基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器制造技术

本实用新型专利技术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，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。本实用新型专利技术具有结构简单、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。泛适用于太赫兹波段的物质检测与识别。泛适用于太赫兹波段的物质检测与识别。

【技术实现步骤摘要】
基于环形偶极共振的太赫兹超表面传感器


[0001]本技术属于电磁波功能器件
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]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，本技术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。本技术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。
[0007]本技术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。
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]本技术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：
[0020]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。
[0021]本技术的有益效果是：
[0022]1、本技术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。
[0023]2、本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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0.000...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈徐，范文慧，江晓强，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：