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Tese

Metasurfaces for photonic sensors applications (2025)

  • Authors:
  • Autor USP: ARRUDA, GUILHERME SIMONETI DE - EESC
  • Unidade: EESC
  • Sigla do Departamento: SEL
  • DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-11082025-155639
  • Subjects: SENSOR; FOTÔNICA; TRANSFORMADA DE FOURIER
  • Keywords: Biosensores; Metassuperfícies; Modos de alto-Q; Ressonâncias de modo guiado; Sensores fotônicos; Teoria de modos temporalmente acoplados
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Metassuperfícies oferecem uma abordagem inovadora para controlar e manipular feixes de onda (e.g., luz) e encontraram aplicações em várias áreas científicas, incluindo sensoriamento, formação de imagens, realidade aumentada e microscopia. Elas consistem em um arranjo de pequenos ressonadores, conhecidos como meta-átomos, que controlam a amplitude e a fase do feixe de luz. Sensores fotônicos são dispositivos de baixo custo em potencial que permitem diagnósticos em tempo real e in situ (dispositivos Point-of-Care), tornando-os cruciais para a medicina, especialmente em regiões com cuidados de saúde inadequados e laboratórios clínicos precários. As metassuperfícies têm um enorme potencial para melhorar o desempenho dos sensores fotônicos devido à sua capacidade de suportar ressonâncias eletromagnéticas, que dependem do meio em que o sensor está inserido. O seu desempenho de detecção promissor, a sua compatibilidade com técnicas de fabricação em larga escala e a sua capacidade de miniaturização tornam metassuperfícies candidatas ideais para dispositivos Point-of-Care de baixo custo. No entanto, a adequação de uma modalidade de sensoriamento para aplicações na área da saúde também depende de fatores como reprodutibilidade, facilidade de uso e custo. Em especial, sensores fáceis de usar e com bom custo-benefício geralmente requerem o uso de materiais acessíveis e técnicas de medição simples, o que normalmente prejudica o desempenho dos sensores fotônicos do estado da arte. Esta tese propõe quantificar o impacto das limitações de aplicações no mundo real, como perdas devido a absorção ou espalhamento e desalinhamentos entre fonte e estrutura, nos parâmetros de sensibilidade das metassuperfícies, seguido de estratégias de design para mitigar seu impacto. Primeiro, um modelo baseado na Teoria de Modos Temporalmente Acoplados (TCMT) foi derivado para quantificar o impacto dos mecanismos de perda no Limite deDetecção (LOD) (ou seja, a quantidade mínima detectável) dos sensores fotônicos. Este modelo mostra que o LOD é inversamente proporcional à amplitude da ressonância da metassuperfície e que esta amplitude é mais afetada por perdas do que o Fator de Qualidade (Q-factor) da ressonância, que é comumente usado para estimar o impacto das perdas no LOD do sensor. O modelo também destaca as condições para otimizar o LOD do dispositivo, que ocorre equilibrando o Q-factor e a amplitude. Em seguida, TCMT foi novamente utilizada para quantificar a tolerância angular (desalinhamento) de ressonâncias distribuídas em metassuperfícies que suportam tanto os Bound States in the Continuum (BICs), que são de grande interesse científico devido às suas ressonâncias de alto Q-factor (alto-Q), quanto as Ressonâncias de Modo Guiado (GMRs), que oferecem sensibilidade promissora e são compatíveis com sistemas de medição de baixo custo. Foi constatado que os BICs são bastante intolerantes a desalinhamentos entre a metassuperfície e a fonte. Como alternativa, foi proposta uma estratégia de projeto baseada na engenharia de Fourier de uma metassuperfície que suporta GMRs. A estrutura sugerida apresenta uma maior tolerância angular devido à planarização da banda, enquanto ainda compartilha a vantagem de alto-Q dos BICs, e, portanto, oferece um caminho viável para a obtenção de ressonâncias de alto-Q que sejam mais adequadas para aplicações no mundo real. Na sequência, introduziu-se o conceito de Ressonâncias de Modo Guiado confinadas no Ar (AGMRs) com controle de Fourier sobre o seu Q-factor. Por um lado, modos confinados no ar podem melhorar significantemene o desempenho e a funcionalidade de metassuperfícies, por exemplo, aumentando a sensibilidade do modo e reduzindo absorção pelo material. Por outro lado, metassuperfícies constituídas de um arranjo periódico de fendas duplas podem ser projetadas via engenharia de Fourier para suportarGMRs de alto-Q que estão confinadas no ar, suportando, assim, uma AGMR. Foi demonstrado, então, como implementar essa estratégia para melhorar o Q-factor de metassuperfícies feitas de materiais com alta perda por absorção. Em particular, foi demonstrado uma melhoria por um fator de 3.3x do Q-factor de ressonâncias medidas no regime de micro-ondas, podendo ser ainda maior para outras aplicações. Uma consequência notável desse estudo é a de que o uso de metassuperfícies projetadas via engenharia de Fourier é obrigatório para a excitação de AGMRs, uma vez que arranjos convencionais não suportam esses modos. Continuando, a ideia de metassuperfícies que suportam AGMRs via engenharia de Fourier foi estendida para estruturas constituídas por um arranjo periódico de pilares duplos, que suportam ressonâncias com distribuição de campo elétrico confinado externamente aos pilares (de uma forma similar às AGMRs suportadas pelas fendas duplas), e seu potencial em melhorar o desempenho de sensores fotônicos foi verificado experimentalmente. Averiguou-se que as ressonâncias suportadas pelas estrutura de pilares duplos possuem uma Figura de Mérito (FOM) para sensoriamento uma ordem de magnitude maior do que GMRs convencionais, plasmas de superfícies ou ainda BICs. Adicionalmente, um arranjo de pilares duplos de silício amorfo (aSi) foi fabricado e incorporado a um sistema fotônico de biosensoriamento de baixo custo e fácil uso, o qual foi capaz de medir a presença de biomarcardores minúsculos da doença de Alzheimer (AD) em níveis de concentração clinicamente relevantes (20 pg/ml) diretamente no soro do sangue humano. A engenharia de Fourier provou ser uma ferramenta valiosa para o projeto de metassuperfícies, aumentando o desempenho de sensores fotônicos quando usada de forma apropriada. As inovações presentes nesta tese são, portanto, uma grande contribuição para a melhoria das capacidades desses dispositivos
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 04.07.2025
    • Acesso à fonteAcesso à fonteDOI
    Informações sobre o DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-11082025-155639 (Fonte: oaDOI API)
    • Este periódico é de acesso aberto
    • Este artigo é de acesso aberto
    • URL de acesso aberto
    • Cor do Acesso Aberto: gold
    • Licença: cc-by-nc-sa
    How to cite
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    • ABNT

      ARRUDA, Guilherme Simoneti de. Metasurfaces for photonic sensors applications. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-11082025-155639/. Acesso em: 29 dez. 2025.

    • APA

      Arruda, G. S. de. (2025). Metasurfaces for photonic sensors applications (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-11082025-155639/

    • NLM

      Arruda GS de. Metasurfaces for photonic sensors applications [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 29 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-11082025-155639/

    • Vancouver

      Arruda GS de. Metasurfaces for photonic sensors applications [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 29 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-11082025-155639/

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