西(xi)安(an)交(jiao)大(da)：3D打印(yin)的基於環(huan)偶(ou)極(ji)子的高性(xing)能(neng)太(tai)赫(he)茲傳感器(qi)及(ji)其(qi)應(ying)用

在各種各(ge)樣(yang)的超表面應(ying)用中，太(tai)赫(he)茲傳感憑(ping)借(jie)著(zhe)高(gao)靈(ling)敏(min)度和(he)太(tai)赫(he)茲波的非(fei)電(dian)離(li)性(xing)質(zhi)為分析(xi)物(wu)的無損(sun)檢測提(ti)供了(le)強(qiang)大(da)的潛力(li)，尤其(qi)受(shou)到了(le)廣(guang)泛(fan)的關註(zhu)。為持(chi)續(xu)提(ti)高(gao)太(tai)赫(he)茲傳感器(qi)的靈(ling)敏(min)度，基於多(duo)種(zhong)物理(li)機制(zhi)，包(bao)括Fano共振(zhen)、連續(xu)域束縛態(tai)共振(zhen)和(he)環(huan)偶(ou)極(ji)子共振(zhen)，科研(yan)人員(yuan)開(kai)發(fa)了多(duo)款(kuan)太赫(he)茲傳感器(qi)。其(qi)中，環(huan)偶(ou)極(ji)子諧(xie)振(zhen)傳感器(qi)因(yin)其(qi)微(wei)弱(ruo)的輻射(she)特(te)性(xing)，使(shi)得電(dian)磁能(neng)量(liang)在近場範(fan)圍內受到高(gao)度的局域，因(yin)此(ci)受(shou)到廣(guang)泛(fan)的關註(zhu)。然而(er)，目(mu)前的環(huan)偶(ou)極(ji)子諧(xie)振(zhen)傳感器(qi)的靈(ling)敏(min)度受(shou)到分(fen)析(xi)物(wu)和(he)局域增(zeng)強電(dian)磁場(chang)之(zhi)間有(you)限(xian)的空間(jian)重(zhong)疊(die)的極大(da)限(xian)制(zhi)。此(ci)外(wai)，加工(gong)這些微(wei)米(mi)級的結構(gou)也(ye)是(shi)壹(yi)個挑戰。

近日，基於上(shang)述(shu)問題，西(xi)安(an)交(jiao)通大學張(zhang)留(liu)洋老師(shi)課題組提(ti)出了(le)壹(yi)種面外(wai)太赫(he)茲傳感器(qi)，通過面外(wai)結構(gou)，增(zeng)強了(le)光(guang)和(he)物(wu)質(zhi)的空間(jian)重(zhong)疊(die)，從而(er)增(zeng)強傳感性(xing)能(neng)。該(gai)傳感器(qi)通過摩方精密(mi)提(ti)供(gong)的nanoArch S130設備進(jin)行(xing)了(le)加(jia)工(gong)，並(bing)通過實驗(yan)驗(yan)證(zheng)了(le)傳感器(qi)的高靈(ling)敏(min)度。相(xiang)關成(cheng)果(guo)以(yi)“Highly sensitive terahertz sensing with 3D-printed metasurfaces empowered by a toroidal dipole”為題發(fa)表在光(guang)學期(qi)刊《Optics Letters》上。

圖 1 （a）三(san)步制(zhi)備(bei)法(fa)示意(yi)圖，包括（1）襯底制(zhi)備(bei)，（2）3D打(da)印(yin)，和（3）金屬膜沈(chen)積;最(zui)右(you)邊(bian)的面板(ban)描(miao)繪(hui)了(le)設計的傳感器(qi)的原型(xing)。（b）所制(zhi)傳感器(qi)的SEM圖像。沿(yan)傳感器(qi)x軸（c）和y軸（d）的表面輪(lun)廓。

圖1（a）顯示了(le)基於面投(tou)影(ying)微(wei)立體光(guang)刻(ke)（PµSL）3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)（nanoArch S130，摩方精密(mi)）的三(san)步制(zhi)備(bei)方法(fa)示意(yi)圖。與(yu)傳統的微(wei)納(na)制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)相(xiang)比(bi)，這種方法(fa)簡單有(you)效(xiao)，是面外(wai)微(wei)結(jie)構通用制(zhi)造(zao)的實用候(hou)選方法(fa)。采(cai)用這種三(san)步制(zhi)備(bei)方法(fa)，成(cheng)功制(zhi)備(bei)了(le)具有(you)30×30個超分子陣(zhen)列(lie)的太赫(he)茲傳感器(qi)，其(qi)掃(sao)描(miao)電(dian)鏡(jing)圖像如圖1（b）所示。為了表(biao)征(zheng)所(suo)制(zhi)作(zuo)傳感器(qi)的三(san)維輪(lun)廓，分別沿(yan)x軸[圖1（c）]和y軸[圖1（d）]測量了(le)其(qi)表(biao)面輪(lun)廓，數據表明(ming)打印(yin)樣品(pin)的測得輪(lun)廓總體上與(yu)設計模(mo)型(xing)吻(wen)合(he)較好(hao)。

此(ci)外(wai)，分別通過阻(zu)抗匹配(pei)理(li)論(lun)（圖2）和近場(chang)分(fen)析、多(duo)偶(ou)極子散射理(li)論(lun)（圖3）解釋了(le)傳感器(qi)的共振(zhen)機(ji)理(li)。

圖 2 （a）傳感器(qi)在x偏振(zhen)和(he)y偏(pian)振(zhen)入射下(xia)的模(mo)擬(ni)（實線）和(he)實驗(yan)（虛線）反(fan)射譜(pu)。（b）y偏(pian)振(zhen)入射下(xia)傳感器(qi)阻抗。

圖 3（a）歸壹(yi)化散射功率。（b）電(dian)場(chang)分(fen)布（輪(lun)廓輪(lun)廓）和表面電(dian)流(liu)分布（箭頭(tou)）。（c）磁場(chang)的分布。

在傳感器(qi)的應(ying)用方面，選擇(ze)了(le)三(san)種類型(xing)的粉末(mo)——乳(ru)糖(tang)，半乳(ru)糖(tang)和葡(pu)萄糖(tang)——作為檢測分(fen)析物(wu)。首(shou)先，將(jiang)粉末(mo)經(jing)過適當研(yan)磨(mo)後均(jun)勻(yun)撒在傳感器(qi)上，如(ru)圖 4（a）顯微(wei)鏡(jing)圖像所示(shi)。然(ran)後通過THz-TDS測(ce)量(liang)了相應(ying)的反射(she)譜(pu)，如(ru)圖 4（b）給所示(shi)，可觀察(cha)到半(ban)乳(ru)糖(tang)的共振(zhen)頻率與(yu)其(qi)他(ta)分析(xi)物(wu)相比(bi)有(you)明(ming)顯的紅(hong)移(yi)。

此(ci)外(wai)，為避免(mian)測(ce)量(liang)誤(wu)差，采(cai)用C掃(sao)描(miao)獲得面積為6×6 mm²的區(qu)域的反射(she)譜(pu)曲(qu)線，分(fen)別提(ti)取各(ge)點對應(ying)諧(xie)振(zhen)頻率處(chu)的強度和(he)諧(xie)振(zhen)頻率。然(ran)後(hou)，隨機(ji)選擇每(mei)種分(fen)析(xi)物(wu)的500個點的計算(suan)平均(jun)諧(xie)振(zhen)頻率，重(zhong)復此(ci)過(guo)程10次(ci)，結(jie)果(guo)如(ru)圖 4（f）所示。實驗(yan)結果(guo)表(biao)明(ming)，所提(ti)出的傳感器(qi)能(neng)夠(gou)準(zhun)確地(di)檢測出葡(pu)萄糖(tang)、乳(ru)糖(tang)和半(ban)乳(ru)糖(tang)粉末(mo)。

圖 4 （a）被(bei)分(fen)析物粉末(mo)覆(fu)蓋的傳感器(qi)的顯微(wei)鏡(jing)圖像。（b）測定(ding)的三(san)種分(fen)析(xi)電(dian)解(jie)質(zhi)粉末(mo)的反射(she)光(guang)譜(pu)。（c）有(you)或(huo)沒有(you)傳感器(qi)下(xia)的乳(ru)糖(tang)粉末(mo)的反射(she)譜(pu)。（d）乳(ru)糖(tang)粉加(jia)載(zai)時各(ge)點電(dian)場(chang)（傳感器(qi)）的共振(zhen)強(qiang)度和(he)（e）共振(zhen)頻率。（f）三(san)種分(fen)析(xi)物的頻移(yi)分(fen)布。