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ManBetX正网人工微结构太赫兹传感器的研究进展

日期: 2019-08-07
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  中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究院中国科学院纳米器件与应用重点实验室,中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院,暨南大学纳米光子学研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室

  摘要:近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。

  太赫兹波是频率在0.1-10 THz,对应波长30um-3mm的电磁波,作为电磁波谱中的“太赫兹空白”,其相关技术研究是当前重要的交叉前沿领域。作为介于红外到微波的频段,太赫兹波具有很多优势,比如能量低、传透性好、大带宽等。尤其是很多生物大分子的旋转、平移和转换频率在太赫兹频段,具有特征的“指纹效应”,因此促进了太赫兹传感检测这一新兴技术的发展。例如利用太赫兹光谱分析技术可以容易的分辨出和非毒白色粉末。目前大多数太赫兹波物质检测与分析都基于太赫兹时域光谱系统(THz-time domain spectroscopy,THz-TDS),通过对在时域中测到的含样品信息的太赫兹脉冲信号进行傅里叶变换得到物质的透射或反射光谱。由于这种技术是基于物质的吸收特性,因此需要一定量的样本才能获得可分辨的信号。尤其对于薄膜材料检测而言,其厚度的检测限基本在数百纳米到数微米,因此对于微量样品的高灵敏检测难以满足需求。如何增强太赫兹波与被测物的相互作用,从而提高传感灵敏度,是推进太赫兹传感器实际应用的关键。

  人工微结构可以改变电磁波传输过程中的电磁参数空间分布,从而有效操控电磁波的传输与局域。人们已经利用微纳结构实现了异常透射、电磁感应透明、全吸收、偏振转换、突变相位等新颖的电磁效应。这些效应对人工微结构的材料和结构参数都非常敏感。因此,通过构建人工微结构,将其作为传感检测的平台,并结合强度、相位、偏振等检测手段,有望增强被测物对太赫兹波传输特性的影响,从而大幅提高传感的灵敏度。在这篇综述中,笔者将聚焦光学折射率传感机制,介绍基于表面等离子体(SP)、超材料、光子晶体、波导等各种微结构的太赫兹传感原理,并介绍相关研究的进展和现状,通过对比各种技术的特点和现有性能,讨论太赫兹传感技术未来发展的趋势。

  相比于电学和化学传感器,光学传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、电学和化学稳定等优点,因此在生命科学、食品安全、化学监测和环境监测等领域有重要的应用。广义的光学传感器是对被测物光学参数的感知,因此太赫兹传感器就是对被测物在太赫兹波段的电磁参数的感知。通过探测和分析光波的强度、相位和偏振等相关信息的变化来辨识被测物或监测生物化学反应过程。折射率是最为典型的光学参数,其中折射率的实部影响光波相位,虚部影响光波强度,而其各向异性分布决定着偏振和手性等。通常,光学折射率传感器都会基于各种光学效应引入共振机制,来增强光波与被测物的相互作用。如图1所示,f0为共振频率,它与结构参数和外界环境非常相关,因此微弱的折射率扰动∆n将带来共振频率的移动∆f。同时,对于一个固定的频率,比如f0,这种折射率扰动还带来了光强的变化∆I。通过光谱分析系统检测出这些变化,就能获得被测物的信息。然而光谱分析系统在微弱信号探测和光谱分辨率方面都有其硬件限制,比如当前的THz-TDS系统的频率分辨率在5GHz左右,因此需要优化设计微结构来实现更大的∆f和∆I的变化。这里需要定义一个灵敏度S来定量的衡量不同器件的性能优劣。对于采用强度传感的方法来说,灵敏度Sl是光谱强度变化∆I与折射率变化△n的比值,即:SI=∆I/∆n;而对于采用光谱移动来传感的方法,灵敏度Sf是共振频率变化∆f与折射率变化∆n的比值,即:Sf=∆f/∆n。∆n的单位是RIU(Refractive Index Unit),因此St和Sf,就表示每个单位折射率变化产生了多少的强度或频率的变化。然而由于传感器的灵敏度Sf和所在的工作波段有关,因此使用归一化的灵敏度Sf来排除工作波段的影响,定义为:Sf=Sf/f0。除了灵敏度以外,品质因子Q(quality factor),也是表征传感器性能的另一个重要参数,可以用来体现光学共振的性质。Q越大,说明共振体系的损耗越小,共振峰越窄,即半高宽FWHM(Full Width at Half Maximum)越小。品质因子可通过中心频率和半高宽的比值获得,Q=f0/FWHM。从图中可以看到,图中实线和虚线分别代表被测物折射率为n和n+∆n时的光谱;蓝色线和红色线分别代表两个不同的传感器。图中∆f和∆I分别表示被测物折射率变化为∆n时,光谱峰位和光谱强度的变化。红线代表的光谱在被测物变化前后的频率移动和蓝线代表的光谱相同,即传感灵敏度Sf相等。然而,由于红线光谱的FWHM比蓝线光谱的大,因此在实际测量中蓝线光谱的变化更容易被分辨出来,即体现了更好的传感性能。一般定义品质因数FOM(Figure of Merit)=Sf/FWHM来定量评估,即同时保证高灵敏度和高品质因子的传感器性能就最佳。

  如上述,光学折射率传感器的性能需要高灵敏度和高品质因子,因此人工微结构太赫兹传感器的发展也是遵循着这个原则,其微结构的优化分为两个主要目标,即提高灵敏度和提高品质因子。前者需要太赫兹波的共振模式的局域场分布与被测物在空间上能够更大程度的重叠,增加传感区域从而增强相互作用;后者需要共振模式具有更低的损耗。总的来说,人工微结构太赫兹传感器的基本原理包括:(1)仿表面等离子体共振(Spoof Surface Plasmon Resonance,Spoof SPR);(2)超材料或超表面;(3)光子晶体;(4)波导结构等。下面将分别介绍其工作原理和技术特点,以及目前的研究进展。

  表面等离子体共振(SPR)是近年来微纳光学领域的研究热点,是光学生物传感技术的典型代表,展现了极高的灵敏度,并被成功的产业化。如图2(a),表面等离子体波指的是金属中的白由电子在外界光场的作用下发生集体的振荡,而产生的沿着金属和介质界面传播的表面波,其场分布在界面处最大,并向界面两侧衰减。如图2(b)和(c)所示的色散关系和电磁场分布,它具有比同频电磁波更短的波长,因此更加局域的场分布。这种局域使得电磁波传输对金属表面非常敏感,因而可以用于传感检测。可见光频段的SPR传感器已经有大量的研究,结合差分相位的方法目前最高传感灵敏度达到2.8×10-9RIU。然而,金属材料的等离子体频率一般都在紫外波段,在太赫兹波段的介电常数绝对值非常大,其趋肤深度非常小,电磁波基本不存在于金属内部,可被视为理想导体。因此,这种情况下虽然原则上依然能传播表面等离子体波,但其场分布的界面局域特性减弱,难以实现高灵敏的折射率传感。这一点与SPR色散曲线在低频段和光线(Light Line)几乎重合是吻合的。2004年,英国帝国理工大学的Pendry教授提出了在金属表面形成周期狭缝和孔阵列来实现Spoof SPR的方法(图2(d)),并在次年得到实验验证。这些亚波长的周期孔阵显著的增强了太赫兹波在金属中的渗透,并获得太赫兹波在界面的亚波长局域(图2(f)),其色散关系如图2(e)与可见光波段平面金属膜的SP波色散非常类似。而且,这个亚波长结构层的等效等离子体频率仅与金属表面结构的几何参数有关,因此可以通过调控结构参数在任意频段实现类似可见光波段的SPR特性,大大提高了低频段的传感灵敏度。

  图2 (a)金属一介质界面的表面等离子体波示意图;(b)表面等离子体波的色散关系;(c)条纹金属结构光子扫捕隧道成像图;(d)期性理想导体金属凹槽结构示意图;(e)太赫兹仿表面等离子共振的色散关系;(f)仿表面等离子共振的空间电场分布

  激发Spoof SPR最直接和常见的方法与可见光频段用棱镜耦合的方式激发SPP类似,通过棱镜折射率和入射角度的调节,可以实现波矢的匹配。如图3(a)所示,Maior等人在金属凹槽阵列结构上构建Otto棱镜耦合实现了太赫兹波段Spoof SPR的激发。其场分布局域在凹槽表面很小的区域,尤其是凹槽两侧金属壁的顶角处(图3(b))。波矢匹配的情况下,入射太赫兹波的能量会转移到Spoof SPR,对应反射光谱中的一个低谷。可以看到,间隙大小对最低反射率有很大影响,从耦合模理论来理解,间隙大小影响辐射损耗,可调控关键耦合条件。由于Spoof SPR电磁特性与表面环境密切相关,因此可以用来检测棱镜与凹槽间隙中的被测物。如图3(c)所示,不同气体和液体被测物产生了不同的反射光谱,即实现了传感检测。通过拟合评估,此器件的传感灵敏度达到0.49 THz/RIU,假设频率分辨率为10 GHz时,其折射率检测限为0.02 RIU。其中氮气,石油和蜡的吸收系数比较小,因此获得窄带即高Q的共振吸收,而甘油和水由于对太赫兹波的吸收较高,导致共振吸收峰展宽。因此检测不同样品时器件FOM有不同,氮气最高49,而甘油最低仅为7。此外,因为共振频率处相位发生突变,通过分析相位差谱的平移,也可以实现传感。而THz-TDS的一个特点就是同时能够获得相位信息,因此作者也分析了相位传感的特性,研究发现相位传感的品质因子比幅度传感高4倍,因此相位传感将显著提高器件品质因数。

  棱镜耦合需要较复杂的光路对准,实用操作不太便利。如图3(d)所示,在金属薄片上刻蚀出周期性微孔阵列,也能在入射太赫兹波照射下激发出表面强场局域的Spoof SPR,并在太赫兹波段形成一个透射峰。这种共振类似可见光波段的异常透射现象,其传输特性与孔阵列的材料结构参数相关,因此孔内介质折射率的变化将引起透射光谱的改变。将这种简单结构放在不同辛烷值的汽油中,ManBetX正网并利用THz-TDS进行光谱分析,就可以实现不同辛烷值汽油的辨识。由于汽油的吸收系数很小,因此不同辛烷值汽油的差异主要体现在折射率实部,光谱中共振峰的位置发生移动,但强度几乎没有变化。从图3(e)可见,93号和97号汽油对应的共振峰在0.91 THz附近发生了大约6 GHz的频移,相当于2 THz/RIU的传感灵敏度,相比于前述棱镜耦合的方法,是非常高的水平。不过,由于周期结构的引入导致电磁场更多的进入到金属内,因此类似可见光波段的SPR,其Q值很小仅为6。而且,由于频率移动量接近系统的分辨率,误差较大,分辨难度还是较大,综合器件的品质因数FOM为13。Maier课题在之后的研究中,采用散射边缘耦合机制与短时傅里叶变换方式相结合来替代之前棱镜耦合的方式来激发Spoof SPR,并且实验获得了一系列待测物质的色散关系,其中待测物折射率最小为空气n=1,最大为甘油n≈1.85,从而说明Spoof SPR可以实现宽波带的太赫兹传感。

  图3 (a)左侧为支持Spoof SPR的金属光栅结构示意图,其中红色部分为光刻胶,黄色部分为金,右侧为使用Otto棱镜耦合激发Spoof SPR的示意图;(b)棱镜与Spoof SPR之间的距离变化导致的反射光谱的变化;(c)当棱镜与Spoof SPR的距离保持为70 um时,不同被测物的反射光谱;(d)太赫兹纳米孔阵列传感器示意图及测试光路;(e)93和97号汽油的实测透射光谱

  超材料一般是指基于人工周期微结构且具有特殊电磁特性的结构,其微结构的特征尺寸远小于对应的波长,因此可应用等效介质模型,构建出超出白然材料所具电磁特性的人工材料,比如负折射,光频磁共振,超高介电常数等。对于仅有一层微结构即二维平面周期结构的情况,也称之为超表面。超材料电磁器件由于可以从广义的“结构分子”层面去构筑,因此具有对电磁波各种矢量参数极高自由度的调控能力,对于传感器件研发而言,获得了很大的设计空间。在超材料结构太赫兹传感方面,典型结构代表包括:(1)开口谐振环SRR(SplitRing Resonator),(2)超材料吸收器MA(Metamaterial Absorber)。

  开口谐振环SRR是最为典型的一类超材料结构,其结构如图4(a)所示。由于太赫兹频率接近微波,其构成材料多半为金属,因此开口处可视为一个电容,而环可以看作为电感。从等效电路模型角度看,这个结构就构成了LC振荡电路,共振频率为:

  SRR结构参数决定了共振频率,通过合适选择可以在太赫兹波段任意频率实现共振,对应结构透射谱中的低谷。开口环周围环境的变化势必引起等效电容和电感的变化,因此也将改变共振频率,通过检测这个变化就可实现传感。

  图4 (a)开口谐振环结构的电场分布及等效电路图;(b)SRR开口的不对称性对透射光谱的影响

  Xu等利用开口谐振环构建超材料实验探测链霉亲和琼脂糖(SA)。实验中分别在硅基底和石英基底上制作SRR构建超材料,将50ul的SA与生物素与十八硫醇(ODT)和生物素混合制成待测样品。采用石英基底的超材料会产生两个共振,在高频共振-2 THz,有样品会使得结构共振峰产生6.76 GHz的移动,且Q值小于10,因此说明SRR超材料可以用于物质的检测,但是检测的灵敏度有限,传感性能有待提升。针对这个问题,研究者提出了非对称结构SRR。如图4(b)所示,Singh等系统地研究了非对称的开口谐振环结构开口位置和入射光偏振的影响。这种非对称结构的SRR会产生三种共振机制,分别是LC共振、偶极子共振和四偶极子共振,同时发现随着开口距离SRR中心越远,将会产生高Q的四偶极子共振峰。并且对共振处的表面电流分布做了模拟,SRR不对称导致这种四偶极子共振时电流分布会非常微弱地散射电磁场,并且极大地减少了耦合到自由空间的能量,从而导致辐射损耗的巨大减少,最终产生非常尖锐的共振峰。从图4(b)中可以看到,四偶极子共振的共振峰在1.75附近,当光水平偏振入射时,可以产生高达95的Q因子。因此这种将场很好局域的四偶极子模式将会对太赫兹的生物传感提供了新的手段。

  除了以上提及的单开口的SRR结构外,还有一些结构更加复杂的SRR结构用于传感。如图5(a)所示.Debus和Bolivar设计了双开口不对称的SRR,对于完美导体材料,计算的Q因子高达40,同时场会局域在双开口环周围。计算表明将介电常数为3.2.厚度为10 nm的物质沉积在结构表面,会导致位于867 GHz处的共振峰发生5GHz的移动,即S=6.3 GHz/RIU。Singh分析了双开口不对称SRR结构中Fano共振和四偶极子共振的太赫兹传感特性,如图5(b)所示,四偶极子共振Q值高达65,而Fano共振的Q因子也达到28,远高于之前的结构产生的共振峰。在待测物的厚度保持在16um时,Fano共振可以实现最大49.3GHz/RIU的灵敏度,而四偶极子可以实现33 GHz/RIU的灵敏度,但是FOM依然小于10。Bettiol等采用回字形嵌套的双SRR结构,并在其表面涂覆介电常数为2.7的光刻胶,采用THz-TDS测量了光谱特征,如图5(c)所示,其中一层光刻胶的厚度约8um,两层约为12 um,三层约为16um。可以实现共振峰640 GHz实现了近120 GHz的峰位移动,传感灵敏度最高达到180 GHz/RIU,Q值小于5。随后,Bettiol等又研究SRR的横纵比和衬底的厚度来调节SRR的LC谐振和灵敏度,研究结果表明当在薄衬底上采用较低的SRR的结构对外界折射率改变会更加的敏感,在传感领域展现出更大的潜能。Omenetto设计了如图5(d)所示的四开口SRR结构,不同偏振下电磁场局域在不同方向的开口处。在纯硅衬底和附有氮化硅薄膜的硅衬底上分别制备了这种传感器,对于不同的蛋白质薄层,采用附有氮化硅薄膜的硅衬底的传感器表现出更高的灵敏度。这可能来源于氮化硅更低的折射率,因此光场更多的扩展到SRR表面区域。此外,Singh课题组利用超薄、低折射率、柔性的聚酰亚胺作为衬底材料,在表面做双开口不对称的金属SRR结构,可以实现在结构两侧传感,同时材料可以任意弯曲,从而可以实际应用于可穿戴的太赫兹传感器中(图5(e))。该传感器的性能和衬底的厚度有关,当衬底的厚度在5um时,可以实现归一化的灵敏度为0.06 RIU-1,Q因子为4.8,FOM为0.3。究其原因,SRR发生等离子共振时,能量将会有一部分消散在衬底部分,因此减小衬底的厚度,器件的性能得到提高,这同时也是该文献中采用正面传感的灵敏度远高于背面传感的原因。

  图5 (a)对称/不对称结构SRR传感器的反射光谱,其中实线为不对称金材料SRR,虚线为对称结构金材料SRR,点线为采用完美导体材料的不对称SRR。插图:双开口不对称金材料SRR在共振频率的电场分布;(b)非对称双开口SRR结构有无待测物时四偶极子共振产生的透射光谱;(c)嵌套SRR太赫兹传感器涂覆不同厚度光刻胶的实验透射光谱及结构示意图;(d)硅衬底和附有氮化硅薄膜的硅衬底上的四开口SRR传感器针对不同蛋白质薄膜样品的透射光谱,左:四开口SRR示意图及其共振频率电场分布图;(e)柔性SRR传感器及其传感特性

  以上SRR传感器都是基于平面内的开口环结构,共振模场局域在开口间,并且一部分模场在衬底内部,限制了电磁场与被测物的相互作用。三维SRR结构的传感器相继被提出。如图6(a)所示,与前述平面型的SRR结构相比,电磁场扩展到三维空间,可以增大与待测物质的相互接触面积,从而提高传感的灵敏度。计算得到的表面电流分布如图6(b)所示,可以看到在开口处能量的密度最大同时采用金属孔支撑垂直SRR结构,会使得更少的能量消散在基底上,这样会大幅提高有效能量与待测物质的相互作用,进而提高灵敏度。Cheng等设计了由四个U型SRR构成的超材料传感器,如图6(c)所示,计算得到传感灵敏度达到1445 nm/RIU,Q因子达到41.2,FOM达到28.8。Yan等设计了双开口垂直面型的超材料太赫兹传感器,如图6(e)所示,计算得到灵敏度为788 GHz/RIU,Q因子约为20,FOM约为10。

  图6 (a)和(b)三维SRR超材料单元结构示意图及其共振频率时单元结构的表面电流分布;(c)组合U型环的三维超材料结构示意图及其共振频率处的功率损耗密度;(d1,(c)结构仿真的传感特性;(e)和(f)基于双开口垂直SRR的超材料单元结构示意图及其仿线

  基于超材料吸收器的太赫兹传感器超材料吸收器是另一类典型的超材料结构,通常由金属一介质一金属(Metal-dielectric-metal.MDM)三层结构构成.如图7(a)所示。其中底层金属膜厚度超过穿透深度,因此入射太赫兹波没有透射,而顶层金属为周期性微结构,介质层的厚度一般都远小于波长。这个结构中上下两层金属非常靠近,通过耦合形成了所谓的磁共振模式。其典型特征就是共振频率处,上下层金属表面电流反向,从而构成了一个垂直截面中的电流回路,因此支持磁共振。从能流图中可以看到(图7(d)),入射能量垂直向下传输,并通过顶层金属狭缝进入到介质层中,并形成横向传输。通过优化设计,这种耦合导致的磁共振可以实现极强的电磁场局域(图7(C)),并获得共振频率处的零反射和零透射,即完全吸收(图7(b))。

  基于完美吸收的超材料的传感器研究广泛,通常将待测物质与表层金属接触来传感,如图8(a)所示。Giessen最早设计了红外波段的超材料吸收器,顶层金属采用圆形微盘,实验测量的空气和水作为被测物时的吸收光谱如图8(b)所示,灵敏度达到400 nm/RIU.FOM达到87。Cattoni等同样设计了红外波段的超材料吸收器,顶层金属采用方形光栅,采用二阶模式进行传感,从而实验获得了405 nm/RIU的灵敏度和约21的FOM。同样在太赫兹领域也可以将超材料吸收器应用于传感领域。图8(c)中Singh等采用顶层十字形金属微结构的设计获得的Q=11.6和FOM=2.5。然而,从图7(c)所示共振磁场分布可以看到,能量集中在介质层,若将待测物放置在介质层将极大地促进光与物质的相互作用,进而提高传感性能。因此笔者课题组提出了如图8(e)所示的器件结构,将微流通道与MDM的超材料结构进行一体化集成,其中衬底是在硅材料上生长一层金薄膜,盖层采用在石英衬底上制作十字型的金属微结构,金属膜和金属微结构相对并且其间就是微流通道。从图8(f)可以看到,吸收的效率高于70%,而在折射率大于1.75时已接近完美吸收。器件的灵敏度达到3.5 THz/RIU,远高于参考文献的传感灵敏度,这得益于大幅提高的电磁场与被测物的空间重叠。但是,这种金属超材料结构的损耗都较高,Q因子仅为10,导致FOM也小于10。

  图8 (a)表面集成微流通道的超材料吸收器结构的太赫兹传感器示意图和实物照片;(b)红外超材料吸收器在不同被测物情况下的吸收谱测试结果,插图:样品的SEM示意图;(c)表面集成微流通道的十宁形结构的太赫兹超材料吸收器单元示意图;(d)超材料结构表面涂覆11um的光刻胶和不涂覆时的反射光谱图;(e)微流通道集成于器件内部的一体化集成超材料吸收器太赫兹传感器示意图;(f)计算不同折射牢液体对应的仿线

  通过单元结构设计,可以在超材料中实现多个共振峰,从而获得较大频率范围的传感。如图9(a)所不,Wang等在硅衬底上制备SRR超材料结构,在1.75 THz和0.51 THz各存在一个共振模式,灵敏度为60 GHz/RIU,Q值不到7,FOM不足。OHara采用嵌套SRR结构构建超材料传感器,如图9(b)所示,也支持两个共振模式,灵敏度大概为60 GHz/RIU,Q值小于10。Zhai等采用十字金属的MDM吸收器结构进行太赫兹传感实验,如图9(c)所示,在1~3 THz内产生两个共振峰,高阶模的传感灵敏度远远高于基模,高阶模的传感灵敏度(1.48THz/RIU)和Q值(48)均为基模的7倍左右,FOM高达24.6。Wang等则采用不对称十字金属MDM吸收器结构,如图9(d)所示,在0.8-3.3 THz范围内形成三个吸收峰,前两个峰是由不对称的金属十字产生的基模共振或者局域的电磁响应产生的,而第三个峰是由相邻结构之间的共振产生。第三个吸收峰随着周围环境折射率变化较为显著,理论可以实现1.6 THz/RIU的传感灵敏度和14.55的FOM。Yahiaoui等采用薄层的柔性聚合物作为MDM结构的中间层,制作了柔性、超薄的太赫兹超材料吸收器,如图9(e)所示,在0.15-0.85 THz范围内也获得三个共振吸收峰,分别获得54、119、139 GHz/RIU的传感灵敏度。该结构具有良好的机械灵活性和传感稳定性,在集成于芯片的太赫兹传感器方面有潜在的应用前景。图9 多共振峰的超材料传感器

  光子晶体(Photonic Crystal,PC)是另一种常见的微纳光子结构,其典型特征是具有类似电子禁带的光子禁带,因此可以形成良好的光场局域,被广泛用于光学传感。光子晶体通常由不同折射率的材料周期性排列而形成,这类似与原子品格,由于布拉格散射形成了特有的能带结构,这是物理机制上光子晶体与超材料的区别。从物理结构上看,光子晶体的周期与波长相比拟,而超材料结构的周期远小于波长。通过人为破坏光子晶体的周期性,即插入缺陷结构,就可以形成光场局域的谐振腔,其共振频率取决于腔模的等效光程。因此,通过将被测物引入到缺陷态场分布所在的地方,其折射率的变化将影响光程,从而改变腔共振的频率,实现传感。如图10(a)所示,Benz等基于PC谐振腔量子级联激光器构建了一种工作在THz波段的气体传感器,当气体充入到PC的柱子之间时会影响光子晶体腔的谐振,从而改变发光光谱。如图10(b)所示,最大实现激光的中心频移1.5 GHz.归一化灵敏度为0.025/RIU,在激发频率2.5 THz处可以实现高达2.5x107的Q因子,折射率探测达到1.6x10-5 RIU。Chang基于柱阵列结构的光子晶体制作了太赫兹波段的微流传感器,如图10(c)所示,相比于平面硅衬底,光子晶体结构支持一个谐振,当被测液体在柱子阵列间隙中流过时,就形成了共振峰的频移。文中实验测量了丙酮、乙醇和石油在l THz附件的透射光谱,共振峰半高宽约0.2 THz,Q因子不足10.得到的光谱的峰位移动0.02THz。这种光子晶体结构与太赫兹波入射方向垂直,因此太赫兹波与被测物的作用长度有限。Hanham等展示了一个片内光子晶体传感器,光在光子晶体平面内波导中传输,大大增强了传感灵敏度,获得纳升级流体样品检测的能力。如图10(d)所示,Q超过1 000,然而光子晶体腔的传感区域太小,峰位移动仅在MHz级别,归一化灵敏度在1.5×10-4 RIU-1。Fujita等制作了平面波导集成的光子晶体腔太赫兹传感系统,其中采用光子晶体微腔作为谐振器,同样采用PC的一部分作为传感区域,光在结构平面内入射,并将共振隧穿二极管(RTD)作为信号产生器和探测器,如图10(e)所示。此太赫兹传感器在共振频率318 GHz处Q超过10000(图10(f)),但在聚酯胶带传感实验中展现的归一化灵敏度仅为0.002/RIU.综合得到的FOM小于20。

  图10 (a)和(b)基于光子晶体量子级联激光器的传感器示意图及其气体传感光谱图;(c)垂直入射型光子晶体传感器及计算和测试的透射光谱;(d)片上光子晶体腔传感器的共振峰频移和品质因子的倒数的变化关系;(e)和(f)基于光子晶体腔和共振隧穿二极管的太赫兹传感模块示意图及其对不同宽度聚酯胶带进行检测的光谱图

  可见,太赫兹光子晶体腔传感器可以实现非常高的Q值,电磁场强局域在光子晶体腔内,然而由于传感区域相对整个结构来说太小,导致与被测物作用不足,灵敏度非常低。

  集成光学波导传感技术也是传感领域的一个重要分支。波导传感器主要利用的是波导的倏逝波进行传感。波导支持不同的传导模式,与波导的有效介质折射率有关。当波导周围的物质的折射率发生变化时,将会导致波导有效介质折射率的变化,传导模式发生变化,导致共振峰位的移动,因而可以用来对物质的折射率进行检测。如图11(a)所示,Mittleman等制备了包括两个共振腔的平行板太赫兹波导传感器,两个共振腔分别实现1.21x106nm/RIU and 6.77x105 nm/RIU的传感灵敏度,Q值分别为26和145,FOM分别为23和85。

  图11 (a)带有两个凹槽的平行板波导传感器及不含待测物质时的理论(灰线)和实验(黑线)光谱;(b)设计传感器灵敏度与生物样品容量的高度变化的关系,插图:三维MDM太赫兹波导传感器的示意图;(c)太赫兹表面等离子体光波导传感器示意图,被测物在一维周期性阵列的金属凹槽中;(dJ不同折射率被测物填入图(c)所示结构中对应的计算透射光谱

  Li等设计了一种基于MDM波导结构的太赫兹传感器,在底层的金属中有两个隔断,分别作为电介质和待测流体通道,ManBetX正网,传感灵敏度达到0.457 THz/RIU,Q仅为2(图11(b))。Islam等报道了平面型的表面等离子体波导太赫兹传感器,如图11(c)所示,波导结构由以为周期性的亚波长尺度的矩形凹槽构成,并将不同折射率的聚酰亚胺物质填充在凹槽中进行传感,发现随着待测物量的增加,器件的灵敏度和品质因数也随之增加。随后设计了V型槽的波导结构与矩形槽的波导结构进行传感灵敏度和品质因数的对比,发现V型槽波导的性能更好,灵敏度达到0.13 THz/RIU.品质因数高达16.75。综上,太赫兹光波导传感器的灵敏度在GHz的级别,优化的Q值可超过100,器件FOM较高。

  除了以上的各种微结构,新材料如石墨烯也被引入太赫兹传感器的研制中,比如,利用石墨烯在太赫兹波段的表面等离子体共振效应。如图12(a)所示,Zeng等利用亚波长的石墨烯微盘和金属微环构成一个结构单元制作了太赫兹传感器,实现1.9 THz/RIU的传感灵敏度和6.6的FOM,而且传感的波段可以通过实时调节石墨烯的费米能级来实现(图12(b))。Liu等提出由两种基于不同半径的石墨烯环周期性排列而形成的太赫兹传感器结构,如图12(c)所示。值得注意的是由两个相邻环的弱相互作用产生了类EIT现象,即电偶极子共振诱导明模,理论传感灵敏度达到830 GHz/RIU,品质因数达到17。此外.He等在石墨烯材料的表面制作凹槽制作了超材料的太赫兹传感器,如图12(d)所示,其中深紫色为石墨烯材料,一个结构单元中包含有两个线状狭缝和一个SRR狭缝。该结构同样可以产生类EIT效应,从而可以实现177.7 GHz/RIU的传感灵敏度和高达59.3的FOM。今年,Fan等在金属表面制作方形介质柱阵列并涂覆石墨烯层制成了太赫兹传感器,如图12(e)所示,从而可以实现多个等离子体共振模式的激发和多频段的完美吸收。三个峰进行传感,模拟得到当待测物质厚度10 um时,产生的灵敏度分别达到1.402、1.687、1.643 THz/RIU。图12 (a)石墨烯与金属环复合单元结构的太赫兹超材料传感器示意图;(b)是图(a)结构针对不同折射率的表面被测物计算得到的透射光谱;(c)石墨烯纳米环太赫兹超材料传感器的透射光谱;(d)互补石墨烯超材料结构单元传感示意图包含两个线状狭缝和一个SRR狭缝,模拟11um厚的待测物折射率变化的反射光谱;(e)在金基底上将石墨烯涂覆在方形介质阵列所构成的超材料示意图,及模拟待测物质折射率由1.0到1.8变化、待测物质厚度为10 um时反射光谱

  以上提及的传感器大多通过分析不同物质的光谱移动来确定物质的种类,不同物质折射率的实部的变化影响共振条件,产生峰位的移动。这种方式具有普适性,同样可以应用于可见光与红外波段。然而,在太赫兹波段,很多物质有丰富的光谱信息,比如糖类、氨基酸、水和肽链等具有特征吸收特性,而DNA、蛋白质和RNA虽然在太赫兹波段没有特征吸收,但是它们的振动能级处于太赫兹波段,THz谱对它们的构象变化十分敏感,因此可以利用物质本身在太赫兹波段的信息同时结合微纳结构这样可以更加准确地实现特定物质的探测与传感。比如Nagel等利用功能化的平板谐振器做传感,先在传感器表面固定探针分子,通过对太赫兹时域信号的分析,从而可以检测特定的序列的DNA分子。Bui等利用超薄的超材料来分辨牛血清蛋白,该超材料采用的是在蓝宝石衬底上做台状的超材料,结构单元是台状的Ag-Si-Ag,可以增强薄层物质在太赫兹的吸收信号。该结构的工作波段在3-7 THz,试验中通过研究牛血清蛋白、罗丹明6G以及DTTCI的透射光谱,从而发现该结构只能显著增强牛血清蛋白的太赫兹信号,从而可以用于该类蛋白质的精准检测。然而该类型的的太赫兹传感器也是依赖于微结构与太赫兹光的相互作用,因此设计合适的结构十分重要。3

  太赫兹技术由于其高分辨、低损伤和生物分子光谱指纹等特性,在生命科学中具有重要的潜在应用。传统依赖材料吸收特性的太赫兹光谱检测技术传感灵敏度较低.主要受限于太赫兹波的长波长,需要大量的被测物来进行检测。随着微纳光子技术的发展,各种新颖的光子效应可以实现空间光场的调控、光谱的剪裁,以及高品质因子的谐振,这些都有助于增强太赫兹波与被测物的相互作用,从而提高太赫兹传感器的性能。从文中总结的当前进展看,微结构太赫兹传感器主要包括Spoof SPR传感器,超材料结构传感器,光子晶体微腔和波导传感器等。通过对比发现:基于Spoof SPR的太赫兹传感器由于电磁场在金属微结构表面的强局域,其归一化传感灵敏度可以达到1RIU-1,FOM最高可达50,具有较高的传感特性,然而由于Spoof SPR与可见光波段的SPR类似,需要光栅或棱镜耦合等波矢匹配技术来激发,因此使用起来的光路较为复杂。超材料结构传感器具有最大的设计自由度,可以通过优化单元结构、周期,以及不同基本单元结构的组合对透射和反射光谱的共振峰位置、峰宽、共振峰数目等等进行任意的调控,适用性比较好。最基本的平面单SRR结构的超材料传感器的归一化灵敏度在0.1 RIU-1量级,Q因子小于10,传感性能一般。复杂SRR结构可以利用Fano共振或高阶共振如四偶极子等来提高Q,然而目前报道的FOM依然不足10。三维SRR结构,即开口环不在同一平面内,而是垂直于周期结构平面,因此环开口处的强局域电磁场会在三维空间扩展,显著增加与周围被测物的接触,从而提高传感灵敏度。其归一化灵敏度为1RIU-1,Q因子约20左右,FOM达到10。超材料传感器的另一种类型是MDM结构的超材料吸收器,可以获得较高的归一化传感灵敏度,0.6 RIU-1,但半高宽较大,Q因子10左右,导致FOM不足10。基于PC谐振的传感器,可以获得超高的Q值,达到10000,但是小的传感区域导致灵敏度较低,最终的FOM不超过20。波导结构种类较多,归一化灵敏度可以达到1RIU-1的级别,Q因子可以达到100,FOM可以接近100,是有望进一步提高太赫兹传感器性能的方式。除了这些在传统金属介质材料中的微结构,石墨烯的微结构支持表面等离子体共振,也具有较高的传感特性。为了提高太赫兹传感器性能,可以看到需要同时提高传感灵敏度和品质因子,表面等离子体共振和超材料结构都难以支持高Q的共振模式,光子晶体微腔能支持超高Q的谐振,然而传感灵敏度很有限。如果将高Q共振和强电磁场与被测物空间重叠同时实现,将是未来微结构太赫兹传感器的发展方向。我们近期提出了基于光栅狭缝波导的太赫兹传感器,由于狭缝波导的强电磁场局域,光栅波导的低损特性,和狭缝波导与微流通道的一体化集成,这类太赫兹传感器理论计算得到的FOM超过600,大大高于已有报道。综上,太赫兹传感技术发展非常迅速,通过各种人工微结构电磁调控技术的发展,和对新材料新物理方向的拓展,有望大幅提高当前太赫兹传感性能。此外,实现太赫兹传感器的动态可调,被测物质信息的快速提取,便携式和稳定性等是太赫兹传感技术实用面临的问题。

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