CN109557048A - 一种太赫兹波段超材料传感器 - Google Patents

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王红燕
张希威
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

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Abstract

本发明提供的是一种太赫兹波段超材料传感器。该超材料传感器包括基底(1)，基底(1)上表面镀有金属膜(2)，金属膜(2)上表面设置由“十”字形介质条(3)单元构成的阵列，阵列按正方晶格排列。在太赫兹波激励下，“十”字形介质条(3)产生强烈的表面等离子体共振效应，在谐振点附近产生了尖锐的吸收峰。该传感器利用吸收率谱中表面等离子体共振效应产生的尖锐吸收峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了2.3THz～2.6THz频率范围内的高灵敏折射率传感，可作为一种液体或气体传感器应用到生物医学、环境、食品等领域。

Description

一种太赫兹波段超材料传感器
技术领域
本发明属于太赫兹传感器技术，具体是一种高Q值、高灵敏度的超材料折射率传感器。
背景技术
太赫兹是频带从0.1THz到10THz(波长3毫米到0.03毫米)，频谱范围介于微波与红外波段之间的电磁波谱区域。太赫兹技术在医学成像、传感检测、安全检查、高速率无线通信等领域具有巨大应用前景，是国际公认的重大科学问题和重大社会需求。近年来，太赫兹发射源和探测器的研究已取得了较大的进展并初步进入到商业化阶段，而有效的太赫兹功能性器件却十分匮乏，特别是小型化、高性能功能性器件，这势必对太赫兹应用技术的发展形成严重制约。
超材料是周期性排列的人工电磁材料。它可以通过调节结构的几何形状、尺寸和分布等形式来控制材料的电磁属性，从而获得许多新颖特性，如负折射、完美透镜、完美吸收等。而完美吸收器则是超材料最重要的应用领域之一，因为它能够减小器件的体积，成倍增长吸收效率，并且可以通过结构参数调节谐振频率，这些显著的优势使其在能量俘获、热电子收集、热发射和生物传感等领域占据着极为重要的地位。自2008年Landy等人设计并提出第一个完美超材料吸收器以来，完美超材料吸收器便迅猛发展起来，涌现出各式各样的吸收器。总的来说，根据吸收带宽吸收器可划分为两大类型：宽带吸收器和窄带吸收器。宽带吸收器主要应用于太阳能收集、热辐射、隐身等领域，而窄带吸收器主要应用于传感、成像、探测等领域。在传感领域，基于窄带吸收超材料的传感器受到越来越多的关注，这是因为窄的吸收带意味着传感器具有高的品质因子Q(吸收峰对应的频率f与半高全宽FWHM的比值，即Q＝f/FWHM)，可以实现高灵敏度(S＝Δf/Δn，Δf是指折射率变化Δn时而引起的谐振频率的变化值)的传感检测。
目前，国内外太赫兹超材料折射率传感器对于某些微量物质或微小浓度物质的检测灵敏度还不够高，限制了太赫兹传感器的应用。如何设计出结构简单化、易制备、成本低且能成批量生产的太赫兹折射率传感器，是研究人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种工作于太赫兹波段的具有高Q值、高灵敏度的超材料折射率传感器。
本发明的目的是这样实现的：该超材料传感器包括基底(1)，基底(1)上表面镀有金属膜(2)，金属膜(2)上表面设置由“十”字形介质条(3)单元构成的阵列，阵列按正方晶格排列。在太赫兹波激励下，“十”字形介质条(3)产生强烈的表面等离子体共振效应，在谐振点附近产生了尖锐的吸收峰。该传感器利用吸收率谱中表面等离子体共振效应产生的尖锐吸收峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了2.3THz～2.6THz频率范围内的高灵敏折射率传感。
所述每个传感器单元的横剖面都为正方形，其边长P为100～150微米。
所述基底材料为高阻硅、聚酰亚胺、砷化镓或石英晶体中的一种，厚度d为50～1000微米。
所述金属膜(2)由金、银、铜或铝中的一种制成。
所述金属膜(2)的厚度dh必须大于电磁波的穿透深度，选用的厚度为0.2微米。
所述金属膜(2)完全贴合在基底(1)的上表面，贴合面积与介质基底(1)的上表面面积相等。
所述“十”字形介质条(3)的材料为砷化镓，其介电常数为12.9，损耗正切角为0.006。
所述“十”字形介质条(3)的厚度t为6～14微米。
所述“十”字形介质条(3)的宽度W为6～14微米，长度L为60～140微米。
所述结构单元的阵列个数不少于10×10个。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.超材料传感器采用介质/金属结构，具有结构简单，紧凑，完美对称，易于实现；
2.本发明提出的超材料传感器，可以在2.1～2.6THz的频率范围内实现高品质因子Q，远高于现有的太赫兹传感器所实现的品质因子Q；
3.本发明提出的超材料传感器结构所用材料皆为常规材料，易于实现。
附图说明
图1：本发明的三维结构示意图。
图2：图1的主视图。
图3：图1的仰视图。
图4：本发明在垂直入射时的反射谱和吸收谱仿真结果图。
图5：本发明的折射率传感吸收谱图。
图6：吸收峰的谐振频谱与折射率的关系。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1、2、3所示，本发明提出的超材料传感器，所述的超材料传感器包括基底(1)，基底(1)上表面镀有金属膜(2)，金属膜(2)上表面设置由“十”字形介质条(3)单元构成的阵列，阵列按正方晶格排列。在太赫兹波激励下，“十”字形介质条(3)产生强烈的表面等离子体共振效应，在谐振点附近产生了尖锐的吸收峰。该传感器利用吸收率谱中表面等离子体共振效应产生的尖锐吸收峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度，实现了2.3THz～2.6THz频率范围内的高灵敏折射率传感。。
当多个传感器单元沿平面连续设置时，基底(1)和金属膜(2)连为一体，而“十”字形介质条之间则相互隔离，使各个传感单元独立工作。
所述基底(1)材料为高阻硅、聚酰亚胺、砷化镓或石英晶体中的一种，厚度d为50～1000微米。
所述金属膜(2)由金、银、铜或铝中的一种制成，其电导率分别为：σ金＝4.1×107S/m、σ银＝6.1×107S/m、σ铜＝5.8×107S/m、和σ铝＝3.8×107S/m。
所述的“十”字形介质条(3)为有损耗的砷化镓，其介电常数为12.9，损耗正切角为0.006。
作为实施例，每个传感器单元的三层结构各尺寸参数如下：晶格阵列周期P＝120微米；基底(1)为高阻硅，其厚度为d＝500微米；金属膜(2)材料为铜，其厚度为dh＝0.2微米；“十”字形介质条(3)的宽度为W＝10微米，长度L＝105微米，厚度t＝10微米。
本实施例所述的超材料传感器的吸收率定义为A＝1-R-T，式中R为反射率，T为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的传感器单元的底层为全金属膜(2)，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为A＝1-R。
本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图4所示，该仿真结果由FDTDSolutions计算得到。从图中可以看到，在频率2.438THz处的反射率为0.5％，相应的吸收率为99.5％。该吸收谱的半高全宽FWHM仅为3.88GHz，品质因子Q＝f/FWHM＝628。这说明本发明提出传感器不仅实现了近乎完美的吸收，而且实现了超高的品质因子。
图5为当传感器的上表面上添加一层厚度为100微米的待测物且待测物的折射率为1.00～1.05时。太赫兹波分别通过传感器的吸收谱，由图可知，随着待测物的折射率逐渐增大，其吸收谱明显的向低频方向移动，利用表面等离子体共振效应产生的尖锐吸收峰频率在单位折射率变化内平移的量来衡量传感器的灵敏度。
图6为尖锐吸收峰的频率与待测物折射率的关系。由图可知，吸收峰的频率与待测物折射率呈现出良好的线性关系。传感器的传感性能用折射率灵敏度(S)表征，表示单位折射率内的谐振峰频率的变化量，其值为S＝Δf/Δn，单位为THz/RIU，其中，Δf为频率的变化量，Δn为折射率变化量，RIU为Refractive Index Unit。FOM(FOM＝S/FWHM，其中，S为折射率灵敏度，FWHM为谐振峰的半高全宽)值考虑了带宽对传感性能的影响，能更好的评价传感性能。本发明提出的传感器实现了折射率灵敏度S＝1.94THz/RIU，FOM值为500的折射率传感。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：该超材料传感器包括基底(1)，基底(1)上表面镀有金属膜(2)，金属膜(2)上表面设置由“十”字形介质条(3)单元构成的阵列，阵列按正方晶格排列。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述每个传感器单元的横剖面都为正方形，其边长P为100～150微米。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述基底材料为高阻硅、聚酰亚胺、砷化镓或石英晶体中的一种，厚度d为50～1000微米。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述金属膜(2)由金、银、铜或铝中的一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述金属膜(2)的厚度dh必须大于电磁波的穿透深度，选用的厚度为0.2微米。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述金属膜(2)完全贴合在基底(1)的上表面，贴合面积与介质基底(1)的上表面面积相等。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述“十”字形介质条(3)的材料为砷化镓，其介电常数为12.9，损耗正切角为0.006。
8.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述“十”字形介质条(3)的厚度t为6～14微米。
9.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述“十”字形介质条(3)的宽度W为6～14微米，长度L为60～140微米。
10.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段超材料传感器，其特征在于：所述结构单元的阵列个数不少于10×10个。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114088663A (zh) * 2021-10-29 2022-02-25 西安理工大学 一种基于对称保护型连续体束缚态的太赫兹传感器
CN114725646A (zh) * 2022-03-09 2022-07-08 西安理工大学 一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110907391A (zh) * 2019-10-24 2020-03-24 首都师范大学 一种具有周期性亚波长方形槽的微带线传感器件
CN110736716A (zh) * 2019-10-29 2020-01-31 韶关学院 一种回形环吸收器及其在检测农药残留物中的应用
CN110736716B (zh) * 2019-10-29 2021-02-26 韶关学院 一种回形环吸收器及其在检测农药残留物中的应用
CN112014350A (zh) * 2020-08-13 2020-12-01 中国计量大学 反射式太赫兹可调折射率传感器
CN112014350B (zh) * 2020-08-13 2022-08-26 中国计量大学 反射式太赫兹可调折射率传感器
CN112229815A (zh) * 2020-10-14 2021-01-15 中国科学院半导体研究所 一种蝶形超材料光学传感器
CN113624349A (zh) * 2021-08-16 2021-11-09 安徽大学 基于超材料表面的全介质太赫兹传感器
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CN114088663B (zh) * 2021-10-29 2023-10-27 西安理工大学 一种基于对称保护型连续体束缚态的太赫兹传感器
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