CN113295648A - 基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有超表面电偶极、磁偶极传感器结构Q值较低、对于纳米薄膜分析物难以分辨以及不能同时实现高Q与高传感灵敏度S的问题，提供了一种基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器及其检测方法，属于电磁功能器件技术领域。该传感器在衬底上周期排列三开口金属谐振环结构，基于环形偶极共振超表面设计，当入射太赫兹电场垂直于结构开口方向正入射时，激发环形偶极共振，产生异常尖锐的透射光谱。既可实现对微米级厚度分析物的高效传感，又可实现对纳米级分析物的检测识别。本发明具有结构简单、易于加工、延展性好、传感性能优异等优点，可广泛适用于太赫兹波段的物质检测与识别。
Description
技术领域
本发明属于电磁波功能器件技术领域，具体涉及一种基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器。
背景技术
太赫兹(THz)波通常指频率在0.1THz～10THz的电磁波，介于微波与红外光之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡区域。由于太赫兹波在电磁频谱中所处位置的特殊性，使其具有诸多独特性质：1)光子能量低，与物质相互作用时具有非电离特性，不会破坏生物组织；2)穿透性强，对绝大部分非极性物质以及非金属材料吸收小、穿透性好；3)具有明显的特征吸收峰，大部分生物组织以及有机分子的振动、平动和转动能级都处于太赫兹波段，可进行物质识别。鉴于太赫兹波的独特优势，近年来受到研究者们的高度关注，太赫兹技术得到前所未有的发展，在物质检测、公共安全、生物医学以及通信等领域发挥巨大作用。
在太赫兹波谱技术的众多应用中，其在物质识别、生物传感方面的应用尤为突出。一方面是因为许多生物化学分子在太赫兹波段具有集体振动和转动模式且分子间相互作用在太赫兹波段存在特征光谱，可用于物质探测和识别；另一方面，由于太赫兹波具有非电离、低光子能量等特点，不会对生物组织造成破坏，更适合于生命医学领域的传感检测。然而，传统太赫兹光谱研究中所需待测样品的数量和浓度都远高于实际情况，无法对微量物质进行检测分析，因此迫切需要提高太赫兹传感的检测灵敏度和性能。各种共振结构被设计用于提高太赫兹传感灵敏度，但是这些结构很难与太赫兹源、探测器进行耦合，限制了它们的应用。
超材料(Metamaterials)的出现弥补了太赫兹波段电磁材料及功能器件的不足，它可以有效控制太赫兹波的振幅、相位、偏振以及传输特性，提供了一种实现太赫兹功能器件的有效途径。超材料的电磁特性由单元结构形状、尺寸、周期等决定，构成超材料的单元处于亚波长量级，并按照一定周期在空间排列，在宏观上认为超材料是等效均匀媒质。通过设计单元结构形状、改变单元结构尺寸及排布方式，可以设计出所需的等效媒质参数，实现自然材料所不具备的超常电磁特性如负折射率、旋光性及超吸收等。由于超材料是利用材料空间上带来的相位累积，以实现对电磁波的操控，因此需要一定的厚度，导致加工难度增大，材料损耗增加，限制了太赫兹超材料器件的发展和应用。超表面(Metasurfaces)的研究克服了超材料的局限性。超表面是将单元结构在二维平面上进行周期排列，构成二维形式的超材料，可以实现超材料能实现的电磁波操控，具有低损耗、低成本、低剖面和易共形等巨大优势。
目前已有的太赫兹超表面传感器存在的不足主要有：1)Q值普遍不高；2)大部分都是利用频移方式进行传感，分析物厚度通常在微米量级，对于纳米薄膜分析物难以分辨；3)不能同时实现高Q与高传感灵敏度S。
发明内容
针对现有超表面电偶极、磁偶极传感器结构Q值较低(通常小于100)、对于纳米薄膜分析物难以分辨以及不能同时实现高Q与高传感灵敏度S的问题，本发明提供了一种基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器，一方面，利用环形偶极共振超表面的局域电磁场增强效应，大大增强太赫兹波与分析物相互作用，提高检测灵敏度，实现对微米级分析物的高效传感，同时具有极高的Q值与高传感灵敏度S；另一方面，利用共振振幅差值的传感方法实现对纳米级分析物的高效传感检测。本发明传感器具有结构简单、易于加工、延展性好、传感性能优异等优点，在太赫兹物质检测等领域具有巨大的潜在应用价值。
本发明采用的技术方案是提供一种基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器，其特殊之处在于：包括衬底与二维周期阵列排布在衬底表面的若干超表面单元结构，相邻两个超表面单元结构之间具有设定间距；超表面单元结构处于亚波长量级；上述超表面单元结构为三开口金属谐振环，每个三开口金属谐振环为由两个E形金属结构件开口相对构成的长方形结构，两个E形金属结构件之间具有设定间距。
进一步地，定义E形金属结构件中三组平行的金属条分别为第一金属条、第二金属条及第三金属条；与三组平行的金属条均连接的金属条为公共金属条；第一金属条、第二金属条及第三金属条沿y方向延伸，依次沿x方向排布；公共金属条沿x方向延伸；
每个三开口金属谐振环中两个第一金属条之间的y向间距与两个第三金属条之间的y向间距相等，且大于两个第二金属条之间的y向间距。
进一步地，上述衬底采用柔性环烯烃聚合物COC薄膜制作，可以增强电磁场的局域效应、减少辐射损耗，进而增强超表面传感性能。
进一步地，上述衬底厚度为50μm，其介电常数为2.34，磁导率为1，损耗正切为0.0006。
进一步地，上述三开口金属谐振环由铝膜构成，厚度为200nm，电导率为3.56×107S/m。
进一步地，上述三开口金属谐振环通过电子束蒸发镀膜技术、紫外光刻技术和反应离子刻蚀技术制备到衬底上。
进一步地，相邻两个三开口金属谐振环之间沿x方向之间的间距为1μm，沿y方向的间距为1μm；
每个三开口金属谐振环沿x方向的长度L1为48μm，沿y方向的长度L2为38μm；
每个三开口金属谐振环中两个第一金属条之间的y向间距d1为7.4-7.6μm，两个第二金属条之间的y向间距d2为6.0-6.2μm；
第一金属条、第二金属条、第三金属条及公共金属条的线宽均为4μm。
进一步地，每个三开口金属谐振环中两个第一金属条之间的y向间距d1为7.5μm，两个第二金属条之间的y向间距d2为6.1μm。
本发明还提供一种利用上述的基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器实现高效传感检测的方法，其特殊之处在于：
利用共振振幅差值方法传感对纳米级分析物厚度、折射率进行传感探测，上述共振振幅差值为超表面结构透射谱共振处最大峰值与最小峰值之差。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器，采用周期排列的金属开口环构成超表面，不仅能够探测超表面结构表面介电环境的微小变化，而且当太赫兹电场垂直开口环方向正入射时，超表面与入射太赫兹波相互作用，激发超表面中的环形偶极共振，在透射光谱中出现尖锐的不对称共振峰，结构共振处的电场局域增强效应大大增强太赫兹波与分析物相互作用，引起光谱强烈变化，进而提高传感器传感性能。具有检测灵敏度高的优点，分析结果表明，对于微米厚度的分析物，基于频移传感方法，该太赫兹超表面传感器同时具有极高的Q值(Q＝1016)、传感灵敏度S(S＝775.7GHz/RU)以及FoM值(FoM＝284)，能实现对微米厚度分析物的高灵敏检测。
2、本发明以柔性环烯烃聚合物COC薄膜为衬底，可以进一步增强电磁场的局域效应、减少辐射损耗，进而增强超表面传感性能。
3、本发明通过对超表面传感器加入微米级厚度的不同折射率分析物进行光谱测量，发现该传感器对不同折射率的分析物异常敏感，透射光谱中出现不同的共振峰频移，传感器具有优异的传感性能参数(高品质因子Q、高传感灵敏度S以及高综合性能参数FoM)。
4、本发明基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器，综合利用共振频移和共振振幅差值的传感方法，该超表面传感器可实现对微米级、纳米级分析物的高灵敏检测识别，不仅解决了传统太赫兹超表面频移传感性能参数较低的问题，还解决了传统频移传感方法仅对微米级厚度分析物的传感能力，实现对纳米薄膜分析物的高精度传感检测，对于不同厚度、不同折射率的纳米薄膜分析物具有异常敏感的检测能力，传感精度可达到7nm的厚度以及折射率变化Δn＝0.05的检测分辨能力。为太赫兹领域的高性能传感器提供了新的可行的途径。
5、本发明基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器具有结构简单、易于加工、延展性好、传感性能优异等优点，可以广泛适用于太赫兹生物传感领域。
附图说明
图1为本发明一种基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器示意图；
图2为超表面单元结构示意图；
图3为本发明一种基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器的透射谱；
图4为超表面传感器结构共振处表面电流、电场、磁场分布，其中，图(a)是表面电流分布，图(b)为电场分布，图(c)为磁场分布；
图5是超表面传感器结构共振处散射功率谱；
图6是超表面传感器结构共振Q值和共振振幅强度I及综合参数Q×I随中间开口间距变化关系，图(a)是Q值和共振振幅强度I随间距变化，图(b)Q×I随间距变化；
图7为太赫兹超表面传感器在微米厚度分析物条件的传感性能参数，图(a)是传感器透射谱随分析物折射率变化，图(b)是共振频移随分析物折射率变化，图(c)为传感器Q、FoM随分析物折射率变化；
图8为太赫兹超表面在纳米厚度分析物条件的传感性能参数，图(a)是透射谱随分析物厚度变化，图(b)是结构共振振幅差值随分析物厚度变化，图(c)透射谱随分析物折射率变化，图(d)结构共振振幅差值随分析物折射率变化。
附图标记如下：
1-衬底，2-超表面单元结构，21-第一金属条，22-第二金属条，23-第三金属条，24-公共金属条。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述。
从图1可以看出，本实施例基于环形偶极共振的高性能太赫兹超表面传感器包括以柔性环烯烃聚合物COC薄膜制作的衬底1以及在衬底1表面周期二维周期阵列排列的若干超表面单元结构。超表面单元结构由三开口金属谐振环2构成，一个三开口金属谐振环2为一个晶胞周期。衬底1的厚度为50μm，介电常数为2.34，损耗正切为0.0006，三开口金属谐振环2由铝膜构成，其电导率为3.56×107S/m，可通过电子束蒸发镀膜技术、紫外光刻技术和反应离子刻蚀技术制备到衬底上。
如图2所示，三开口金属谐振环2由两个开口相对的E形金属结构件构成，定义E形金属结构件中三组平行的金属条分别为第一金属条21、第二金属条22及第三金属条23；与三组平行的金属条均连接的金属条为公共金属条24；第一金属条21、第二金属条22及第三金属条23沿y方向延伸，依次沿x方向排布；公共金属条24沿x方向延伸。每个三开口金属谐振环2中两个第一金属条21之间的y向间距与两个第三金属条23之间的y向间距相等，且大于两个第二金属条22之间的y向间距。
以排列周期和材质为基础，基于时域有限差分方法的计算结果选取最优参数，如下：三开口金属谐振环2的厚度为200nm，沿x方向的长度L1为48μm，沿y方向的长度L2为38μm；第一金属条21、第二金属条22、第三金属条23及公共金属条24的线宽均为4μm。两个第一金属条21之间的间距d1为7.5μm，两个第二金属条22之间的间距d2为6.1μm；单个单元结构的晶胞周期为Px＝49μm，Py＝39μm。
在本实施例中，如图3所示，当太赫兹电场分量垂直于开口方向(即垂直于y方向)正入射到超表面结构表面时，太赫兹波与超表面传感器相互作用，在2.7758THz处激发环形偶极共振，计算其Q值，Q＝f/FWHM＝1016，其中f＝2.7758THz，为共振频率，FWHM＝0.002732GHz，为共振处的半高全宽。
图4是基于时域有限差分法模拟的超表面结构共振处表面电流、电场及磁场分布；如图4中(a)所示，太赫兹电场沿y方向正入射时，结构共振激发的表面电流沿金属谐振环线圈循环流动，且在两个金属谐振环中的流动方向相反。图4(b)为共振处电场分布，电场局域在开口处，且方向与电流方向一致。图4(c)为共振处磁场分布，中间开口左右两边磁场方向相反，其在x-z平面的截面分布为闭合的磁涡旋，该闭合的磁涡旋可诱导产生沿y方向的环形偶极共振。
图5所示为超表面结构共振处归一化散射功率谱，五个最强散射功率分量被考虑计算，分别为电偶极P，磁偶极M，环形偶极T，电四极Qe，磁四极Qm，其计算公式如下：
其中，j为表面电流密度，c为光速。计算结果如图5，可以发现，在共振处，环形偶极占主导地位，因此共振为环形偶极共振。
图6为超表面结构共振Q值，共振振幅强度I以及综合参数Q×I随中间开口间距d2(两个第二金属条之间的y向间距)变化关系。对于超表面传感器而言，其Q值和共振振幅强度I作为重要的传感性能参数，通常希望越大越好，然而在实际的设计中，获得高Q值的同时会导致共振振幅强度I降低，因此在设计时需兼顾这两个参数。图6中(a)是Q值和共振振幅强度I随间距d2变化，随着d2增加，Q值增加并在5.62μm处达到无限大，然后减少；共振振幅强度I首先减小，在5.62μm处为0，然后逐渐增加。图6中(b)为兼顾Q、I的综合性能参数Q×I随间距变化，其在d2＝6.0-6.2μm时较大，在d2＝6.1μm时具有最大值，在设计超表面传感器时可以将6.1μm作为最优值并进行传感研究。
图7为太赫兹超表面传感器在微米厚度分析物条件下的传感性能参数。图(a)是传感器透射谱随分析物折射率变化，当在超表面结构表面覆盖一层厚度为16μm的分析物时，随着分析物折射率从1.0增加到1.8，其透射谱向低频方向移动，进而得到共振频移与分析物折射率之间的关系如图(b)，通过拟合共振频移随折射率变化如下：
FS1＝-772.4+775.7n
其满足线性关系，传感器的传感灵敏度通常定义为线性拟合斜率，因此传感器的灵敏度为S＝775.7GHz/RIU。此外，作为表征超表面传感器的综合性能参数FoM，其含义为在满足高传感灵敏度的同时，还具有较高的光谱分辨能力，其定义为：
FoM＝S/FWHM＝S×Q/f0
图(c)为传感器Q、FoM随分析物折射率变化，随着分析物折射率增加，Q值和FoM值随之增加，在n＝1.0时其值可达1016、284，远大于目前研究报道的太赫兹超表面传感器性能参数。
图8为太赫兹超表面传感器在纳米厚度分析物条件下的传感性能参数。基于频移方法的超表面传感器其分析物厚度通常在微米量级，针对纳米薄膜分析物，该方法则难以分辨识别。图(a)所示为超表面传感器透射谱随纳米薄膜分析物厚度变化，当厚度从0增加到35nm，传感器共振频移仅为3.0GHz，刚好达到太赫兹时域光谱系统所能达到的最佳分辨率；相同条件下，通过利用共振振幅差值方法，如图(b)所示，其共振振幅差值达到了83.8％，非常易于检测识别，并且在分析物厚度为7nm时，共振振幅差值可达36.4％，利用传统太赫兹时域光谱系统即可识别。另一方面，当分析物厚度为35nm时，改变分析物折射率，如图(c)所示，随着折射率增加，共振频移向低频微量偏移，当折射率从1.0增加到1.6时，其频移仅为3.1GHz，利用频移传感方法刚好能够分辨；相同条件下利用共振振幅差值传感方法，如图(d)所示，其振幅差值达到83.8％，并且当折射率从1.0增加到1.05时，其共振振幅差值达到12.3％。因此，针对纳米厚度的分析物，本发明提出的共振振幅差值方法相较于传统频移传感方法具有更好的传感能力和精度，突破了传统频移传感限制，为太赫兹纳米薄膜传感提供了一种全新的技术手段。
由此，可以确定采用本发明结构及技术的太赫兹超表面传感器的传感性能参数均较现有设计方案有大幅提升，并且突破了传统频移传感限制，满足本发明提出的高性能太赫兹超表面传感器的目的，具有很好的发展及应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：包括衬底(1)与二维周期阵列排布在衬底(1)表面的若干超表面单元结构，相邻两个超表面单元结构之间具有设定间距；超表面单元结构处于亚波长量级；所述超表面单元结构为三开口金属谐振环(2)，每个三开口金属谐振环(2)为由两个E形金属结构件开口相对构成的长方形结构，两个E形金属结构件之间具有设定间距。
2.根据权利要求1所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：
定义E形金属结构件中三组平行的金属条分别为第一金属条(21)、第二金属条(22)及第三金属条(23)；与三组平行的金属条均连接的金属条为公共金属条(24)；第一金属条(21)、第二金属条(22)及第三金属条(23)沿y方向延伸，依次沿x方向排布；公共金属条(24)沿x方向延伸；
每个三开口金属谐振环(2)中两个第一金属条(21)之间的y向间距与两个第三金属条(23)之间的y向间距相等，且大于两个第二金属条(22)之间的y向间距。
3.根据权利要求1或2所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：所述衬底(1)采用柔性环烯烃聚合物COC薄膜制作。
4.根据权利要求3所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：所述衬底(1)厚度为50μm，其介电常数为2.34，磁导率为1，损耗正切为0.0006。
5.根据权利要求4所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：所述三开口金属谐振环(2)由铝膜构成，厚度为200nm，电导率为3.56×107S/m。
6.根据权利要求5所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：所述三开口金属谐振环(2)通过电子束蒸发镀膜技术、紫外光刻技术和反应离子刻蚀技术制备到衬底(1)上。
7.根据权利要求6所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：
相邻两个三开口金属谐振环(2)之间沿x方向之间的间距为1μm，沿y方向的间距为1μm；
每个三开口金属谐振环(2)沿x方向的长度L1为48μm，沿y方向的长度L2为38μm；
每个三开口金属谐振环(2)中两个第一金属条(21)之间的y向间距d1为7.4-7.6μm，两个第二金属条(22)之间的y向间距d2为6.0-6.2μm；
第一金属条(21)、第二金属条(22)、第三金属条(23)及公共金属条(24)的线宽均为4μm。
8.根据权利要求7所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器，其特征在于：
每个三开口金属谐振环(2)中两个第一金属条(21)之间的y向间距d1为7.5μm，两个第二金属条(22)之间的y向间距d2为6.1μm。
9.一种利用权利要求1-7任一所述的基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器实现检测的方法，其特征在于：
利用共振振幅差值方法传感对纳米级分析物厚度、折射率进行传感探测，所述共振振幅差值为超表面结构透射谱共振处最大峰值与最小峰值之差。
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| CN113702326A (zh) * | 2021-08-27 | 2021-11-26 | 上海理工大学 | 用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面 |
| CN117589714A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
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2021
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| CN113702326B (zh) * | 2021-08-27 | 2024-04-19 | 上海理工大学 | 用于蛋白分子检测的有效模体积优化太赫兹超表面 |
| CN117589714A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
| CN117589714B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-05 | 中国矿业大学 | 一种环偶极子激发的高q值太赫兹超表面传感器 |
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