CN117451662A - 基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，包括衬底与谐振层，所述衬底包括底板层和刻蚀层，所述刻蚀层向上形成于所述底板层，所述谐振层向上沉积于所述刻蚀层，所述刻蚀层与所述谐振层形成图案化构造，其包括同中线依次设置的：长条形的第一部分、U型第二部分和U型第三部分，所述第二部分的开口朝向所述第一部分，所述第三部分的开口朝向所述第二部分。本发明还公开了一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法。本发明可以在不同频率下表征相同样品，实现检测的多点匹配，从而对微量或痕量物质实现高灵敏检测。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹功能器件技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器及其使用方法。
背景技术
电磁诱导透明(EIT)最早在原子系统中被发现，是一种量子干扰效应，能够削弱原子在共振频率下对光的吸收，可以使得原本不透明的介质在狭窄的光谱范围内产生一个尖锐的透明窗口。EIT效应通常伴随着低损耗以及强色散特性，因此在光存储、传感等领域有着广泛的应用前景。然而，由于苛刻的实验条件，例如超低工作温度，一直以来都对这一技术的发展构成了阻碍。
近年来，超材料的出现使得EIT效应的出现能够摆脱极端的实验条件，超材料的灵活设计为EIT效应的形成提供了便利。超材料是一种具有特殊结构的人工材料，它是由亚波长尺寸的微结构单元组成，具有自然界材料所不具备的特殊性质。通过构造不同的微结构单元，超材料可以表现出不同的特性，比如负折射、逆多普勒等效应。类EIT超材料有着强场约束的特点，因此在传感领域备受关注。提高类EIT超材料的传感性能，关键在于如何增强太赫兹波与检测物质的相互作用，也就是如何将物质放置于电场强度最强的地方。并且实际检测中，可能会有不同分析物对同一共振峰产生响应，因此不能有效区分。因此，设计具有多频段以及强相互作用的太赫兹超材料传感器具有重意义。
发明内容
本发明提供一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器及其使用方法，其可以在不同频率下表征相同样品，实现检测的多点匹配，从而对微量或痕量物质实现高灵敏检测。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，包括衬底与谐振层，所述衬底包括底板层和刻蚀层，所述刻蚀层向上形成于所述底板层，所述谐振层向上沉积于所述刻蚀层，所述刻蚀层与所述谐振层形成图案化构造，其包括同中线依次设置的：长条形的第一部分、U型第二部分和U型第三部分，所述第二部分的开口朝向所述第一部分，所述第三部分的开口朝向所述第二部分。
优选的是，所述衬底材质为聚四氟乙烯，谐振层材质为金。
优选的是，所述底板层、刻蚀层、谐振层的z轴方向厚度比为10:(8-12):(0.1-0.3)。
优选的是，所述第一部分、第二部分和第三部分的宽度w相等，其与所述第一部分的x轴方向长度l1、所述第二部分的y轴方向长度l2、所述第二部分的x轴方向长度l3、所述第三部分的x轴方向长度l4、所述第三部分的y轴方向长度l5、所述第一部分与第二部分的间距h1、所述第二部分与第三部分的间距h2的比值为
9:(88-92):(94-98):(88-92):(118-122):(20.5-24.5):(4-8):(4-8)。
优选的是，所述宽度w与所述底板层的x轴方向长度Px、所述第二部分的y轴方向长度Py的比值为9:(130-134):(155-165)。
所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，包括：
步骤1：在所述谐振层上覆盖待测物；
步骤2：太赫兹波在x轴方向和y轴方向设置为周期边界条件，在z轴方向上设置为开放边界来模拟无限周期阵列进行电磁激励；
步骤3：0.3-1.5THz频段的太赫兹波垂直入射待测物，入射光的电场和磁场分别沿x轴和y轴偏振，根据待测物透射光谱的共振峰偏移量计算待测物的折射率。
优选的是，在0.562THz处，第二部分表现为明模式，第三部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
优选的是，在0.940THz处，第一部分表现为明模式，第三部分表现为准暗模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
优选的是，在1.247THz处，第一部分表现为准暗模式，第二部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
优选的是，待测物的覆盖厚度为20-30μm。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明提出的多频段太赫兹EIT超材料传感器通过CST MWS2020进行全波模拟计算和参数优化，确定了结构的最优参数和最佳性能。
第二、本发明通过不同模式之间的近场耦合使得超材料传感器在传输曲线中在0.3-1.5THz波段出现三个明显的透明窗口，通过优化结构参数，获得了高达587GHz/RIU的折射率灵敏度。
第三、本发明对6种不同的介质进行模拟测试，证明了该结构能够有效区分不同物质，提高检测选择性。
第四、本发明对衬底进行刻蚀来提升灵敏度的方法不容易想到，目前大多数超材料的设计关注点在于如何激发不同的谐振模式来提升性能，所以在设计时只关注谐振层的形状等，忽略了渗透到衬底中的部分电场，这意味着光与物质并未得到充分地相互作用，也就导致性能受限。相比于未衬底刻蚀的结构，折射率灵敏度会得到提升，以本发明中结构为例，衬底刻蚀后第三个EIT窗口的折射率灵敏度从370GHz/RIU提升至587GHz/RIU，是未刻蚀的1.58倍。
第五、本发明提出的超材料传感器结构简单，易于制造，采用衬底刻蚀的方法使传感器灵敏度达到较高水平，提出的传感器具有三个EIT透射峰，能够有效降低单一频段在检测时受到干扰带来的误差，实现了多点特征匹配，允许在不同频率下表征相同的样品，从而提高了检测的选择性。在太赫兹检测领域，这种设计方法还没有被使用过。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的多频段太赫兹EIT超材料传感器的结构示意图；
图2为本发明的传感器在无待测物覆盖时的传输图谱；
图3为本发明的第一部分CL、第二部分UR和第三部分MB的透射光谱；
图4为本发明的四个波谷与三个EIT透射峰的电场分布图；
图5为本发明的传感器在有待测物覆盖时厚度为灵敏度的影响；
图6为本发明的传感器的刻蚀层厚度对灵敏度的影响；
图7为本发明的传感器不同刻蚀层厚度在f3＝1.247THz时x-y平面的二维电场分布图；
图8为本发明在不同折射率介质下的透射曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，包括衬底与谐振层，所述衬底包括底板层和刻蚀层，底板层为一整块聚四氟乙烯(PTFE)，所述刻蚀层向上形成于所述底板层，刻蚀层为图案化构造聚四氟乙烯(PTFE)，聚四氟乙烯(PTFE)介电常数ε＝2.1，介电损耗角正切值为0.002，所述谐振层向上沉积于所述刻蚀层，谐振层材质为金，电导率σ(4.561×107)S/m，由周期性沉积在衬底(刻蚀层)上的图案化金属组成，所述刻蚀层与所述谐振层形成图案化构造，其包括同中线依次设置的：长条形的第一部分、U型第二部分和U型第三部分，后文中分别简述为CL、UR、MB，所述第二部分的开口朝向所述第一部分，所述第三部分的开口朝向所述第二部分。
在另一种技术方案中，所述底板层、刻蚀层、谐振层的z轴方向厚度比为d1、d2、d3＝10:(8-12):(0.1-0.3)，优选为10:10:0.2。所述第一部分、第二部分和第三部分的宽度w相等，其与所述第一部分的x轴方向长度l1、所述第二部分的y轴方向长度l2、所述第二部分的x轴方向长度l3、所述第三部分的x轴方向长度l4、所述第三部分的y轴方向长度l5、所述第一部分与第二部分的间距h1、所述第二部分与第三部分的间距h2的比值为9:(88-92):(94-98):(88-92):(118-122):(20.5-24.5):(4-8):(4-8)，优选为9:90:96:90:120:22.5:6:6。所述宽度w与所述底板层的x轴方向长度Px、所述第二部分的y轴方向长度Py的比值为9:(130-134):(155-165)，优选为9:132:160。在一个优选的实例中，结构优化参数如表1所示。
表1
本发明采用三维电磁场仿真软件CST MWS2020对超材料传感器结构进行建模仿真分析，采用基于有限积分法(FIT)的频域求解器计算传感器的传输特性曲线、电场分布等其他参数。另外，在x轴和y轴方向设置为周期边界条件，在z轴方向上设置为开放边界来模拟无限周期阵列。太赫兹波垂直入射到传感器上表面，极化方向沿x轴，即入射光的电场和磁场分别沿x轴和y轴偏振，本发明的传感器无分析物覆盖时的传输图谱如图2所示，从图中可以看出，所设计的传感器在f1＝0.562THz、f2＝0.940THz和f3＝1.247THz处存在三个EIT透射峰。
为了深入探讨多频段EIT效应的形成机理，对三种子结构分别进行单独分析，在相同的极化条件下，CL和MB分别在1.192THz和0.754THz产生谐振，UR在0.475THz和1.286THz产生两处谐振，三种子结构的透射光谱如图3所示。
基于超材料实现类EIT效应的方法通常有三种，一种是明模与暗模之间产生的相消干涉的耦合方式；另一种是明模与明模之间产生的弱杂化的耦合方式；最后一种是明模与准暗模之间发生近场耦合和干涉相消作用。其中明模是指可以直接被入射光激发的强共振模式，准暗模是指能被入射光激发但共振峰品质因子相较于明模偏低的共振模式，暗模是指被明模式间接激发所产生的弱共振模式。
对于第一个EIT透明窗口，UR与MB在低频处都能被入射波直接激发，因此都被定义为明模，UR产生以0.475THz为中心的强共振，Q因子为5.56，如图3a所示。MB在0.754THz处产生强共振，Q因子为4.2，如图3b所示。两个子结构的共振频率接近，并且Q因子相差不大，两个明模之间发生强近场耦合和弱杂化作用，在f1＝0.562THz处产生明显的EIT透明窗口。
对于第二个EIT透明窗口，MB与CL作为两个子结构虽然都能与入射波直接耦合并表现出强烈共振，如图3c所示。但CL产生的谐振峰Q因子为11.4，与MB产生的谐振峰Q因子相差较大，所以此时CL被定义为明模，MB则被定义为准暗模，二者发生近场耦合和干涉相消从而在f2＝0.940THz处形成第二个EIT透明窗口。
第三个EIT透明窗口为UR在高频处的共振峰与CL产生的共振峰发生干涉产生的，UR在高频处共振峰的Q因子为28.5，与CL的Q因子相差较大，所以二者分别作为明模式与准暗模式发生耦合，在f3＝1.247THz处产生第三个EIT透明窗口。
为了进一步解释本发明的EIT效应产生机理，如图4所示，图4a为四个波谷频率的电场分布，图4b为三个透射峰值频率的电场。在0.475THz处，三个结构被入射太赫兹波激发，产生不同强度的电场，此时UR产生的电场强度最高，产生LC谐振。在0.754THz处，MB的电场在结构中起主要作用，并且电场主要分布在MB的两端，为偶极子共振。与之类似，在1.192THz处CL结构电场主要处于两端，也属于偶极子共振。而在1.192THz时，UR四个角的电场高度集中，左侧两个角积聚的大量相反电荷与右侧相反，表现为四极共振。在第一个EIT透射峰频率f1＝0.562THz处，两个相邻波谷频率处起主要作用的明模之间的弱杂化使得电场强度显著减弱，从而形成EIT透明窗口。而在第二、三个EIT透明窗口处，同样是因为相邻波谷频率处的明、暗模式干涉相消，导致透明窗口处电场减弱产生EIT效应。
基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，包括：
步骤1：在所述谐振层上覆盖待测物；
步骤2：太赫兹波在x轴方向和y轴方向设置为周期边界条件，在z轴方向上设置为开放边界来模拟无限周期阵列进行电磁激励；
步骤3：0.3-1.5THz频段的太赫兹波垂直入射待测物，入射光的电场和磁场分别沿x轴和y轴偏振，根据待测物透射光谱的共振峰偏移量计算待测物的折射率。
在f1＝0.562THz处，第二部分表现为明模式，第三部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
在f2＝0.940THz处，第一部分表现为明模式，第三部分表现为准暗模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
在f3＝1.247THz处，第一部分表现为准暗模式，第二部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
试验(一)待测物厚度对多频EIT共振的影响：
传感器表面待测分析物的厚度和介电常数会影响吸收特性曲线频移和强度。基于超材料传感器检测原理，根据麦克斯韦方程组得到频移量与谐振频率之间的关系如下：
其中ωp0为未覆盖待测物时的谐振频率，E0和H0为初始场量，ΔV为待测物质体积的变化量，Δε和Δμ分别为介电常数和磁导率的变化量。待测物质发生改变会导致Δε和Δμ改变，进而引起不同程度的频移，最终实现物质的检测。传感器表面待测物质的体积发生改变，会使得传感器对同一待测物产生不同的频移，频移越大灵敏度越高，而厚度会引起体积发生改变，因此待测物的厚度会影响传感器的灵敏度。
为了确定最佳厚度，将折射率n＝1.3-1.8且不同厚度的待测物质覆盖到传感器表面进行仿真，通过拟合得到的灵敏度如图5所示。图5a为不同厚度待测物覆盖时f1＝0.562THz的拟合灵敏度，图5b为不同厚度待测物覆盖时f2＝0.940THz的拟合灵敏度；图5c为不同厚度待测物覆盖时f3＝1.247THz的拟合灵敏度，可以发现随着厚度的增加，三个EIT窗口的灵敏度都有不同程度的提升，但在待测物厚度超过30μm后，增长速率趋于平缓，图5d为待测物厚度对灵敏度的影响，这是因为入射波会激发传感器表面电流发生震荡，距离越大，震荡衰减越快，也就是说，在厚度超过30μm后，传感器灵敏度几乎保持不变。为了获得多频段EIT传感器的最佳传感效果，后续讨论将会选择厚度为30μm。
试验(二)刻蚀层厚度对于多频EIT共振的影响：
传感器的刻蚀层厚度会对多频EIT共振产生影响。将超材料刻蚀层厚度分别设置为0、2、4、6、8、10μm并对其进行仿真，不同刻蚀层厚度下三个类EIT窗口都会出现不同程度的蓝移，这是由于超材料附近的有效介电常数逐渐降低引起的，UR被入射波激发，表现为LC共振，其共振频率强烈依赖电场激发热点的介电常数。而MB与CL被入射波激发，表现为偶极子共振，其共振频率为其中εeff为周围介质的有效介电常数。因此，在刻蚀厚度增加时超材料周围εeff会显著降低，从而使EIT共振出现蓝移。为了讨论刻蚀层厚度对于多频EIT超材料传感性能的影响，在不同刻蚀层厚度下，将折射率n＝1.3-1.8的待测物覆盖到传感器表面以及沟槽内，通过拟合得到的灵敏度如图6所示。图6a为不同刻蚀层厚度时f1＝0.562THz的拟合灵敏度，图6b为不同刻蚀层厚度时f2＝0.940THz的拟合灵敏度；图6c为不同刻蚀层厚度时f3＝1.247THz的拟合灵敏度，可以明显看出，刻蚀层厚度从0增加到10μm，拟合线的斜率也逐渐增大，三个窗口的灵敏度分别从173GHz/RIU、283GHz/RIU、370GHz/RIU增加到284GHz/RIU、477GHz/RIU、587GHz/RIU，但增大的速度从2μm后开始降低，图6d为刻蚀层厚度对灵敏度的影响，刻蚀能够提升多频EIT超材料的传感灵敏度，但提升速度会减慢。
为了分析衬底刻蚀对灵敏度影响的原因，以传感器表面为起点，步长为2μm，依次向下绘制了本发明x-y平面的二维电场分布图，如图7所示。以f3＝1.247THz为例，在不同平面上都发现了电场存在，这说明由谐振层产生的电场会有一部分渗入到衬底中去，而在传感检测时，这部分电场不会被利用。通过刻蚀可以将这部分电场最大限度的利用，使电场与待检测物质充分重叠，确保强光与物质相互作用，进而提升传感器检测物质的能力。同时可以发现，电场在随着刻蚀层厚度的增加大大衰减，表现为传感器灵敏度在刻蚀层厚度增加的情况下增长速率变慢并趋于稳定。因此，对衬底进行合理的刻蚀可以有效提高超材料传感器的灵敏度。
为了验证本申请作为生物传感器的实际应用效果，选择折射率范围从1.333到1.5012的不同介质进行了模拟测试，包括水(n＝1.333)、乙醇(n＝1.357)、戊醇(n＝1.401)、四氯化碳(n＝1.453)、甘油(n＝1.473)和苯(n＝1.5012)，选择用于测试的介质在医疗生化等领域用途广泛。如图8所示，三个EIT透明窗口都可以区分6种不同的介质，随着折射率的增加三个EIT窗口都发生红移，f3频移相比与f1与f2较为明显。
为进一步验证本申请在不同频段能够实现多点特征匹配，根据每种介质透射光谱的共振峰偏移量，计算每种介质在不同EIT窗口下的折射率n(f1)、n(f2)和n(f3)，并与其标准折射率nref进行比较。
nmedium＝1+Δn＝1+Δf/(S(f))
其中Δf为加入待测物引起的EIT透明窗口频移量，Δn为相对于nair＝1的折射率变化量S(f)表示该频率下的折射率灵敏度。表2为本发明覆盖待测物的仿真和计算结果，由表2可知，被测物的折射率n(f1)、n(f2)和n(f3)相似，接近标准值nref。以水为例，分别在f1、f2和f3模式下，计算出的折射率分别为1.351、1.35和1.348，标准折射率为1.333。通过对三个EIT窗口峰值频率的对照，能够在实际传感应用更加准确的进行物质的检测，有效降低单一频段在检测时受到干扰带来的误差。综上所述，本发明可以作为物质检测的高灵敏传感器使用。
表2
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，其特征在于，包括衬底与谐振层，所述衬底包括底板层和刻蚀层，所述刻蚀层向上形成于所述底板层，所述谐振层向上沉积于所述刻蚀层，所述刻蚀层与所述谐振层形成图案化构造，其包括同中线依次设置的：长条形的第一部分、U型第二部分和U型第三部分，所述第二部分的开口朝向所述第一部分，所述第三部分的开口朝向所述第二部分。
2.如权利要求1所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述衬底材质为聚四氟乙烯，谐振层材质为金。
3.如权利要求1所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述底板层、刻蚀层、谐振层的z轴方向厚度比为10:(8-12):(0.1-0.3)。
4.如权利要求1所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述第一部分、第二部分和第三部分的宽度w相等，其与所述第一部分的x轴方向长度l1、所述第二部分的y轴方向长度l2、所述第二部分的x轴方向长度l3、所述第三部分的x轴方向长度l4、所述第三部分的y轴方向长度l5、所述第一部分与第二部分的间距h1、所述第二部分与第三部分的间距h2的比值为9:(88-92):(94-98):(88-92):(118-122):(20.5-24.5):(4-8):(4-8)。
5.如权利要求1所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器，其特征在于，所述宽度w与所述底板层的x轴方向长度Px、所述第二部分的y轴方向长度Py的比值为9:(130-134):(155-165)。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，其特征在于，包括：
步骤1：在所述谐振层上覆盖待测物；
步骤2：太赫兹波在x轴方向和y轴方向设置为周期边界条件，在z轴方向上设置为开放边界来模拟无限周期阵列进行电磁激励；
步骤3：0.3-1.5THz频段的太赫兹波垂直入射待测物，入射光的电场和磁场分别沿x轴和y轴偏振，根据待测物透射光谱的共振峰偏移量计算待测物的折射率。
7.如权利要求6所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，其特征在于，在0.562THz处，第二部分表现为明模式，第三部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
8.如权利要求6所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，其特征在于，在0.940THz处，第一部分表现为明模式，第三部分表现为准暗模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
9.如权利要求6所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，其特征在于，在1.247THz处，第一部分表现为准暗模式，第二部分表现为明模式，耦合产生EIT电磁诱导透明窗口。
10.如权利要求6所述的基于衬底刻蚀的多频段太赫兹超材料传感器的使用方法，其特征在于，待测物的覆盖厚度为20-30μm。
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