華中科技大學 /德國法蘭克福大學:研發超高靈敏交叉指形超構材料太赫茲傳感器，可用于納米薄膜檢測

光學傳感器在各種應用中扮演著的角色，涵蓋了從檢測納米薄膜、納米粒子到識別生物分子、病毒和細胞等多個領域。通過提升傳感器的性能，尤其是加強光與物質的相互作用和增強靈敏度，有望實現一系列具有突破性的應用。

超構材料（metamaterial）作為一種人造周期結構，具有亞波長尺寸，其對電磁波的響應可以通過結構設計和材料參數來控制。金屬超構材料能夠將強電場能量集中在極小的空間范圍內，從而實現與分析物的強作用。盡管基于金屬超構材料的太赫茲（THz）傳感器在無接觸和無標記檢測方面表現出優勢，但與現有的成熟的生化診斷方法（如酶免疫測定法）相比，它們在靈敏度和檢測極限上仍存在兩個數量級以上的差距。已有的研究結果表明，優化的超構材料傳感器應該在分析物位置具有高局部電場增強因子、高品質因數（Q值）的諧振模式，以及較小的模式體積。然而，到目前為止，仍缺乏一個系統且實用的優化策略，能夠統一考慮超構材料傳感器的所有性能參數，以便進行理性設計（與試錯法相比）。

該類型傳感器研究的另一個不足之處與其通常采用的性能評價參數有關。個是折射率靈敏度（S），表示由分析物的單位折射率變化引起的超構材料結構諧振頻率偏移（單位為GHz/RIU，RIU代表折射率單位）。第二個是傳感靈敏值（FOM），表示功率譜的半高全寬（FWHM）與S的比值（單位為1/RIU）。這些參數的問題在于，它們只適用于分析物的種類、位置和數量相同的情況，即當分析物為全覆蓋介質薄膜時且厚度相同時，才能通過S和FOM兩個參數準確評估傳感器的性能。

為解決上述問題，華中科技大學曹磊副教授聯合德國法蘭克福大學Hartmut G. Roskos教授團隊、德國錫根大學Peter Haring Bolívar教授團隊以及荷蘭埃因霍溫理工大學Shihab Al-Daffaie教授團隊基于介質微擾理論設計并實現了一種具有交叉指形結構的太赫茲超構材料傳感器（Interdigitated electric split ring resonator, ID-eSRR），可實現對納米級厚度分析物的高靈敏、高品質傳感。相關研究成果以“Interdigitated terahertz metamaterial sensors: design with the dielectric perturbation theory"為題發表于Photonics Research 期刊。

研究團隊利用簡化后的諧振器介質微擾理論定量指導超構材料傳感器的理性設計。通過將交叉指形結構與電開口環超構材料諧振器（eSRR）結合，形成新型ID-eSRR超構材料傳感器，有效提升傳感靈敏度。與傳統eSRR結構相比，ID-eSRR結構的基模諧振具有高Q值。此外，僅僅基于兩個傳統性能參數（S和FOM）對不同傳感器的性能進行比較顯然是不夠合理的。應針對不同類型的分析物設計不同的傳感器，并采用不同的性能參數。對于以均勻薄膜形式放置在傳感器上的介質分析物，研究團隊建議將傳統FOM對薄膜厚度進行歸一化從而得到第三個性能指標，即厚度歸一化FOM（TN-FOM）。

來源：傳感器專家網