基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法，包括从下往上依次设置的衬底、C型金属谐振环阵列超表面、石墨烯层和盖片；C型金属谐振环阵列超表面分为2组，分别为调制区与传感区，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品探测的功能。调制区注入磁流体，形成超表面

【技术实现步骤摘要】
基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法


[0001]本专利技术属于太赫兹光谱应用技术和超表面
，特别涉及一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波(THz)是指频率在0.1～10THz之间的电磁波。该波段位于毫米波和红外之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要区域。太赫兹时域光谱技术是用来分析太赫兹脉冲通过样品的样品信号和它在自由空间中传播同等长度距离后的参考信号这两个太赫兹脉冲时间分辨电场的相对变化。由于样品结构的不同，太赫兹脉冲波形的变化也有所不同，由此可求得样品的复折射率、介电常数和电导率等。通过深入分析这些实验所得的光学参数，可以在一定程度上对样品的种类进行鉴别并可得到一些与样品有关的物理和化学信息。
[0003]太赫兹超表面是指作用在太赫兹波段的新型人工材料，可以实现对太赫兹波的振幅或相位的调节。金属开口谐振环(SRR)是一种最常见的超表面结构类型，可以把SRR看作为一个含有电容电感的电路，电感主要由超表面的几何参数决定，电容与电容器的有效介电常数密切相关。当超表面被其他物质覆盖后，其局域有效介电常数的改变会引起电容的改变，从而导致其共振频率的偏移。因此，可以通过太赫兹超表面共振频率的偏移来定性或定量探测液体属性。
[0004]目前，太赫兹超表面器件多以实现单一功能为主，制备工艺相对复杂，传感灵敏度低。因此如何设计出结构简单、易于制造、调制与传感效果优异的太赫兹装置，是研究人员需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术旨在提供一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，包括从下往上依次设置的衬底、C型金属谐振环阵列超表面、石墨烯层和盖片。衬底和盖片采用过盈式链接。衬底上设置有微纳C型金属谐振环阵列超表面，C型金属谐振环阵列超表面上沉积单层石墨烯，C型金属谐振环阵列超表面的长度为20mm，宽度为10mm，厚度为800nm，分为2组，分别为调制区与传感区，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品探测的功能。盖片侧面设有注液通道，用于向调制区注入磁流体，即四氧化三铁纳米颗粒，用活塞堵塞注液通道，形成超表面
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石墨烯
‑
磁流体三层异质结光调制结构。在盖片上，对应传感区的位置设置液体探测池，盖片上还对应设有进液口和出液口。
[0007]作为本专利技术的优选方案，所述装置长度为40mm，宽度为40mm，厚度为10mm，衬底与盖片的材料为环烯烃共聚物，即COC，其太赫兹波透射率约为90％。
[0008]作为本专利技术的优选方案，C型金属谐振环阵列超表面的超表面C型单元结构的尺寸
为150μm
×
150μm，厚度为800nm，材料为金，C型单元结构外半径R1＝60μm，内半径R2＝40μm，开口a＝20μm。
[0009]所述装置在调制区内，利用磁流体的线性二相色性和石墨烯的高载流子迁移速率，在外加磁场的控制下，使结构电导率增加，太赫兹透射率下降，实现太赫兹振幅调制，最大调制深度约为60％。调制深度定义如下：
[0010][0011]其中MD为调制深度，P
max
为最大振幅值，P
min
为最小振幅值。
[0012]所述超表面
‑
石墨烯结构会在1.1THz处产生共振吸收峰，当在液体探测池注入被测液体样品后，吸收峰发生频移现象，频移量与液体属性成拟合趋势，实现了对液体样品的特异性检测。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述装置制备流程如下：
[0014]步骤一：使用激光雕刻机切割两片COC方片，作为衬底和盖片。利用铣刀在盖片上铣出调制区的槽与传感区的槽。并在调制区的槽铣出注液通道，在传感区的槽使用特制钻头打出进液口与出液口。
[0015]步骤二：依次用酒精和去离子水在超声中清洗衬底，使用氮气吹干。并在衬底四周及中间横向粘贴耐温胶带。
[0016]步骤三：在所述衬底上旋涂光刻胶，并放置光刻板；将光刻胶进行曝光和显影处理；利用测控溅射工艺，在所述未被光刻胶覆盖区域上生长C型金属谐振环阵列，并剥离所述光刻胶。
[0017]步骤四：利用化学气相沉积法制备石墨烯层，然后将所述石墨烯层转移至衬底上。
[0018]步骤五：撕去衬底上的耐热胶带，利用过盈式卡槽将衬底和盖片闭合，进行气密性测试。从盖片侧面注液通道向调制区注入磁流体，注液完毕后用活塞堵塞注液通道。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]1.装置同时具备太赫兹传感与调制功能，制备流程简单、材料损耗低、耐腐蚀、并且重复利用率高。
[0021]2.石墨烯层的引入可以大幅度提高载流子的迁移速率，使电导率变化更快，实现高灵敏度传感。
[0022]3.磁流体，即四氧化三铁纳米颗粒，在外加磁场作用下会展现良好的线性二项色性，是一种新型的太赫兹调制材料。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，如附图所示的仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术装置的三维结构示意图。
[0025]图2为本专利技术装置COC衬底的三维结构示意图。
[0026]图3为本专利技术装置COC盖片的三维结构示意图。
[0027]图4为本专利技术装置C型金属谐振环阵列的单元结构示意图。
[0028]图5为本专利技术装置在外加磁场作用下太赫兹波振幅调制示意图。
[0029]图6为本专利技术装置传感区在0.1
‑
1.8THz波段透射率曲线图。
[0030]1‑
COC衬底，2
‑
COC盖片，11
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C型金属谐振环阵列，12
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石墨烯，21
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调制区，22
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传感区，211
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注液通道，212
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活塞，221
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液体探测池，222
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进液口，223
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出液口。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的优点更容易理解，将通过参考附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本专利技术。
[0032]参考图1、图2和3，基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，装置从下往上包括依次设置的衬底1、C型金属谐振环阵列超表面11和盖片2；
[0033]C型金属谐振环阵列超表面11上沉积有石墨烯层12；
[0034]C型金属谐振环阵列超表面11分为两组，分别为调制区21与传感区22，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品检测的功能；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，其特征在于，装置从下往上包括依次设置的衬底(1)、C型金属谐振环阵列超表面(11)和盖片(2)；C型金属谐振环阵列超表面(11)上沉积有石墨烯层(12)；C型金属谐振环阵列超表面(11)分为两组，分别为调制区(21)与传感区(22)，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品检测的功能；盖片(2)侧面设有注液通道(211)与调制区(21)连通，用于向调制区(21)注入磁流体；注液通道(211)入口设有活塞(212)用于堵塞注液通道(211)；盖片(2)在传感区(22)对应的位置设置液体探测池(221)，液体探测池(221)处设有进液口(222)和出液口(223)。2.根据权利要求1所述的基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，其特征在于，装置长度为40mm，宽度为40mm，厚度为10mm，衬底(1)与盖片(2)的材料为环烯烃共聚物。3.根据权利要求1所述的基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，其特征在于，所述的微纳C型金属谐振环阵列超表面(11)长度为20mm，宽度为10mm，厚度为800nm。4.根据权利要求1所述的基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，其特征在于，C型金属谐振环阵列超表面(11)上的超表面C型单元结构的尺寸为150μm
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150μm，厚度为800nm，材料为金，C型单元结构外半径R1＝60μm，内半径R...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆昊，王雪妍，苏波，张盛博，张存林，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：