太赫兹近场激发型分子传感器

Nowadays, the terahertz (THz) devices based on surface plasmon (SP) present a great prospect in the area of identification of macromolecules and microscale chemicals, so as to give a rise of giant interests all over the world. Here, we propose a near-field excited THz molecular sensor. With the help of micro-processing technology, a photoconductive antenna and a thin-film metal with subwavelength hole array, will be deposited on the two facades of a piece of semi-insulating GaAs wafer. According to the near-field optics, the extraordinary THz transmission will be enhanced by the THz SP, and the spatial resolution of the THz radiation will be improved. The relation of near-field THz SP will be revealed, in order to achieve the optimal THz resolution and sensitivity, as to fulfill the requirement of the accurate detection of macromolecules and microscale chemicals, and to simplify THz spectroscopy layout. Our research will clarify the physical mechanism of the THz waves in the near-field conditions. The outcome of this project is supposed to provide a THz molecular sensor for identification of macromolecules and microscale chemicals.

太赫兹（THz）表面等离子体共振型器件在生物大分子识别、微量化学品检测方面呈现巨大的应用前景，成为当今世界各国科学家研究热点。本项目瞄准这一国际前沿，提出了THz近场激发型分子传感器方案：运用半导体微加工技术，在光导材料的一面制备低偏压高THz发射场强的天线，另一面制备亚波长周期结构排列的金属小孔作为表面等离子共振单元。按照近场光学的原理,THz波在表面等离子共振情况下异常透射会显著增强，并且提高THz波的空间分辨率。通过研究THz发射源与亚波长金属小孔之间间距的最佳匹配，以获得高分辨率，高灵敏度的THz分子传感器，从而实现微量化学品的高精度检测，并且简化THz光谱系统的结构布局；同时阐明近场条件下THz波从发射源到金属表面直接耦合的物理机制。本项目的研究结果对THz技术在生物大分子、微量化学品检测领域内提供强有力的技术支持，对探索THz表面等离子的近场行为具有重要的科学意义。

本课题完成了立项所设定的近场激发分子传感器的研究目标。作为该器件一部分的高输出THz发生器方面，我们比较不同半导体材料对THz波的响应，得出了GaAs的频率响应范围高于其它半导体材料，且通过飞秒脉冲激光烧蚀后，在表面形成亚波长微结构条纹阵列，形成表面等离子体通道，增强了光电流并拓展的吸收带宽，从而增强的THz的发射强度；同时，通过研究发现，C形小孔整列在GaAs上出现双通道共振，改变C形开口的大小，可以实现两种通道模式强度，称为跷跷板效应，而同样的C形小孔整列移植到柔性衬底上后，其表面等离子体共振依赖入射THz的偏振。如果将小孔整列改为矩形谐振环，则具有更高的谐振品质因子，且近场耦合导致模式红移，并且如果将U形谐振单元和金属调谐振单元组合，通过横向近场激发，能够获得类似等离子体诱导透明的模式分裂现象。最后，将上述金属谐振单元与高输出THz发生器集成在同一块GaAs上，获得了品质因子达到50的太赫兹近场激发分子传感器。