金反射镜增强的介质超表面痕量太赫兹指纹传感实验研究- 大数跨境

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金反射镜增强的介质超表面痕量太赫兹指纹传感实验研究

两江科技评论

2023-10-14

导读：近日，厦门大学国家示范性微电子学院的朱锦锋教授团队联合中国工程物理研究院的朱礼国研究员、青岛青源峰达太赫兹科技有限公司的孟坤博士等学者开展联合攻关。

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撰稿|由课题组供稿

导读

许多类型的生化分子在太赫兹波段（0.1 THz ~10THz，30μm -3000μm）表现出一系列独特的吸收峰，被称为太赫兹分子指纹谱，这一特性使得人们可以利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）等方法来特异性地识别生化分子。作为一种无损技术，太赫兹指纹谱技术为分子免标记检测提供了一个重要手段。然而，太赫兹波长和痕量分析物的尺寸不匹配导致相对较弱的光-物质相互作用，极大限制了该技术的推广和实际应用。近年来，由人工微结构组成的超表面因其出色的局域光学近场增强特性，被广泛研究并用于增强痕量物质的太赫兹响应。特别是，介质超表面被认为具有比金属超表面低得多的光学损耗，在痕量分子指纹传感增强研究中已经获得极大关注。尽管介质材料具有较低的消光系数，但实际应用中，它的太赫兹光学损耗往往不可忽视，尤其是当介质超表面的结构厚度远大于痕量样品的厚度时，其损耗将变得相当可观，这将阻碍痕量太赫兹分子的指纹检测。当前，已有的太赫兹指纹检测研究通常在理论上假设介质材料没有损耗并进行电磁仿真分析，而相应的实验研究则鲜有报道。

近日，厦门大学国家示范性微电子学院的朱锦锋教授团队联合中国工程物理研究院的朱礼国研究员、青岛青源峰达太赫兹科技有限公司的孟坤博士等学者开展联合攻关。研究了介质光损耗在太赫兹痕量分子指纹传感中的影响，基于有耗硅介质材料制备了一种金反射镜增强的介质超表面（如图1所示），并利用180°透反射测试平台（如图2所示）成功实现了角度多路复用的超表面传感检测，该方案在有耗硅超表面上显著增强了痕量分析物的宽带指纹信号。相关成果以“Enhancing Trace Terahertz Fingerprint Sensing by the Lossy Silicon Metagrating with a Gold Mirror”为题发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上（DOI: 10.1109/TMTT.2023.3314094）。

图1 金反射镜增强的角度多路复用太赫兹有耗硅介质超表面传感器

图2 180°透反射测试平台及测试光路

研究亮点

该工作首先从理论上通过全波电磁模拟研究了金反射镜对有耗硅介质超表面检测痕量α-乳糖的影响（图3）。研究发现，在没有金反射镜的超表面上加载α-乳糖涂层仅能引起吸收包络的微弱变化（图3a），而有金反射镜情况下，吸收包络则发生了显著变化（图3b）。为了更深入地理解金反射镜对于痕量分子指纹传感的影响，研究者们进一步分析了有耗硅和痕量α-乳糖的太赫兹吸收（图3c）。结果显示，在无金反射镜情况下，大部分的太赫兹波都被有耗硅所吸收，而痕量α-乳糖由于厚度远小于介质超表面，其吸收信号十分微弱。相比之下，金反射镜的引入显著增强了痕量α-乳糖与太赫兹波的相互作用，使其吸收信号显著提升。值得一提的是，在以往理想的无耗介质仿真设计中，在分析物加载后吸收包络通常也会产生显著变化，因此，研究者们进一步对比了没有金反射镜的无耗硅介质超表面（图3d）。结果表明，痕量α-乳糖的指纹信号可以通过无金反射镜的无耗硅超表面增强。然而，当硅材料中引入相对低的消光系数(k=0.01)时，指纹信号的强度急剧下降，说明介质损耗极大阻碍了痕量分子指纹的传感；相反，带有金反射镜的有耗介质超表面上痕量α-乳糖指纹吸收信号则非常显著，由此可见，金反射镜可以有效增强有耗超表面中痕量分析物的指纹检测信号。

图3 有无金反射镜情况下对8μm厚α-乳糖检测的仿真对比

在上述理论分析的基础上，为了评估所提出方案的实际传感性能，该团队利用紫外光刻技术和磁控溅射技术制备了带有金反射镜的有耗硅超表面，并利用反射式的太赫兹光路进行了痕量分子指纹宽带传感检测实验验证（图4）。在图4a中，利用金反射镜和标准金参考测量超表面的反射信号，再利用快速傅里叶变换将时域脉冲信号转换成频域反射光谱。由于金反射镜阻止了太赫兹波的传播，超表面的透射率为零，不同入射角下的吸收率通过公式A=1-R-T求解（其中R和T分别表示反射率与透射率）。由于金反射镜和超表面的共同作用，传感器上的痕量α-乳糖粉末指纹峰吸收信号相比于无结构衬底提高了43倍。为了证明该方案的通用性，研究者们进一步对超薄氧化钽（Ta₂O₅）薄膜进行了相关检测。如图4f所示，Ta₂O₅的吸收信号在0.51THz处表现出增强的指纹峰，并且最大峰值增强高达98倍。以上结果表明该方案成功实现微量粉末和薄膜样品的太赫兹宽带分子指纹增强传感。

图4 乳糖实验检测结果(7μg/mm²)与超薄氧化钽薄膜实验检测结果(1μm厚)

总结与展望

综上所述，该工作构建了基于有耗介质材料的痕量太赫兹指纹宽带增强传感方法，深入探究了相关传感增强的电磁波机制，并开展了相应的实验验证，为实现高性能太赫兹痕量分子指纹检测提供了理论指导和实验依据。

厦门大学国家示范性微电子学院朱锦锋教授为该研究工作的通讯作者，课题组博士生谢奕浓、刘雪莹为本论文的共同第一作者，电子科技大学周俊副教授、剑桥大学张慧芳博士、宁波东方理工大学电子科学与技术学院院长柳清伙教授、中国科学院深圳先进技术研究院魏东山研究员以及广东大湾区空天信息研究院陈学权研究员为研究开展提供了必要帮助。该工作得到国家自然科学基金联合基金项目（U2130112、U1830116）、国家自然科学基金(62175205)、福建省杰出青年科学基金(2020J06009)以及2022福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才项目等研究课题的支持。