基于亚波长介质超材料的太赫兹超灵敏传感技术研究

As the rapid expansion of the applications of terahertz technology in recent years, higher requirement on the sensitivity of terahertz technology is demanded in the field of public security and biomedicine. Traditionally, the metamaterials based on metallic structures are utilized to improve the sensitivity of terahertz technology. However, the high Ohmic and radiative loss of metallic materials restricts further improvement of the sensitivity of these metallic metamaterials, making it hard to meet the requirement of sensing of trace amount of chemical and biomedical molecules.. In this project, we put forward a new type of ultrasensitive terahertz sensing technology based on subwavelength dielectric metamaterials. Taking the advantage of low loss properties of dielectric materials, we can overcome the shortcoming of the high loss of metallic materials. Combined with the sharp Fano resonance, we can realized a resonance with more than an order larger quality factor using this dielectric metamaterials. Thus a stronger interaction between the terahertz wave and analyte can be achieved, resulting an ultrasensitive terahertz sensor. Our project will promote the application of terahertz wave in the detection of trace amount of chemical and biomedical molecules.

近年来随着太赫兹技术应用领域的快速拓展，公共安全、生物医学对太赫兹波谱技术的检测灵敏度提出了更高的要求。虽然传统的基于金属超材料的太赫兹传感技术可以提高太赫兹波的传感性能，但是由于金属材料在太赫兹波段高的欧姆损耗和辐射损耗限制了其灵敏度进一步提升，难以满足痕量生物化学分子传感的需求。. 本项目提出的基于亚波长介质超材料的新型太赫兹超灵敏传感技术，利用介质材料在太赫兹波段的低损耗特性，突破现有基于金属超材料高欧姆损耗和辐射损耗的瓶颈，并结合Fano共振，将共振品质因子提高一个量级以上，实现更强的太赫兹波与被测物质的相互作用，获得超灵敏的太赫兹传感，对促进太赫兹波谱技术在痕量化学和生物医学分子传感领域的实际应用具有重要的意义。

在基于超材料的太赫兹波超灵敏传感领域中，高的品质因子意味着更强的电磁束缚以及更强的物质与太赫兹波的相互作用，而现有基于金属超材料的太赫兹高灵敏传感技术的高欧姆损耗和辐射损耗的瓶颈使得可以达到的品质因子仅在10~50左右。本项目拟突破基于金属超材料高欧姆损耗和辐射损耗无法实现太赫兹波段高品质因子共振的局限，研究基于亚波长介质超材料的太赫兹超灵敏传感技术。在本项目的支持下，我们主要进行了以下两个方面的研究。. 本项目提出利用介质超材料低损耗特性，通过设计加工基于介质材料（高阻硅）的亚波长超结构，实现了共振品质因子Q达到了928，远远高于现有金属超材料的共振品质因子。通过进一步优化结构，可以将品质因子提升至39587，通过对传感性能进行研究，发现其传感灵敏度为16042 nm/RIU，且传感器性能参数FOM达到533，均远高于金属超材料的相关指标。利用这一介质亚波长超材料结构，我们实现了，对~1 nm的石墨烯样品的传感。. 另外，本项目提出了一种工作在太赫兹频段的基于全介质超表面的超灵敏特异性传感器。设计的超表面具有高Q值的Fano共振特性，超表面由二氧化硅衬底上的多对倾斜的高阻硅棒构成。通过扫描入射的太赫兹波角度，共振峰可以形成一个宽的反射谱带。利用这种角度扫描的方法，共振峰的反射谱带可以覆盖酪氨酸的吸收峰。通过沉积不同厚度的酪氨酸粉末，计算了传感器针对该物质的探测下限为6.7ug/cm2，并且，对该传感器的传感性能进行了详细分析，研究表明该传感器在太赫兹频段进行指纹谱识别具有广泛的应用前景。. 本项目基于亚波长介质超材料太赫兹超灵敏传感技术研究的完成可以突破传统太赫兹光谱技术灵敏度较低的瓶颈，从而促进太赫兹波谱技术在痕量化学和生物分子传感的应用。