variation de l'indice de réfraction de l'eau dépend de la longueur d'onde incidente, et elle varie de 1,15 à 1,5 RIU. En conséquence, à la lumière visible, l'indice de réfraction de l'eau douce est approximativement égal à 1,33 RIU29. Par ailleurs, le coefficient d'extension de l'eau est également varié en fonction de la longueur d'onde. De plus, nous avons le spectre d'absorption de l'eau comme sur la figure 6, qui confirme que l'eau est transparente pour le spectre ultraviolet et visible en raison de sa faible absorbance pour ces longueurs d'onde, comme indiqué. De plus, l'eau est fortement absorbée dans le spectre IR moyen et lointain. Par conséquent, comme nous l'avons discuté précédemment dans la dernière section, l'indice d'eau saline passe de 1,3326 à 1,3505 RIU en raison de la variation du niveau de sel de 0 à 100 %. En conséquence, nous testons la capacité de notre structure à caractériser les différents indices de réfraction de l'eau salée comme mesure du niveau de salinité de l'eau de mer.

Spectre d'absorption de l'eau en fonction de la longueur d'onde incidente36.

Après l'optimisation des PC hexagonaux 2D, nous sommes devenus capables de localiser le PBG selon nos besoins pour toute application spécifique. Par conséquent, dans la sous-section suivante, nous étudierons les modes défaillants des dernières structures à être des capteurs de salinité pour l'eau salée dans les techniques de dessalement de l'eau.

Nous sommes préoccupés par la structure défectueuse du capteur de salinité. Notre structure est un cristal infini constitué de trous hexagonaux percés dans un matériau hôte de dioxyde de titane \((Ti{O}_{2})\), que nous pensons être des PC 2D, comme nous l'avons montré sur la figure 1. À l'exception du cylindre hexagonal central, qui contient l'eau salée à étudier, tous les cylindres hexagonaux de la figure 1 sont remplis d'air.

Sur la figure 7, la courbe du spectre de transmission est formée à l'aide de FEM. Sur la figure 7A, cette structure consiste en la cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(r=80 nm,\) \(D=80 nm\),\(et nombre de périodes (N)=5,\) au matériau hôte en dioxyde de titane \(\left(Ti{O}_{2}\right)\), et tous les cylindres sont remplis d'air. Comme nous l'avons montré, il existe un PBG formé dans la région spectrale de 549 à 813 nm. Lors de l'injection d'eau saline dans la partie centrale de la structure de la figure 7B, nous remarquons un pic de défaut à 565 nm. Cependant, nous ne sommes pas en mesure de différencier les différents indices de réfraction de l'eau salée, nous zoomons donc sur la plage de longueurs d'onde de 550 à 580 nm, comme indiqué sur la figure 7C. En conséquence, les attributs de ce capteur doivent être calculés : sensibilité \((S)=67 nm/RIU\), \(Q=128 ,\) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=15 {RIU}^{-1}\).

La propriété de transmission de la cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(\mathrm{R}=80\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=80\mathrm{ nm}\),\(\mathrm {N}=5,\mathrm{ et}\) le matériau hôte est le dioxyde de titane \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Tous les cylindres sont remplis d'air\(,\) (B) Tous les cylindres sont remplis d'air sauf le versage centré qui est rempli d'eau salée avec différentes valeurs d'indice de réfraction, et (C) zoom sur le pic de défaut sur la figure B .

Puis, en augmentant la dimension de la structure où,\(R=180 nm\), \(D=120 nm\),\(N=5,\mathrm{ et}\) le matériau hôte est le dioxyde de titane \( \left(Ti{O}_{2}\right)\), tous les cylindres sont remplis d'air. Comme nous l'avons montré sur la figure 8A, il existe un PBG formé dans la région spectrale de 922 à 1482 nm. Lors de l'injection d'eau saline dans la partie centrale de la structure de la figure 8B, nous remarquons un pic de défaut à 1000 nm. Cependant, nous ne sommes pas en mesure de différencier les différents indices de réfraction de l'eau salée, nous zoomons donc sur la plage de longueurs d'onde de 980 à 1020 nm, comme indiqué sur la figure 8C. En conséquence, les attributs de ce capteur doivent être calculés, sensibilité \((S)=200 nm/RIU\), \(Q=285,4 ,\) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=57 {RIU}^{-1}\).

Propriété de transmission d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(\mathrm{R}=180\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ et}\) le matériau hôte dioxyde de titane \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Tous les cylindres sont remplis d'air ; (B) Tous les cylindres sont remplis d'air à l'exception de la coulée centrée, qui est remplie d'eau salée avec des valeurs d'indice de réfraction variables ; et (C) zoomer sur le pic de défaut dans la figure (B).

De la même manière, nous sommes incapables de différencier les différents indices de réfraction de l'eau salée, nous zoomons donc sur la plage de longueurs d'onde de 550 à 580 nm, comme indiqué sur la figure 7C. En conséquence, les attributs de ce capteur doivent être calculés : sensibilité \((S)=67 nm/RIU\), \(Q=128 ,\) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=15 {RIU}^{-1}\).

Par la même procédure d'augmentation de la dimension de la structure, où, \(R=250 nm,\) et \(D=120 nm\), comme dans la Fig. 9, la sensibilité \((S)=279 nm/ RIU\), \(Q=324 ,\) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=75 {RIU}^{-1}\). Aussi, pour \(R=500 nm,\) et \(D=250 nm\), comme sur la Fig. 10, la sensibilité \((S)=525 nm/RIU\), \(Q=376 ,\ ) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=80.7 {RIU}^{-1}\). Nous avons donc une amélioration des performances de détection en augmentant la dimension de la structure considérée.

Propriété de transmission d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(\mathrm{R}=250\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=120\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ et}\) le matériau hôte est le dioxyde de titane \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Tous les cylindres sont remplis d'air ; (B) Tous les cylindres sont remplis d'air à l'exception de la coulée centrée, qui est remplie d'eau salée avec des valeurs d'indice de réfraction variables ; et (C) zoomer sur le pic de défaut dans la figure (B).

Propriété de transmission d'une cellule unitaire cylindrique hexagonale bidimensionnelle avec \(\mathrm{R}=500\mathrm{ nm}\) \(\mathrm{D}=250\mathrm{ nm}\),\(\mathrm{N }=5,\mathrm{ et}\) le matériau hôte est le dioxyde de titane \(\left({\mathrm{TiO}}_{2}\right)\). (A) Tous les cylindres sont remplis d'air ; (B) Tous les cylindres sont remplis d'air à l'exception de la coulée centrée, qui est remplie d'eau salée avec des valeurs d'indice de réfraction variables ; et (C) zoomer sur le pic de défaut dans la figure (B).

Le tableau 2 montre que les performances du capteur dépendent de la dimension de la structure, dont nous avons discuté précédemment dans cette partie. Par conséquent, nous traçons la relation entre les paramètres du capteur [S, Q et FOM] et la position du pic de défaut dans la région PBG, comme illustré à la Fig. 11. Nous avons remarqué que la sensibilité est augmentée en déplaçant le pic de défaut vers une longueur plus longue. longueurs d'onde (spectre Mid-IR). De plus, comme le montre la figure 11, le facteur de mérite (FOM) et le facteur de qualité (Q) semblent être constants dans les longueurs d'onde plus longues. Ainsi, la sensibilité de l'eau saline est atteinte à \(525 nm/RIU\) au niveau du pic de défaut situé au niveau du spectre IR moyen en raison de la forte absorbance de l'eau au niveau du spectre IR moyen, comme nous l'avons vu précédemment à la Fig. 6. Par conséquent, notre structure de cylindre hexagonal percé dans des matériaux hôtes à partir de dioxyde de titane a une grande capacité à déterminer l'indice de réfraction de l'eau saline, appelé niveau de salinité.

La dépendance des paramètres du capteur à la position du pic de défaut.

Ici, cette structure considérée à partir de la cellule unitaire hexagonale des 2D-PCs est une extension de nos travaux précédents pour les 2D-PCs avec une cellule unitaire circulaire qui ont été publiés à la science et l'ingénierie des matériaux B31. La sensibilité de la cellule unitaire circulaire est atteinte à 58 [nm/RIU] comme publié dans37,38.Ainsi, la comparaison entre les capteurs de salinité circulaire et hexagonale confirme que la forme hexagonale est une sensibilité élevée pour la salinité de l'eau plutôt que la structure conventionnelle de cellule unitaire circulaire.

Dans cet article, nous montrons comment utiliser des cristaux photoniques cylindriques hexagonaux bidimensionnels comme capteur de salinité. Nous concevons les structures de manière à ce que tous les cylindres hexagonaux de rayon r soient remplis d'air, à l'exception de la coulée centrée, qui est remplie d'eau salée avec des valeurs d'indice de réfraction variables [1,3326–1,3505 RIU]. Nous avons optimisé les cristaux photoniques hexagonaux bidimensionnels pour localiser la région de la bande interdite photonique dans la gamme de fréquences de l'infrarouge moyen car l'eau est un bon absorbeur pour cette gamme de fréquences. En ajustant la dimension du capteur sont : \(R=500 \mathrm{nm},\) et \(D=250 \mathrm{nm}\) pour donner un PBG de 2304 à 3566 nm, aussi, la sensibilité \ ((S)=525 nm/RIU\), \(Q=376 ,\) et facteur de mérite \(\left(FOM\right)=80,7 {RIU}^{-1}\). Nous avons une amélioration des performances de détection en augmentant la dimension de la structure considérée. La sensibilité est passée de 67 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (PBG dans le spectre visible) à 525 \(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU}\) (PBG à mi-IR spectre). Par conséquent, en augmentant les dimensions de la structure telles que R et D, la bande interdite photonique est décalée vers des longueurs d'onde plus longues et la sensibilité du capteur est augmentée. La méthode des éléments finis (FEM) du programme multiphysique COMSOL est utilisée dans nos procédures de modélisation et de simulation. Il a été prouvé que la conception actuelle peut déterminer l'indice de réfraction de l'eau salée qui correspond au niveau de salinité nécessaire pour mener le processus de dessalement. De plus, les attributs des dispositifs recommandés dans le domaine des applications photosensibles ont été mis en évidence par ces résultats.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Aucun code n'est utilisé dans cette étude.

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Les auteurs remercient le doyen de la recherche scientifique de l'université King Khalid d'avoir financé ce travail par le biais d'un projet de grands groupes sous le numéro de subvention RGP. 38/02/43.

Financement en libre accès fourni par The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en coopération avec The Egyptian Knowledge Bank (EKB). Les auteurs ne déclarent aucun fonds.

Groupe TH-PPM, Département de Physique, Faculté des Sciences, Université Beni-Suef, Beni Suef, 62514, Egypte

Hassan Sayed & Arafa H. Aly

Département de physique, Faculté des sciences, Université King Khalid, Abha, 62529, Arabie saoudite

M. Al-Dossari

Faculté de technologie et d'éducation, Université Beni-Suef, Beni Suef, 62521, Egypte

Mohamed A. Ismail

Département de physique, Collège universitaire d'Al-Aarda, Université de Jazan, Jazan, 82817, Arabie saoudite

Mohamed A. Ismail

Faculté des sciences, Université King Khalid, Mohayel Asser, Abha, 61421, Arabie saoudite

NS Abd El-Gawaad

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HS, AHA a conçu les dessins. AHA, HS, MA, MAI et NS ont conçu et réalisé les analyses. Logiciel réalisé par MAI et MA. AHA et HS ont analysé les résultats. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Arafa H. Aly.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sayed, H., Al-Dossari, M., Ismail, MA et al. Analyse des performances de la salinité basée sur un cristal photonique bidimensionnel hexagonal : étude computationnelle. Sci Rep 12, 22133 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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Reçu : 15 juillet 2022

Accepté : 01 décembre 2022

Publié: 22 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-25608-1

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