CN114778481A - 一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹超材料传感器及检测方法，对于狭缝中折射率的变化比单层金膜上的狭缝超材料传感器更为敏感，在微量物质检测中具有更高的灵敏度；可以保证透射峰的高品质因子，且降低了超材料传感器样品的加工难度。

Description

一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法

技术领域

本发明属于太赫兹超材料技术领域，具体涉及一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法。

背景技术

超材料是一种人工材料，它由周期性或非周期性的亚波长结构单元阵列构成，所以它具有自然材料所没有的电磁特性。超材料有以下几个特点：(1)构成超材料的结构单元是亚波长结构；(2)物理性质的独特性。例如，负折射率、负介电常数、负磁导率等；(3)人工设计的任意性。人们通过设计结构单元的几何形状，对超材料的电磁特性进行调整，设计出符合自己要求的超材料结构单元，满足人们的实际需要。超材料传感器利用超材料器件对电磁场的局域增强特性，并且能够突破传统检测装置的空间分辨率极限，从而可以实现微量物质的高灵敏度检测。

太赫兹波一般是指频率范围在0.1THz-10THz之间的电磁波，其辐射的频谱范围介于微波和红外之间。由于许多大分子的振动和转动能级落在太赫兹波段内，因此太赫兹波可被用于物质的频谱测量与识别，该技术俗称物质的指纹谱探测。另外，太赫兹波的单光子能量较低，如频率为1THz的太赫兹波的光子能量仅为毫伏量级，因此将此电磁波作为载体，可以实现被测物质的无损检测，此外，太赫兹波的波长较长，因此在此波段的亚波长结构更易于加工。

综上所述，太赫兹与超材料传感器相结合，可以用来进行物质的无损微量检测。

太赫兹波导技术。太赫兹波段的平行板波导型传感器通常由两个独立的平行光滑金属板组成，两个金属板之间充满空气。利用太赫兹时域光谱系统，对平行金属板波导内厚度为纳米量级的水层进行了测量，与空白的平行板金属波导相比，当20nm厚的水层覆盖在波导的内表面时，可以在其太赫兹时域及频域信号中观察到明显的变化。通过这种方式测量的0～2.5THz的频率范围内纳米厚度水层的折射率与大体积的水的折射率一致。

这种传感器具有传感灵敏度较低的缺点，要想提高这类传感器的灵敏度，则需要通过增加波导长度来增加样品与平行板波导的有效作用长度，使其能够在输出端积累足够的振幅和相位变化量，因此，这类传感器的尺寸通常较大。

太赫兹纳米天线技术。太赫兹纳米天线传感器是单层狭缝太赫兹超材料传感器，这种传感器设计是在石英的基底上镀有一层金膜，在金膜上设计狭缝按周期阵列分布，深度贯穿到基底表面。太赫兹纳米天线传感器实现了糖类的高灵敏度检测和识别。利用这种超材料传感器的巨大的局域场增强和透射增强效应，使传感器中的分子吸收得到提高。当糖分子的吸收峰与纳米天线的透射峰相匹配时，被检测对象的吸收会明显增强，所以这类传感器能实现微量物质检测。例如，葡萄糖在1.4THz的位置存在一个较强的吸收峰，当用透射峰为1.4THz的超材料传感器进行葡萄糖检测时，传感器透射峰的强度会明显减小。这种天线结构的超材料传感器的检测限为百摩尔量级。

这类传感器灵敏度存在测微极限的问题，由于单层结构，电磁场局域的优势没有完全发挥出来，另外由于采用与振幅相关的透过率检测方式，测量结果稳定性较差，易受周围因素影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于太赫兹超材料的测微传感器及检测方法，可以降低加工难度，并提高检测灵敏度。

一种太赫兹超材料传感器，电介质层的两侧表面各镀有一层金膜，形成三明治结构；三明治结构表面周期性设置有贯穿的狭缝阵列。

较佳的，所述电介质层材料为三氧化二铝。

较佳的，所述电介质层厚度为20nm。

进一步的，还包括基底，所述三明治结构设置在基底上。

较佳的，所述基底材料为石英。

一种基于太赫兹超材料传感器的检测方法，根据待检测物质在太赫兹频率范围内的特征频率，设计所述三明治结构的狭缝的长度，使得太赫兹超材料传感器的在太赫兹频率范围内透射谱的第二个峰值频率与待检测物质的特征频率相匹配；

将未知材料放置在太赫兹超材料传感器的狭缝上，然后利用太赫兹透射系统得到太赫兹超材料传感器的透射光谱；如果测到的透射光谱的第二个峰值频率与待检测物质的特征频率相匹配，则未知材料与待检测物质为同一物质。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种太赫兹超材料传感器及检测方法，对于狭缝中折射率的变化比单层金膜上的狭缝超材料传感器更为敏感，在微量物质检测中具有更高的灵敏度；可以保证透射峰的高品质因子，且降低了超材料传感器样品的加工难度。

附图说明

图1为本发明的三明治结构太赫兹超材料传感器的结构示意图；

图2为本发明的三明治结构太赫兹超材料传感器的模拟透射光谱；

图3(a)为y-z平面内三明治结构超材料传感器处于峰值频率f2时，狭缝区域的电场分布，图3(b)为y-z平面内单层狭缝超材料传感器处于峰值频率时，狭缝区域的电场分布。

图4为x-z平面内两个周期中三明治结构超材料器处于峰值频率f2时，介质层中的磁场分布；

图5为不同狭缝长度下，超材料传感器的透射光谱；

图6为两个峰值频率f1和f2随狭缝长度变化的关系图像；

图7为不同狭缝宽度下，超材料传感器的透射光谱；

图8为不同介质层厚度下，超材料传感器的透射光谱；

图9(a)为D-(+)-葡萄糖压片的归一化透射光谱，图9(b)为α-乳糖-水合物压片的归一化透射光谱。

图10(a)为用于检测D-(+)-葡萄糖的超材料传感器的模拟透射光谱，图10(b)为用于检测-乳糖一水合物的超材料传感器的模拟透射光谱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种三明治结构的双层金膜狭缝超材料传感器，与波导型传感器相比，本发明的传感器体积更小，灵敏度更高。

其次，本发明利用双层结构的设计提高了电磁场局域共振效应的优势。

最后，该发明利用两个参考：分别利用两个峰位振幅变化和峰值频率的移动作为检测判据。提高检测精度和稳定度。

实施例一：本发明的模型

本发明提出的一种三明治结构狭缝太赫兹超材料传感器，其结构示意图如图1所示。三明治结构为金—电介质—金结构，设置在石英的基底上，电介质的两个表面各镀有一层厚度为t的金膜，电介质层的厚度为h，折射率为n。三明治结构表面设置有贯穿的多个狭缝，狭缝以周期性阵列-分布在三明治结构上，设狭缝的长度为l，宽度为w，深度贯穿到基底表面，并以横向为dx为周期，纵向为dy为周期阵列分布。

利用FDTD对本发明性能的理论模拟结果：

在应用FDTD Solutions进行理论模拟，仿真完成后，输出其透射光谱分布图如图2所示。

从图2中可以看出，这种三明治结构的超材料传感器的透射光谱中存在两个透射峰。其中，频率较低的透射峰，其峰值频率f1＝0.99THz，归一化透射率为0.87，透射峰的半高全宽是80GHz，由公式Q＝f/Δf，计算得到透射峰的品质因子为12.4；频率较高的透射峰，其峰值频率f2＝1.03THz，归一化透射率为0.99，透射峰的半高全宽为14GHz，计算得到透射峰的品质因子为73.6。峰值频率f2所在透射峰的品质因子大约是f1对应透射峰品质因子的6倍。由于品质因子是用来表示超材料传感器灵敏度的重要参数，品质因子越高，超材料传感器的灵敏度也就越高。因此，对于本发明来说，选择峰值频率f2对应的透射峰作为微量物质检测过程中的表征对象，相比于选择峰值频率f1所在的透射峰，在检测灵敏度上更具优势。

实施例二：传感器高品质因子的形成原因：

根据前面超材料传感器透射光谱的模拟结果，看出这种三明治结构的狭缝太赫兹超材料传感器存在两个品质因子不同的透射峰，而传统的单层狭缝太赫兹超材料传感器件只有一个透射峰。针对这种情况，我们利用FDTD分别模拟了相同结构参数下，单层金膜的狭缝和三明治结构太赫兹超材料传感器透射峰值频率下y-z平面内的电场分布情况，结果如图3所示。平面内单层狭缝超材料传感器处于峰值频率时，狭缝区域的电场分布。

其中，图3(a)是三明治结构的狭缝太赫兹超材料传感器位于峰值频率f2下的电场分布图，图3(b)是单层金膜的透射峰频率下的电场分布图。从两种传感器的模拟电场分布来看，狭缝长度的中间位置电场强度最强。与传统狭缝超材料传感器相比，三明治结构超材料传感器在狭缝中产生的局域电场增强效果能提高1.5倍。对于一个位于狭缝中的待测物分子来说，其分子横截面可以表示为：

其中,

表示态密度，ω₀和S分别是入射光的共振角频率和坡印廷矢量。根据公式可知，分子的吸收横截面与狭缝中电场大小是正相关的关系。而在设计传感器时，由于狭缝结构的超材料传感器的传感灵敏度与其狭缝中待测分子的吸收横截面的大小相关。因此，本发明设计的传感器件的狭缝中，待测分子的吸收横截面更大，其检测的灵敏度更高。

在前面关于三明治结构的太赫兹超材料传感器的模拟透射光谱中，我们可以发现其存在明显的Fano谱形。并针对Fano共振的形成原因进行研究，寻求峰值频率f2所在的透射峰的形成原因。利用FDTD对三明治结构的狭缝太赫兹超材料传感器的电磁场响应进行模拟，得到其x-z平面内两个周期中的磁场分布情况，如图4所示。从图4中可以看出，在峰值频率f2下，狭缝之中除了产生的太赫兹电场局域增强以外，两层金膜之间的介质层中还激发了磁场共振，磁场共振与电场共振耦合产生Fano谱形，从而得到一个品质因子更高的透射峰。

实施例三：超材料传感器中各个参数对峰值频率的影响：

(1)狭缝长度对三明治结构超材料传感器透射光谱的影响

保证其他模拟参数全部一致的情况下，仅改变狭缝的长度，狭缝长度从68μm，以1μm为间隔，逐渐增加到72μm。入射光源的频率范围设置为1～1.8THz，对于狭缝宽度为50nm，两层金膜厚度均为20nm，两层金膜之间介质层折射率为1.5，厚度为20nm，结构单元在x方向的周期dx为70μm，在y方向上的周期dy为80μm的超材料传感器，通过模拟得到相应的透射光谱。从图5中可以清晰地看出，当狭缝的长度从72μm减小到68μm时，峰值频率f1和f2都发生了明显的蓝移。这说明狭缝长度影响三明治结构超材料传感器的峰值频率。图6是提取了两个峰值频率f1(蓝线)和f2(红线)，绘制了它们随狭缝长度变化的关系图像。从图中我们可以看出，当狭缝长度从68μm增加到72μm时，峰值频率f1从1.4THz减小到1.32THz，减小了80GHz，峰值频率f2从1.44THz减小到1.36THz，减小80GHz，两个峰值频率都随狭缝长度的增加呈现出线性减小的趋势。

(2)狭缝宽度对三明治结构超材料传感器透射光谱的影响

保证其他模拟参数全部一致的情况下，仅改变狭缝的宽度，狭缝宽度从100nm，以100nm为间隔，逐渐增加到400nm。当入射光源的频率范围设置为1～1.8THz时，对于狭缝长度l为70μm，两层金膜厚度均为20nm，两层金膜之间的介质层折射率为1.5，厚度为20nm，结构单元在x方向的周期dx＝70μm，在y方向的周期dy＝80μm的三明治结构超材料传感器，模拟得到的透射光谱如图7所示。从图中可以看出，在三明治结构的超材料传感器其他参数保持不变的情况下，当狭缝宽度从100nm逐渐增加到400nm时，峰值频率f1发生了红移，从1.34THz变化到1.32THz，减小了20GHz，对应透射峰的半高全宽从0.11THz变化到0.16THz，增加了50GHz，其所在的透射峰的幅值几乎没有改变。峰值频率f2对应的透射峰的幅值几乎没有改变，其峰值位置也无变化，均为1.42THz，透射峰的半高全宽仅增加了2GHz。由此可知，对于三明治结构的超材料传感器来说，当狭缝的宽度在百纳米量级的范围内时，宽度的改变会引起峰值频率f1的改变，当狭缝宽度增加时，峰值频率f1向低频方向移动，而狭缝宽度的变化几乎对峰值频率f2无影响。

(3)两层金膜之间介质层厚度对三明治结构超材料传感器透射光谱影响

保证其他模拟参数全部一致的情况下，仅改变两层金膜之间介质层厚度，介质层厚度从90nm，以10nm为间隔，逐渐减小到20nm。当入射光源的频率范围设置为1～1.8THz时，对于狭缝长度为70μm，宽度为50nm，两层金膜厚度均为20nm，两层金膜之间介质层折射率为1.5，结构单元在x方向的周期dx为70μm，在y方向上的周期dy为80μm的超材料传感器，通过模拟分别得到它们的透射光谱，如图8所示。从图中我们可以清楚地看出，随着三明治结构超材料传感器中两层金膜之间介质层厚度从90nm减小到20nm，峰值频率f1的位置几乎没有发生变化，峰值频率f2的位置发生了明显的红移，并且其所对应的透射峰的幅值也明显增加。当两层金膜之间的介质层从20nm逐渐增加到90nm时，对于峰值频率f1来说，其峰值位置与透射峰幅值均无明显变化。说明两层金之间的介质层厚度对峰值频率f1几乎无影响。峰值频率f2随着两层金膜之间介质层厚度的增加从1.42THz增加到1.65THz，增加了230GHz，并且其透射率从0.97减小到0.25，减小了74％。所以，对于三明治结构的超材料传感器的设计来说，两层金膜之间电介质层厚度选择20nm，因为此时峰值频率f2对应透射峰在保证高品质因子的同时，又具有高透射率，此外，两层金膜之间的介质层厚度选择20nm时，对于传感器加工而言，既可以降低加工难度，又可以节约加工时间，从而提高加工效率。

实施例四：设计用于某些物质成分检测的超材料传感器的参数

设计用于葡萄糖和乳糖微量成分检测的超材料传感器，首先需要确定葡萄糖和乳糖在太赫兹频率范围内的特征频率。分别用高纯度(≥99.5％)的D-(+)-葡萄糖粉末和高纯度(≥98％)的α-乳糖一水合物粉末。制作葡萄糖固体薄片和乳糖粉末固体薄片。利用透射式太赫兹时域光谱系统，对两种糖类的压片样品进行测量。得到太赫兹波的时域光谱信号。从图中可以清楚地看出，在0.2～2THz的频率范围内，D-(+)-葡萄糖在1.4THz的位置存在一个明显的吸收峰，因此，1.4THz是D-(+)-葡萄糖的一个特征频率。在0.3～1THz的频率范围内，α-乳糖一水合物在0.5THz的位置存在一个明显的吸收峰，因此，0.5THz是-乳糖一水合物的一个特征频率。

所以三明治结构的超材料传感器的峰值频率f2要与被检测物质的特征频率相匹配。根据超材料传感器的结构参数对透射光谱影响的模拟，由此可知，三明治结构的超材料传感器的峰值频率与狭缝的长度相关，狭缝长度增加，峰值频率f2向低频方向移动，狭缝长度减小，峰值频率f2向高频方向移动。模拟得到分别用于检测D-(+)-葡萄糖和α-乳糖一水合物的超材料传感器的加工参数。第一层是厚度为18nm的金，第二层是厚度为20nm的三氧化二铝，第三层是厚度为18nm的金，狭缝结构贯穿这三层，最下面是厚度为1mm的石英玻璃基底，此外，加工时要求用于附着金的铬层厚度为2nm。用于检测D-(+)-葡萄糖的超材料传感器中的狭缝长度为71μm，宽度为50nm，周期为dx＝70μm，dy＝80μm，模拟透射光谱如图10(a)所示；用于检测α-乳糖-水合物的超材料传感器的狭缝长度为185μm，宽度为50nm，周期dx＝185μm，dy＝195μm，模拟透射光谱如图10(b)所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，电介质层的两侧表面各镀有一层金膜，形成三明治结构；三明治结构表面周期性设置有贯穿的狭缝阵列。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述电介质层材料为三氧化二铝。

3.如权利要求2所述的一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述电介质层厚度为20nm。

4.如权利要求1、2或3所述的一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，还包括基底，所述三明治结构设置在基底上。

5.如权利要求4所述的一种太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述基底材料为石英。

6.一种基于权利要求1所述的太赫兹超材料传感器的检测方法，其特征在于，根据待检测物质在太赫兹频率范围内的特征频率，设计所述三明治结构的狭缝的长度，使得太赫兹超材料传感器的在太赫兹频率范围内透射谱的第二个峰值频率与待检测物质的特征频率相匹配；

将未知材料放置在太赫兹超材料传感器的狭缝上，然后利用太赫兹透射系统得到太赫兹超材料传感器的透射光谱；如果测到的透射光谱的第二个峰值频率与待检测物质的特征频率相匹配，则未知材料与待检测物质为同一物质。

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