Grafeno

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 1975 (2023) Citar este artículo

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Una corrección del autor de este artículo se publicó el 14 de marzo de 2023

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Este trabajo propone un diseño novedoso compuesto por pinzas optofluídicas basadas en nanocintas de grafeno para manipular y clasificar biopartículas con radios inferiores a 2,5 nm. La estructura sugerida se ha investigado numéricamente mediante el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) que emplea el análisis de tensor de tensión (MST) de Maxwell. Se ha utilizado el método de elementos finitos (FEM) para obtener la respuesta electrostática de la estructura propuesta. El camino principal de la pinza es un canal principal en el centro de la estructura, donde el flujo de microfluidos traslada la nanopartícula hacia este canal. En cuanto a la fuerza de arrastre del microfluido, las nanopartículas tienden a moverse a lo largo del canal principal. Las nanocintas de grafeno se fijan cerca del canal principal a diferentes distancias para ejercer fuerzas ópticas sobre las nanopartículas en movimiento en la dirección perpendicular. En este sentido, los subcanales que se incrustan en la capa de hBN en el sustrato de Si desvían las biopartículas del camino principal para tamaños e índices de nanopartículas particulares. Dentro y alrededor de las cintas de grafeno se realizan puntos de acceso intensos con mejoras de campo eléctrico de hasta 900 veces más grandes que la luz incidente. Ajustar la distancia de separación entre la nanocinta de grafeno y el canal principal nos permite separar la partícula individual con un tamaño específico de otras, guiándola así en el subcanal deseado. Además, demostramos que en una estructura con un gran espacio entre canales, las partículas experimentan una intensidad de campo débil, lo que genera una fuerza óptica baja que es insuficiente para detectar, atrapar y manipular nanopartículas. Al variar el potencial químico del grafeno asociado con las variaciones de intensidad del campo eléctrico en las cintas de grafeno, nos dimos cuenta de la capacidad de ajuste en la clasificación de nanopartículas mientras los parámetros estructurales permanecían constantes. De hecho, al ajustar el nivel de Fermi de grafeno a través del voltaje de puerta aplicado, las nanopartículas con cualquier radio deseado se clasificarán rápidamente. Además, mostramos que la estructura propuesta podría clasificar nanopartículas en función de sus índices de refracción. Por lo tanto, la pinza optofluídica dada puede detectar fácilmente biopartículas, como células cancerosas y virus de tamaño pequeño.

El desarrollo de sistemas microfluídicos y optofluídicos va a desencadenar una revolución en diferentes campos como la física, la biología, la química, la medicina y la fotónica. Las características únicas de tales sistemas fluídicos incluyen un rendimiento rápido y no destructivo, bajo costo, alta eficiencia, múltiples aplicaciones y tamaño compacto. Además, los sistemas de clasificación de células microfluídicas han recibido mucha atención con una variedad de métodos para el control activo de los movimientos o el flujo celular, como la movilización electrocinética de fluidos para la clasificación de células bacterianas1,2 y las fuerzas dielectroforéticas3. Sin embargo, la vulnerabilidad de las células bajo campos muy intensos, baja velocidad e incompatibilidades de amortiguación perjudica la eficiencia de los diseños microfluídicos convencionales. Otra técnica para manipular y clasificar células en el control de flujo hidrodinámico se basa en chip dentro o fuera del chip, que se utiliza para clasificar células vivas debido a la menor vulnerabilidad de las células bajo un campo eléctrico alto. Sin embargo, este método adolece del tiempo de ciclo lento del interruptor mecánico y el volumen relativamente grande de fluidos en cada ciclo4,5.

En esta línea de investigación, las pinzas ópticas para atrapar y manipular células fueron introducidas por primera vez por Ashkin et al. en 19876. Se ha investigado la presión de radiación de un rayo láser enfocado resultante de las variaciones del momento de la luz para atrapar o empujar una sola célula o partícula en un medio fluídico sin ningún contacto físico. La fuerza impuesta sobre una partícula depende del tamaño y las propiedades ópticas de la partícula, así como del medio fluídico que la rodea. Este método inducido ópticamente abrió un nuevo enfoque prometedor para las redes de clasificación de células en un medio microfluídico. El primer sistema de clasificación de celdas individuales se introdujo en7, lo que permite atrapar o clasificar las celdas individuales mediante fuerzas ópticas impuestas. Por lo tanto, esta técnica resolvió los problemas mencionados en cuanto a su naturaleza no invasiva y capacidad para operar con una sola célula.

El principio de funcionamiento de las pinzas ópticas convencionales en la literatura8 se basa en interacciones ópticas de campo lejano. En estas pinzas, el punto focal de un objetivo de gran apertura numérica (NA) se ha utilizado a lo largo de caminos prolongados para ser más efectivos en distancias lejanas. Sin embargo, estos caminos de trampa prolongados conducen a inconvenientes. En primer lugar, es imposible observar la respuesta dinámica de moléculas individuales y, en segundo lugar, el límite de difracción restringe el diseño de sublongitud de onda de estas pinzas. Por lo tanto, se desarrolló una pinza óptica basada en un campo cercano u onda evanescente para resolver esta limitación9. En el contexto de las pinzas ópticas, se ha demostrado que la fuerza óptica de un campo evanescente es adecuada para manipular y atrapar micropartículas en la interfaz de dos medios con diferentes índices de refracción, como las interfaces vidrio/agua.

Sin embargo, tales ondas evanescentes no son lo suficientemente fuertes para atrapar y manipular nanopartículas. Por lo tanto, se ha empleado una punta metálica o nanoapertura para excitar ondas de plasmones superficiales (SP) para mejorar la mejora del campo cercano. Sin embargo, a pesar de su capacidad para desplazar células individuales de tamaño nanométrico, los plasmones superficiales inducidos en una punta metálica introducen enormes pérdidas por absorción que reducen la estabilidad de captura10,11.

En las últimas décadas, las aplicaciones basadas en plasmónicos de grafeno han atraído una atención significativa, como sensores12,13,14,15,16, moduladores17,18, fotodetectores19,20,21,22,23. Especialmente en los últimos años, se han introducido aplicaciones de plasmónica de grafeno en pinzas ópticas (PT)25,26,27,28,29,30,31 para abordar los inconvenientes mencionados y se han utilizado en sistemas optofluídicos para clasificar nanopartículas. Por ejemplo, in25, se proponen pinzas plasmónicas de grafeno activo y captura y clasificación de nanopartículas basadas en tamaño/RI con radios en el rango de 5 a 50 nm. La estructura está iluminada por un rayo láser en el rango de frecuencia IR medio de 4 a 8 µm y su longitud de onda e intensidad se mantienen constantes incluso para la funcionalidad de clasificación. Cada celda unitaria de la estructura está compuesta por una capa de grafeno sobre un nanoanillo metálico que está incrustado en SiO2. Dentro de los anillos se obtienen fuertes puntos calientes con mejoras de campo que alcanzan valores tan altos como 150 sin necesidad de bordes afilados convencionales en las estructuras plasmónicas. El grafeno, como material bidimensional, con características optoelectrónicas superiores, como absorción de luz de banda ancha, alta conductividad eléctrica y térmica, dinámica de portador de carga ultrarrápida y densidad de portador de carga sintonizable en puerta, es una alternativa prometedora a sus contrapartes metálicas para diseñar estructuras plasmónicas. Sin embargo, las características únicas del grafeno son vulnerables a su sustrato y se originan en la interacción de cada átomo de grafeno con el medio que lo rodea32.

Para mejorar el rendimiento del grafeno, hasta ahora se han estudiado diferentes sustratos, como Co33, Ni34, Ru35, Pt36, SiC37,38 y SiO2 para el grafeno. Los informes demuestran que el SiO2 como sustrato de grafeno convencional y ampliamente utilizado se ocupa de problemas como la reducción de la movilidad del portador a través de la dispersión en los estados de superficie cargados, las impurezas, la rugosidad de la superficie del sustrato y los fonones ópticos de la superficie. Por lo tanto, se requiere un sustrato para estructuras basadas en grafeno sin limitar sus propiedades únicas. Mientras tanto, los estudios muestran que el hBN (nitruro de boro hexagonal) con características prometedoras como sustrato de grafeno32,39,40 puede superar a otros materiales.

Decano et al. demostró los primeros transistores basados ​​en grafeno utilizando el sustrato hBN con mejoras significativas40. Esta mejora se originó en la movilidad del grafeno debido a la mayor reducción de las impurezas de la superficie asociadas con el bajo desajuste de red entre el grafeno y su sustrato hBN. El desajuste de la red de grafeno/hBN es solo del 1,7%, diez veces más pequeño que los sustratos convencionales de grafeno como el SiO240. La superficie plana de hBN, sin enlaces colgantes y sin cargas atrapadas en la superficie de hBN, lo convierten en un sustrato perfecto para una lámina de grafeno 2D41. La alta movilidad de los portadores mejora la propagación de ondas plasmónicas y la respuesta óptica del grafeno32,41,42. Además, hBN tiene excelentes propiedades físicas, como estabilidad a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, absorción óptica considerable43, interfaz de captura de neutrones, vida útil ultralarga del portador39 y afinidad electrónica negativa significativa32,40,44. La característica única del sándwich hBN/grafeno se investiga a fondo en el fotodetector de interferómetro de ondas Fabry-Perot de grafeno plasmónico19 en el que se utiliza hBN como sustrato para el grafeno en comparación con los sustratos convencionales como SiO245. En este trabajo mostramos que el uso de hBN en lugar de SiO2 alcanza la capacidad de respuesta del fotodetector más de 10 veces mayor, más debido a la alta movilidad del grafeno en hBN, el ancho de banda del fotodetector experimentó una inmensa mejora, así como la velocidad de fotodetección. Sin embargo, el uso de hBN debido a la naturaleza 2D de este material provoca algunas irregularidades en las características del grafeno que se estudiaron por completo en nuestro trabajo anterior46.

Este estudio propone una nueva estructura compuesta por nanocintas de grafeno incrustadas en hBN para atrapar nanopartículas con radios en el rango de 2,5 a 50 nm y clasificar nanopartículas por debajo de R = 2,5 nm. El principal mecanismo de manipulación de nanopartículas se basa en la excitación del plasmón de grafeno con una luz incidente polarizada en paralelo sobre la superficie del grafeno. Se ejerce una fuerza óptica adicional sobre las nanopartículas a través de nanocintas de grafeno perpendiculares a la fuerza de arrastre del líquido. Las nanopartículas en movimiento dentro del líquido se desvían de su trayectoria original en el canal principal en respuesta a la fuerza óptica ejercida en la dirección vertical (Fx), dirigiéndose así hacia las nanocintas adyacentes donde el campo eléctrico está significativamente confinado. Los puntos calientes del campo eléctrico en las nanocintas de grafeno son 900 veces más grandes que el incidente. La mejora del campo eléctrico en las nanocintas de grafeno es significativamente sensible al potencial químico del grafeno. Por lo tanto, las fuerzas ópticas en la dirección vertical (x) en las nanopartículas se pueden ajustar eligiendo correctamente el sesgo de la puerta y la distancia de separación optimizada entre el canal principal y las nanocintas de grafeno. Así, una desviación deseada de la nanopartícula nos permite dirigirla hacia las ramas de salida. La longitud de onda de resonancia de las cintas de grafeno se ajusta ajustando el nivel de Fermi del grafeno, lo que nos permite determinar el intervalo de longitud de onda operativa del sistema optofluídico propuesto. Finalmente, la repetición de este proceso conduce a que las partículas individuales con los tamaños o índices de refracción deseados se clasifiquen y dirijan a las ramas de salida.

La Figura 1 indica el esquema 3D de la estructura propuesta. Las cintas de grafeno con 60 nm de ancho y 500 nm de largo están incrustadas en la capa de hBN. Las capas de hBN se fijan en la parte superior e inferior de las nanocintas de grafeno. hBN como capa espaciadora aísla la cinta de grafeno del Si, actuando como puerta de grafeno en la parte inferior, y también evita el colapso de las nanopartículas en la parte superior de la estructura dentro del canal microfluídico. El grosor de las capas superior e inferior de hBN es de 30 nm; sin embargo, su grosor se reduce a 5 nm dentro de los canales de microfluidos, como se ve en el esquema de la sección transversal de la Fig. 1a. Se supone que las nanopartículas objetivo son esferas de poliestireno con n = 1,57 para radios en el rango de 2,5 nm a 50 nm. Se considera que el medio fluídico es agua con n = 1,33. La simulación de ondas electromagnéticas utilizando el método Maxwell Stress Tensor (MST) se realiza para calcular numéricamente las fuerzas ópticas impuestas. El canal principal es donde se empujan las nanopartículas con un líquido, como se ve en la Fig. 1b. El mecanismo de clasificación comienza con la partícula de mayor tamaño. Por ejemplo, se han representado las trayectorias de diversas nanopartículas con diferentes radios desde 10 nm hasta menos de 2,5 nm. Se ilustra que la fuerza ejercida experimentada por las partículas grandes es mayor que las más pequeñas. Por lo tanto, la primera nanocinta se fija en el primer subcanal con un espacio de mayor tamaño que otros espacios debido a la inmensa fuerza detectada por las partículas de 10 nm. De manera similar, la brecha para clasificar partículas de 5 nm es menor que la brecha de partículas de tamaño de 10 nm y mayor que la de partículas de tamaño de 2,5 nm. La vista superior de la estructura propuesta se muestra en la Fig. 1b.

(a) esquema tridimensional del clasificador de nanopartículas optofluídicas, (b) vista superior de la pinza propuesta.

En la Fig. 1b, se puede ver el algoritmo de clasificación de nanopartículas paso a paso. En el paso 1, todas las partículas ingresan desde el centro del canal principal en la dirección y, luego de pasar a través de la primera nanocinta de grafeno (GR1), todas las partículas se colocan en el medio de la cinta como lo indica la línea discontinua en la Fig. .1b, como resultado de la fuerza vertical de GR1 en la dirección x (Fx). Las nanopartículas continúan moviéndose bajo la influencia de la fuerza del líquido en la dirección y sin desviarse en la dirección x. Sin embargo, cuando la partícula se mueve en la dirección y y se acerca a la cinta de grafeno del subcanal (GR2), las partículas experimentan una fuerza de gradiente en la dirección x ejercida por el GR2, lo que conduce a una desviación de un específico (mayor) nanopartícula en la dirección x. Las partículas grandes detectan fuerzas más fuertes en la dirección x, por lo que la desviación de una partícula grande es más significativa que la de las más pequeñas. Por lo tanto, la partícula más grande cambia su camino hacia el GR2 y se filtra del canal principal. Debido a la interacción con el GR2 (que se muestra más adelante), el componente Fx de la fuerza que siente la nanopartícula se volvió cero, pero todavía tiene Fy para empujar las nanopartículas hacia la salida.1.

Vale la pena mencionar que, a pesar de clasificar la partícula más grande en el paso 1, las nanopartículas más pequeñas también sintieron fuerza en la dirección x y experimentaron una pequeña desviación del centro del canal principal. Por lo tanto, se coloca otra nanocinta de grafeno (GR3) en el canal principal para hacer retroceder la desviación no deseada hacia el centro del canal principal.

Del mismo modo, el paso 1 cuando las partículas se establecieron en el centro del canal principal, su Fx se convirtió en cero, pero aún se mueven en la dirección y debido a la fuerza del líquido. Cuando las partículas se acercan a GR4, la partícula de 5 nm de radio, que es la más grande después de clasificar las partículas de 10 nm, sintió un inmenso -Fx y como nanopartículas de 10 nm se desvían del canal principal y clasificadas por GR4 y siguen moviéndose en el segundo subcanal hacia el salida.2.

En el paso 3, las nanopartículas que quedaron en los canales principales tienen solo 2,5 nm y menos de 2,5 nm. por lo tanto, la más grande se desvió de su camino principal en el canal principal y cayó en la trampa por GR5 en la dirección x, pero igualmente otras nanopartículas se liberaron en la dirección y y siguieron moviéndose hacia la salida.3.

En el paso 4, debido al tamaño muy pequeño de las nanopartículas, no es necesario establecer otra nanocinta de grafeno en el canal principal porque su desviación no deseada es casi cero, por lo que las nanopartículas restantes con tamaños muy pequeños de R < 2.5 nm siguen moviéndose hacia a la salida 4 considerando el final del camino principal como otra salida para las nanopartículas remanentes en la muestra microfluídica en el canal principal.

Otra característica notable de este diseño es que a medida que el tamaño de las partículas se vuelve más pequeño, el espacio entre la cinta y el canal principal se vuelve más pequeño hasta que la pequeña partícula detecta suficiente Fx para desviarse de su trayectoria actual. Por otro lado, si este espacio es demasiado pequeño, la desviación de la partícula se vuelve muy grande y la cinta no puede atrapar la partícula; asimismo, si el gap es demasiado grande, la partícula ∆x será despreciable y se desplazará por el canal principal.

En el análisis óptico, consideramos una fuente de onda plana de campo disperso total (TFSF) con una intensidad constante de 0,6 mW/ µm2. Se supone que esta fuente está polarizada a lo largo de la superficie del grafeno con la dirección de propagación normal a la superficie de la estructura. El método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) y las capas perfectamente adaptadas (PML) se emplean en todas las direcciones en nuestras simulaciones. La altura del dominio de simulación (a lo largo de z) es de 5 µm, y la fuente de onda plana se coloca 2 µm por encima de la superficie de grafeno.

El grafeno se modela como una lámina bidimensional en el análisis FDTD y, según45,47, su conductividad superficial se describe mediante la aproximación de fase aleatoria (RPA) que viene dada por:

donde ħ es la constante de Plank reducida, T es la temperatura, ω es la frecuencia angular, μc es el potencial químico, Γ es la tasa de dispersión fenomenológica que se supone independiente de la energía εσ y fd (εσ) es el Fermi– Función de distribución de Dirac. Las partes real e imaginaria de la conductividad superficial del grafeno frente al potencial químico se ilustran en la Fig. 2.

(a) Partes reales y (b) imaginarias de la conductividad de la superficie del grafeno frente a la longitud de onda y el potencial químico (µc), (c) variación del potencial químico frente al voltaje de la puerta, y la densidad del portador de carga total e inducida por la puerta en la superficie del grafeno .

Al igual que un capacitor de placas paralelas, los portadores de carga se acumularán en la lámina de grafeno ya que se aplica un voltaje de compuerta al Si como otra placa del capacitor. La densidad del portador de carga inducida por el voltaje de la puerta se puede obtener mediante ng = Cg (Vg-Vdirac)/q, en la que Cg es la capacitancia de la puerta, Vdirac es el voltaje de la puerta aplicado correspondiente a Ef = 0 en el grafeno, Vg es el voltaje aplicado a la puerta y q es la unidad de carga. La acumulación de portadores de carga en el grafeno cambia el nivel de Fermi para que este cambio frente al voltaje de la puerta se pueda calcular a través de la ecuación. (2).

En esta ecuación, ε0, εr y dox son la permitividad del vacío, la permitividad dieléctrica y el espesor dieléctrico46,48, respectivamente. La Figura 2c demuestra el cambio de potencial químico del grafeno como una función de voltaje de puerta. El recuadro representa la densidad del portador de carga total e inducida por la puerta de la superficie de grafeno como una placa de condensador. En nuestro trabajo anterior19, se explicó con más detalle el análisis electromagnético de dispositivos basados ​​en grafeno utilizando el método FEM y el modelo de capacitor de placas paralelas.

En el clasificador de nanopartículas dado, el hBN se modela como material a granel anisotrópico con partes reales e imaginarias paralelas y perpendiculares de las funciones de permitividad obtenidas de la ecuación. (3). Este material es un cristal de van der Waals con dos tipos de modos de fonones activos IR relevantes para su hiperbolicidad39.

donde m = ⊥, //, ϵ∞,⊥ = 4,87, ϵ∞,∥ = 2,95, Γ⊥ = 5 cm−1 y Γ∥ = 4 cm−142,43,49,50. Las partes real e imaginaria de la permitividad anisotrópica de hBN en función del rango de longitud de onda también se ilustran en la Fig. 3. La parte imaginaria de la permitividad en ambas direcciones es casi cero. Por lo tanto, hBN actúa como un material dieléctrico sin pérdidas en este rango de longitud de onda y un sustrato perfecto para las cintas de grafeno. Modos de fonones fuera del plano con ωTO = 780 cm−1 y ωLO = 830 cm−1, y modos de fonones en el plano con ωTO = 1370 cm−1, ωLO = 1610 cm−1 (ϵ⊥ < 0, ϵ∥ > 0) se extraen de42. Además, la permitividad del Si se toma de 51 y se ilustra en la Fig. 3c. Como es claro, en el rango de longitud de onda de 3-6 µm, la parte real de su permitividad cambia solo 0.1 y su parte imaginaria es siempre alrededor de cero.

Las partes real (a) e imaginaria (b) de la permitividad anisotrópica de hBN (c) Las partes real e imaginaria de la permitividad de Si en función de la longitud de onda, respectivamente.

La pila de grafeno-hBN se puede crear transfiriendo grafeno en seco sobre cristal grueso de hBN cortado mecánicamente, como se describe en52. Para fabricar nanocintas de grafeno en una superficie de hBN, se puede usar un método de transferencia mecánica52 para depositar grafeno en sustratos de hBN, que es un método especial para transferir grafeno de un sustrato a una ubicación exacta en otro sustrato (en este caso, una escama de hBN). este método se puede utilizar para fabricar nanocintas de grafeno multicapa53. En este método, se tiene un cuidado extremo para reducir los residuos de agua y se denomina "método de transferencia en seco". Adoptaron el método de transferencia en seco a nuestras necesidades. Un método de transferencia en seco consta principalmente de cuatro pasos, como se ilustra en el paso A, el PMMA (que lleva el grafeno) se suspende en una ventana de plástico que se ha adherido al chip mediante el uso de cinta de doble cara en el lado del PMMA. A continuación, en el paso B, la película de PVA de sacrificio se disuelve en agua desionizada para liberar la película de PMMA de su sustrato. El grafeno está encima del PMMA por lo que nunca estará en contacto con el agua. En el paso C, adhirieron la membrana de PMMA a un portaobjetos de transferencia de aluminio, que se sujeta a un alineador de máscara modificado. Durante el proceso de transferencia, fijan el sustrato que contiene hBN en el soporte. En el paso D, utilizando los micromanipuladores de máscara óptica, alinean las escamas de grafeno con el cristal de hBN y bajan el lado del polímero sobre el sustrato. Cuando el polímero toca el sustrato, hace un fuerte contacto con el sustrato de SiO2. Luego, cierran la válvula de nitrógeno del alineador de la máscara y bajan el sustrato del soporte junto con el polímero PMMA adherido a él. Finalmente, pusieron el sustrato con escamas de hBN objetivo en un calentador hecho a medida que configuraron a 110 °C para mejorar la adhesión entre el grafeno y el hBN durante al menos 10 minutos. A continuación, se deja enfriar la muestra y se elimina el PMMA con acetona e isopropanol (IPA). Como la limpieza química con disolventes orgánicos siempre deja algunos residuos, también recocen las muestras. En esta etapa, calientan las muestras lentamente a 400 ˚C en un horno tubular formando un ambiente de gas y las hierven allí durante aproximadamente 3 h antes de enfriarlas lentamente a temperatura ambiente. Este tratamiento es muy eficaz para eliminar los residuos de polímeros del transfer.

Dado que este método de fabricación requiere solo un paso de limpieza, permite una preparación rápida del dispositivo de grafeno en hBN con pequeñas burbujas y arrugas. Las mediciones de transporte eléctrico de los dispositivos de grafeno en hBN tienen movilidades y falta de homogeneidad del portador que son casi un orden de magnitud mejores que los dispositivos en SiO2.

El principio de las pinzas ópticas se basa en la observación de que la luz posee impulso. La fuerza de dispersión y la fuerza de gradiente son las dos formas más frecuentes de fuerzas ópticas. La fuerza de dispersión resulta de la conversión del momento fotónico, mientras que la fuerza de gradiente surge cuando la distribución del campo de luz no es uniforme. Sin embargo, en la partícula de Rayleigh (a⟪λ) la fuerza de dispersión es insignificante. Para evaluar las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula al principio, integramos MST en la superficie de la partícula54. La fuerza óptica media ejercida viene dada por:

donde n es la unidad normal del vector que apunta hacia el exterior de la superficie S que encierra la partícula, y TM es el tensor de tensión de Maxwell obtenido por la ecuación. (5):

donde εT y µT representan la permitividad y permeabilidad del medio, y E y H son los vectores de intensidad de campo eléctrico y magnético. r y t representan el vector de posición y el tiempo, respectivamente.

Cuando la partícula es guiada por el campo evanescente y se mueve a lo largo de un sustrato plano en un canal de flujo y es empujada por una fuerza de dispersión dependiendo de su radio y distancia del sustrato, experimenta el arrastre de Stokes55, que se describe por:

donde µf, v, a y h son la viscosidad del agua que se toma como 0,89 mPa.s en la habitación56, la velocidad de la partícula, el radio de la partícula y la distancia entre la superficie y el centro de la partícula, respectivamente.

Como se discutió anteriormente, un incremento del nivel de Fermi del grafeno hace que el efecto plasmónico sea más robusto y mejora el campo eléctrico en la superficie de la cinta. La figura 4a representa la fuerza total que siente una partícula de 20 nm frente al potencial químico del grafeno y la longitud de onda de la luz incidente. Está claro que la fuerza total alcanza su valor máximo en el rango de longitud de onda de 4 a 4,5 µm y el potencial químico del grafeno de 1 a 1,3 eV; la fuerza máxima que siente cualquier partícula ocurre a una longitud de onda de resonancia de 4,26 µm, y el potencial químico del grafeno es de 1,15 eV. La figura 4b ilustra la mejora del campo eléctrico y la variación de la longitud de onda de resonancia en función del potencial químico del grafeno. La magnitud del campo eléctrico en la longitud de onda de resonancia de 4,26 µm se vuelve 1800 veces mayor que el campo eléctrico de la fuente.

(a) La fuerza total que siente una partícula con un radio de 20 nm en función del potencial químico del grafeno y la longitud de onda de la luz incidente (b) mejora del campo eléctrico y variación de la longitud de onda de resonancia frente al potencial químico del grafeno.

Según la Fig. 4b, con un potencial químico del grafeno de alrededor de 1,2 eV, el campo eléctrico alcanza su valor máximo en la superficie de la cinta de grafeno (sección transversal). Sin embargo, dado que el potencial químico del grafeno aumenta a 1,25 eV, el campo eléctrico disminuye hasta llegar a cero y las propiedades ópticas del grafeno desaparecen. Por lo tanto, no hay ninguna cinta de grafeno que afecte a las nanopartículas.

Aquí, suponemos una estructura con solo dos canales para analizar la función del clasificador. Uno de estos canales es el principal y, y el otro está ubicado en el sustrato con un espacio definido y su ancho es de 120 nm en la dirección x. La figura 5a demuestra el Fx ejercido sobre nanopartículas de diferentes tamaños, que se fijan en el centro del canal principal, donde la cinta de grafeno en el segundo canal tiene un espacio de 117 nm desde el canal principal. Las partículas más grandes experimentan una fuerza más significativa. En la Fig. 5a, para partículas con R = 15, 20 y 30 nm, Fx se calcula para la longitud de onda de fuente constante de 4,44 µm, que es la longitud de onda de resonancia plasmónica de las cintas de grafeno. Para nanopartículas con diferentes tamaños, el valor de µc es constante. La figura 5b representa la fuerza ejercida sobre las mismas nanopartículas frente a la longitud de onda de la luz incidente con un potencial químico de grafeno fijo de 1,15 eV. Se puede ver que el confinamiento del campo eléctrico alcanza su valor máximo cuando la longitud de onda de la luz incidente es de 4,44 µm. Esta figura muestra que la fuerza ejercida sobre las partículas depende en gran medida del tamaño de estas partículas, pero la longitud de onda de resonancia no varía con el tamaño de las partículas.

Fx de partículas con R = 15, 20 y 30 nm en (a) λ = 4,26 µm y µc entre 0,8 y 1,7 eV y en (b) λR entre 3,8 y 4,7 µm y µc = 1,25 eV.

La figura 6a representa el campo eléctrico total en la superficie de grafeno y la figura 6b muestra el campo eléctrico total en la superficie xz de la cinta de grafeno. El campo eléctrico en los bordes de la línea lateral aumenta significativamente a 1500 pliegues. La cinta de grafeno está en estado activado en la longitud de onda de resonancia. Como se muestra en la Fig. 6a,b, el gradiente de campo tanto en el centro de la cinta como en los dos bordes laterales en su centro es más alto que en otras partes y alcanza su valor máximo en dos lados de las cintas. Los puntos calientes del campo eléctrico se forman en los bordes de la cinta. Las figuras 6c, d representan los componentes x e y del perfil del campo eléctrico junto con la dirección de la fuerza óptica en varias posiciones. Se puede ver que la componente y del campo eléctrico es demasiado pequeña que la componente x. Por lo tanto, la partícula experimenta una fuerza óptica más pequeña a lo largo de la dirección y, que puede ignorarse en comparación con otros componentes de la fuerza óptica. La razón es que la fuente está polarizada x, perpendicular a la subsuperficie de grafeno.

Representa la componente total del campo eléctrico en la vista superior (a), la vista transversal del campo eléctrico total (b), la componente x del campo eléctrico en la vista superior (c) y la componente y de el campo eléctrico desde la vista superior (d).

La figura 7b representa la fuerza óptica inducida en la partícula de 20 nm en todas las direcciones cuando se mueve perpendicularmente a la cinta de grafeno. Como puede verse, cuanto más se mueve la partícula hacia la nanocinta, más fuerza siente. Fx tiene dos picos cuando la nanopartícula alcanza dos lados de la nanocinta de grafeno; mientras tanto, en el centro de la cinta, Fx es cero debido a la simetría de la estructura. Cuando la partícula cruza la nanocinta, Fx es negativa y tira de la partícula hacia el centro de la cinta, donde queda atrapada. En el caso de Fz, siempre es una fuerza opuesta que tira de la nanopartícula hacia la superficie de la estructura y, a diferencia de Fx, tiene una cantidad máxima en el centro de la cinta. Además, como se muestra en la Fig. 7a, cuando las nanopartículas se mueven a lo largo de la dirección y con un espacio constante desde la cinta en x = 0 fijo, Fx y Fz tienen valores máximos en el centro de la cinta. Además, Fy es casi despreciable en la dirección y. Vale la pena mencionar que aquí el análisis dinámico aún no se investiga, y las figuras muestran que las nanocintas pueden atrapar partículas de cualquier tamaño. El estado dinámico del sistema propuesto se investigará ampliamente en la siguiente sección.

Fuerzas que siente una partícula R = 20 nm cuando (a) está fija en x = 0 y se mueve a lo largo del canal con G = 117 nm y (b) está fija en y = 0 y se mueve a lo ancho del canal con G = 117 y su potencial de atrapamiento.

La brecha entre las nanopartículas y la cinta de grafeno afecta significativamente la fuerza óptica experimentada por las nanopartículas que se mueven en el canal principal. La fuerza ejercida aumenta al disminuir el espacio entre ellos. La Figura 8b ilustró la proporción de brecha y Fx ejercida por cinco nanopartículas diferentes cuando se fijan en x = y = 0. Esta figura muestra que la fuerza disminuye al aumentar la distancia entre la nanopartícula y la cinta de 10 a 170 nm. Además, el ancho y la longitud de la nanocinta de grafeno pueden imponer una mejora del campo eléctrico de modo que la fuerza ejercida por la nanopartícula se vea afectada, como se muestra en la Fig. 8a. al calcular la fuerza de la nanopartícula con un radio de 20 nm para anchos entre 30 y 120 y longitudes de 100 a 700, se puede ver que la mayor fuerza se logra con un ancho = 60 nm y una longitud superior a 500. Además, se puede visto que a W = 60 nm, Fx ejercido sobre la nanopartícula tiene el valor máximo en la dirección x. Además, el tamaño de las partículas y las fuerzas ópticas pueden variar la fuerza de arrastre que sienten las nanopartículas inducidas por el flujo de microfluidos en la entrada. La figura 8c representa la relación entre la fuerza de arrastre con el tamaño de partícula y la componente x de fuerza que siente la nanopartícula; aquí, la brecha se fija en 117 nm. Ambas fuerzas aumentan al aumentar el tamaño de las partículas, y las variaciones de FX con el tamaño de las partículas permiten clasificar las partículas en función de su tamaño.

Fx para (a) una partícula R = 15 nm L = 500 y w entre 30 y 120 y w = 60 nm y L entre 100 y 700 (b) R = 10 a 30 nm y G entre 10 y 170 nm (c) arrastre y Fx para partículas con R = 5,10,15,20,25 y 30 nm.

Hemos investigado estáticamente los parámetros que afectan a la manipulación de nanopartículas. A continuación, se evalúan las simulaciones de estructuras dinámicas, lo que nos brinda información más interesante sobre la estructura diseñada. Aquí investigamos el movimiento de la partícula a lo largo del canal con respecto al tiempo para diferentes espacios y tamaños. Dado que las variaciones de la brecha afectan el Fx inducido en una nanopartícula, experimenta una trayectoria diferente. Sin embargo, cuando el espacio se fija en su valor optimizado, la nanopartícula queda atrapada por encima de la cinta. Por el contrario, las nanopartículas siguen moviéndose en el canal principal en grandes espacios.

La Figura 11 representa la simulación dinámica de la partícula atrapada con un radio de 10 nm y brecha = 117 nm. La fuerza componente x cuando la partícula alcanza el área de la cinta tiene valores positivos y negativos. La partícula no tiene movimiento en la dirección x cuando se cambia el signo de la fuerza inducida. Sin embargo, a medida que la partícula avanza por una fuerza de arrastre, Fx aumenta y la partícula se desvía del canal principal y se mueve hacia la cinta. En la brecha pequeña, Fx alcanza un valor alto.

La partícula pasa a través de la cinta debido al impulso de la partícula, similar a la Fig. 9b. La fuerza tira de la partícula hacia la cinta; este movimiento continúa hasta que la fuerza se amortigua y permanece constante en cero. En comparación, la Fig. 11a,b, que muestra la fuerza y ​​la posición de la partícula en el dominio del tiempo, se puede realizar alrededor de 0,36 um, Fx ha amortiguado el movimiento de la partícula en la dirección x y se ha vuelto constante. En otras palabras, el campo electromagnético de la cinta lo atrapa. Después de que la partícula queda atrapada, se mueve a lo largo de la dirección y con respecto a la fuerza de arrastre que se muestra en la Fig. 8. Su dirección x se fija en 161 nm ya que no se ejerce fuerza sobre la partícula en la dirección x, lo que lleva a clasificar esta partícula específica. radio desde un radio más pequeño en el canal principal. Las Figuras 9c,d representan la misma partícula, sin embargo, con un espacio mayor de G = 125 nm. Como se muestra a 0,4 µS, Fx tiene el valor positivo máximo, lo que significa que la partícula sintió fuerza en la dirección + x. Sin embargo, debido al gran espacio y la baja fuerza ejercida sobre la partícula, la posición de la partícula no tiene un cambio considerable en la dirección x y sigue moviéndose en el canal principal.

(a, b) Fuerza y ​​posición en función del tiempo para una nanopartícula con R = 10 nm y G = 117 nm, respectivamente. ( c, d ) Fuerza y ​​posición en función del tiempo para una nanopartícula con R = 10 nm y G = 125 nm respectivamente.

En particular, cuando se clasifica la partícula más grande, la partícula más pequeña se desvía de su camino principal. Sin embargo, debido a Fx menor en comparación con la partícula atrapada, permanece en el canal principal, como se muestra en la Fig. 9. Para retirar la partícula no deseada desviada del centro del canal principal; como se puede ver en la Fig. 1b, colocamos otra cinta en el centro del canal principal que hace que la partícula sin clasificar se fije nuevamente en el centro del canal.

La Figura 10a–f representa la simulación en el dominio del tiempo de nanopartículas más grandes con radios de 15, 20 y 30 nm. Como puede verse en la Fig. 12a, la partícula de 15 nm está completamente atrapada en el centro de la cinta, donde x = 155 nm con G = 125 nm; en este caso, debido al tamaño de partícula más grande en comparación con R = 10 nm, Fx tarda más en alcanzar el estado estacionario, en otras palabras, la partícula recorre 2 o 3 veces la cinta hasta que queda atrapada en el centro de la cinta según la Fig. .10una partícula después de 0,45 µs alcanza el estado estacionario y queda atrapada en el centro de la cinta. Aunque Fz siempre tiene un valor negativo, experimenta una notable variación en el tiempo. La razón es que en el centro de la cinta, Fz alcanza su valor máximo, por lo tanto, Fz alcanza su punto máximo cada vez que la partícula pasa por el centro de la nanocinta. Las Figuras 10c,d representan la respuesta dinámica de partículas con R = 20 nm; como puede verse, después de t = 0,48 µs, la partícula alcanza un estado estacionario y queda atrapada en el centro de la cinta x = 170 nm. Las figuras 10e,f representan la respuesta dinámica de partículas con R = 30 nm cuando G = 170 nm. Como se puede ver al comparar partículas con un radio de 20 y 30 nm, las partículas más grandes tardan más en amortiguarse, y la cantidad de veces que pasa a través de la cinta para alcanzar el estado de amortiguación es mayor. Se puede ver en la Fig. 10f una partícula en t = 0,4 µs atrapada en el punto fijo x = 200 nm.

Fuerza y ​​posición para nanopartículas con (a, b) R = 15 nm y G = 125 nm. (c, d) R = 20 nm y G = 140 nm. (e, f) R = 30 nm y G = 170 nm.

Fuerza y ​​posición versus tiempo para nanopartículas con (a) y (b) R = 2,5 nm y G = 55 nm y (c), (d) R = 5 nm y G = 90 nm.

Una de las características notables de esta estructura es la clasificación de partículas diminutas. Como se muestra en la Fig. 11, las partículas con radios de 5 y 2,5 nm quedan atrapadas cuando la cinta se fija a G = 90 nm y G = 55 nm, respectivamente. Al clasificar las nanopartículas de 2,5 nm en el canal principal, solo las partículas con radios menores a 2,5 nm permanecen y se mueven hacia la salida del canal principal. La figura 11 muestra cómo se pueden clasificar rápidamente las nanopartículas pequeñas haciendo cintas más cerca del canal principal. Como se discutió anteriormente, las nanopartículas pequeñas sintieron una fuerza pequeña en comparación con las más grandes. Por lo tanto, para desear clasificar las partículas pequeñas, la cinta debe fijarse en espacios pequeños. Como puede verse en la Fig. 11a, la partícula con un radio de 2,5 nm puede desviarse de su trayectoria principal y quedar atrapada en el centro de la cinta donde x = 85 nm fijando la cinta con G = 55 nm. la partícula, como se discutió anteriormente, se mueve más rápido en comparación con partículas más grandes. Por lo tanto, queda atrapado muy pronto en t = 0,215 µs. Después de este tiempo, la componente x de la partícula se vuelve fija y la componente y sigue moviéndose hacia un valor más extenso hasta que alcanza el borde de la estructura y su salida. Del mismo modo, la respuesta dinámica de partículas de 5 nm que se muestra en la Fig. 11c, d. Como se puede ver en las partículas más pequeñas, la fuerza en función del tiempo tiene solo un patrón sinusoidal; sin embargo, ya no se observa un comportamiento sinusoidal en el diagrama de posición en términos de tiempo que se muestran en la Fig. 11a,b respectivamente. La razón es que las partículas diminutas tienen masas pequeñas; por lo tanto, el impulso de este artículo también es pequeño para superar la velocidad de la partícula en la cinta y atraparla más fácilmente. La partícula de 5 nm queda atrapada cuando el espacio de la cinta se fija a G = 90 nm en su componente x a 125 nm después de t = 0,32 µs.

Fuerza y ​​potencial de atrapamiento versus x para nanopartículas (a) R = 5 nm y G = 90 nm (b) R = 10 nm y G = 117.

Las Figuras 12a,b representan la fuerza de la nanopartícula y la energía potencial de captura en la dirección x para R = 5 nm y R = 10 nm, respectivamente. Como puede verse, la energía potencial de atrapamiento es superior a 10 KBT para ambas partículas. Por otro lado, el potencial químico alcanza su punto máximo alrededor de 120 y 90 nm, igual a la G de ambas partículas, lo que significa que el potencial de atrapamiento tiene el valor máximo en el lado izquierdo de la cinta. Del mismo modo, el signo de cambio de fuerza en los picos químicos potenciales significa que cuando la trayectoria de la partícula en el lado izquierdo de la cinta Fx intenta retroceder hacia la cinta, se necesita más fuerza negativa para superar su impulso inicial debido a la velocidad de la partícula. Está claro a partir de ambas figuras que el signo negativo de la fuerza es mayor que el signo positivo, como resultado del momento inicial de las partículas.

La Figura 13 indica la trayectoria de las nanopartículas a lo largo del tiempo en la brecha del umbral con el desplazamiento de partículas 5 nm más pequeñas de las partículas atrapadas. Como se muestra en la Fig. 13a, la partícula con R = 5 se desvió completamente del canal principal. Por el contrario, el más pequeño con R = 2,5 nm tiene un desplazamiento insignificante. Sin embargo, cuando el tamaño de las partículas se vuelve más prominente, el desplazamiento de las más pequeñas también se vuelve grande. Se muestra en la Fig. 13b, en la que la partícula con R = 10 nm se desvió del canal principal, pero el desplazamiento de la partícula de 5 nm es de unos 15 nm. Sin embargo, permanece en el canal principal y, en el siguiente paso, la cinta colocada en la ruta del canal lo tira hacia el centro. La figura 13c representa el camino en el que se mueve la nanopartícula R = 15 nm desviada a lo largo del tiempo. La pequeña desviación de la partícula no es suficiente para cambiar considerablemente su componente x, el desplazamiento de la partícula no deseada, que para una partícula de 10 nm, es de solo 13 nm. Asimismo, en la Fig. 13d, se muestra la trayectoria en la que se mueve la partícula con R = 20 nm, y el desplazamiento de la partícula desviada no deseada es de 25 nm y permanece en el canal principal.

Desplazamiento de nanopartículas con (a) R = 2,5 y 5 con G = 90 nm (b) R = 5 y 10 con G = 120 nm (c) R = 10 y 15 con G = 125 nm (d) R = 15 y 20 con G = 140 nm y (e) representa la respuesta dinámica de R = 15 y 20 nm igual que (d) cuando está presente la nanocinta de grafeno ubicada en el canal principal.

Como se muestra en la Fig. 13d, aunque R = 20 nm se separó del canal principal fijando Gth en 140 nm, la partícula más pequeña que tiene un radio de R = 15 nm posee una desviación no deseada de Δx = 25 nm, y como se puede apreciar llega hasta el borde del canal principal, lo cual no es deseable. La figura 13e representa cómo el grafeno ubicado en el canal principal soluciona este problema. Por lo tanto, la funcionalidad de las nanocintas de grafeno en el canal principal se puede ver claramente aquí, lo que evita que se muevan nanopartículas de R = 15 nm en la ruta de devoción no deseada. (ver información complementaria Gif. 3).

Analizamos el impacto de la variación del índice de refracción (IR) de las nanopartículas en la manipulación. al disminuir el RI de la nanopartícula, el diferencial entre el RI medio y la nanopartícula disminuye, lo que conduce a un campo electromagnético débil y por lo que la fuerza ejercida sobre la nanopartícula disminuye. como indica la Fig. 14a,b, cuando el RI cambia de 1,57 a 1,5, la brecha del umbral no puede atrapar las nanopartículas. Además de esto, la Fig. 14c ilustra el mecanismo de atrapamiento de partículas con radios de R = 20, 15 nm y g = 125 nm. En esta figura, el eje x es la componente x de la velocidad de la partícula y el eje y es la componente x del vector de posición de la partícula. Inicialmente, cuando las nanopartículas R = 15 nm se ubican en el centro del canal, una fuerza positiva aumenta la velocidad de la partícula, moviéndola hacia el borde del centro de la cinta. Sin embargo, una vez que la partícula alcanza x = 125 nm, la dirección de la fuerza se invierte, lo que provoca la tracción de la nanopartícula en lugar de empujarla y la disminución de la velocidad de la partícula. Cuando la nanopartícula pasa x = 190 nm (fuera de la cinta en la dirección x) debido al FX negativo, regresa a la izquierda de la cinta y la nanopartícula experimenta una velocidad negativa. Eventualmente, la dirección de la velocidad se invierte y las partículas caen en la trampa en un patrón sinusoidal al repetir estos pasos; la partícula con R = 15 nm y G = 125 nm está amortiguada y su velocidad llega a cero como se esperaba en el centro de la cinta. Por el contrario, el recuadro de la Fig. 14c representa una partícula sin clasificar debido a una nanopartícula grande. Como se muestra, la partícula experimentó una fluctuación de un paso; sin embargo, en el segundo paso, debido al alto momento de la partícula R = 20 nm, escapa del rango del efecto de cinta y su campo electromagnético hacia el lado derecho de la cinta y x grande. Por lo tanto, la posición x de esta partícula no se puede fijar y sale del subcanal. Para ver la forma de animación de la respuesta dinámica de la figura 13a-e, consulte la información complementaria.

Desplazamiento de nanopartículas con (a) R = 10 y G = 117 (b) R = 5 y G = 90 cuando el RI de nanopartículas es n = 1,5. (c) Velocidad de nanopartícula con R = 15 nm y R = 20 nm con G = 125.

Finalmente, se exploran las brechas de umbral entre varios tamaños de partículas. La Figura 15a muestra el resultado final. Este estudio considera piezas con un radio de 2,5 a 30 nm. Como se indicó anteriormente, las partículas más pequeñas requieren espacios más pequeños para quedar atrapadas de manera estable, mientras que las partículas más grandes requieren espacios más grandes. Además, cuántas nanopartículas cerca de la cinta presenciaron un campo electromagnético más grande y, como resultado, fuerzas más altas.

Brecha de umbral (a) y potencial químico de umbral de nanocintas de grafeno (b) en función de nanopartículas clasificadas con radios de 2,5 a 50 nm.

Como dijimos al principio, la estructura propuesta también puede clasificar nanopartículas solo con un subcanal o nanocinta en un espacio constante. El mecanismo físico es el mismo que el umbral de brecha examinado anteriormente; sin embargo, en lugar de cambiar la brecha para controlar la fuerza ejercida sobre las nanopartículas, el cambio en el potencial químico del grafeno mediante la aplicación de un voltaje de puerta al sustrato de Si se ha utilizado para controlar la fuerza ejercida por cada nanopartícula. Para aclarar el algoritmo para clasificar partículas con energía fermi, la Fig. 4a,b puede ser útil. Como es evidente en la Fig. 4a, la fuerza óptica experimentada por las nanopartículas tiene una alta dependencia de la energía de Fermi del grafeno. Esta actitud de la estructura propuesta da otra flexibilidad para controlar activamente la fuerza óptica evidente por las nanopartículas. Como se muestra en la Fig. 4a, la fuerza óptica que sienten las nanopartículas alcanza su valor máximo en µc, alrededor de 1,15 eV. Sin embargo, la fuerza óptica cayó bruscamente al aumentar o disminuir µc desde 1,15 eV. Significa que un cambio menor en el potencial químico del grafeno da como resultado cambios en la fuerza óptica que sienten las nanopartículas. Por lo tanto, el potencial químico de grafeno apropiado y adecuado se puede obtener ajustando el voltaje de puerta polarizado. La figura 2c representa el potencial químico de la nanocinta de grafeno incrustado en hBN (valor realista) en función del voltaje de puerta aplicado. La Figura 15b representa el potencial químico del grafeno umbral en función de la longitud de onda en varios tamaños de nanopartículas cuando la brecha entre el canal principal y el subcanal se fija en 120 nm. El potencial químico umbral del grafeno para atrapar partículas de varios tamaños se representa en la Fig. 15b.

Mediante el análisis de las brechas de umbral y los gráficos obtenidos a partir de ellas, se puede proponer una ecuación para ambos métodos establecidos en este artículo, en la que solo con un error de menos de 2,5 nm, la brecha de umbral y la energía potencial del umbral de grafeno para clasificar todas las nanopartículas obtenidas con el radio deseado. Pero no solo para partículas con un cierto radio como 30, 20, 15, etc. Más bien, para cualquier radio deseado, uno puede encontrar fácilmente la brecha del umbral, así como la forma del umbral para clasificar ese radio específico. Las ecuaciones 7 y 8, respectivamente, se dan a continuación para obtener la brecha del umbral para cualquier radio arbitrario R y la forma del umbral para cualquier radio arbitrario R.

En la ecuación. 7, Gth representa el umbral de brecha que se muestra en la Fig. 1b para un radio de brecha específico de R. los valores de a, b y c son constantes y son iguales a a = 1717, b = 23 × 10–3 y c = −1695 .

Además, hasta el umbral de brecha como se muestra en la Fig. 15b, la estructura propuesta puede clasificar las nanopartículas según el potencial químico de las nanocintas de grafeno en brechas fijas. La siguiente ecuación. 8 representa el nivel de Fermi para clasificar y desviar cualquier nanopartícula específica con radios de R.

donde µc representa el potencial químico umbral de las nanocintas de grafeno para clasificar y desviar cualquier nanopartícula específica con radios de R. el valor de a1, b1 y c1 son constantes y son iguales a a1 = 43 × 10–3 b1 = 8 × 10– 3 y c1 = 1,574.

Este artículo presenta una estructura para manipular y clasificar nanopartículas utilizando las ventajas ópticas y eléctricas de las nanocintas de grafeno incrustadas en el sustrato de hBN. En esta estructura se utilizan dos métodos para separar las partículas, uno es a través de la distancia de la cinta con el canal principal en dirección x (vertical al canal principal), y el otro es a través del potencial químico del grafeno. También se demostró que la estructura presentada podía clasificar partículas con un radio inferior a 2,5 nm, lo que la convierte en una de las pocas estructuras que pueden atrapar y clasificar partículas de nanopartículas de menos de 5 nm de diámetro. Además, ambos métodos demostraron que la estructura presentada podía clasificar las partículas que ingresaban al líquido según su índice de refracción. El mecanismo físico principal de ambos métodos en la estructura propuesta es controlar la fuerza sobre la partícula que se mueve dentro del canal, lo que se puede hacer a través del espacio entre la cinta y el canal o el nivel químico potencial del grafeno. La estructura presentada puede ser una de las estructuras más utilizadas y abrir una puerta para el futuro de los nano-biosensores. Además, esta estructura hace posible clasificar y manipular todo tipo de virus o cualquier partícula deseada en el líquido con una precisión muy alta de 1 nm. Otra ventaja del diseño propuesto es su facilidad de fabricación, y no hay dificultad en el proceso de fabricación de la estructura propuesta, ni surgen efectos e irregularidades de segundo orden debido a errores en el proceso de fabricación de la estructura. además, mediante el uso de varias animaciones en el texto principal y como información complementaria, el funcionamiento y los mecanismos físicos de comprensión de la estructura propuesta quedaron muy claros. (Consulte el material complementario para obtener más detalles).

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Se revisó la versión original en línea de este artículo: Se revisó la versión original en línea de este artículo: En la versión original de este artículo se omitieron los ID de ORCID para Elnaz Gholizadeh y Behnam Jafari. Los ID de ORCID para Elnaz Gholizadeh y Behnam Jafari son (0000-0003-3308-4872) y (0000-0001-6071-3609) respectivamente.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30740-7

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Estos autores contribuyeron por igual: Elnaz Gholizadeh y Behnam Jafari.

Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Tabriz, Tabriz, 5166616471, Irán

Elnaz Gholizadeh, Behnam Jafari y Saeed Golmohammadi

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BJ y EG contribuyeron igualmente a este trabajo e hicieron cada asunto y cada trabajo para preparar este artículo. BJ: La idea principal de la estructura fue presentada por BJ y ampliada con la ayuda de EG Saeed Golmohammadi (Profesor (Asociado) en la Universidad de Tabriz) es el supervisor de este artículo. BJ: La revisión completa ha sido realizada por BJ. Además, la idea principal de usar multimedia y todas las animaciones están construidas por BJ.

Correspondencia con Behnam Jafari.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Se revisó la versión original en línea de este artículo: La versión original de este artículo contenía un error en la Referencia 43, que ahora dice: 43. Gholizadeh, E., Jafari, B., Golmohammadi, S. & Soofi H. Pérdida de inserción baja y modulador sintonizable de alta profundidad de modulación en la banda de telecomunicaciones habilitado por rejillas multicapa de grafeno/hBN, en 2022 4º Simposio de Asia occidental sobre comunicaciones inalámbricas ópticas y de ondas milimétricas (WASOWC), 1-6. https://doi.org/10.1109/WASOWC54657.2022.9798421 (IEEE, 2022).

Vídeo complementario 1.

Vídeo complementario 2.

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Reimpresiones y permisos

Gholizadeh, E., Jafari, B. & Golmohammadi, S. Pinzas optofluídicas basadas en grafeno para la clasificación, manipulación y detección de nanopartículas basadas en el índice de refracción y el tamaño. Informe científico 13, 1975 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29122-w

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Recibido: 07 Agosto 2022

Aceptado: 31 de enero de 2023

Publicado: 03 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29122-w

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