基于微腔结构的可调控太赫兹生化传感器的研究

The terahertz (THz) wave, lying between 0.1 and 10 THz, is the last part of the electromagnetic wave to be explored. Being situated between infrared and microwave radiation, the absorption of THz rays in molecular and biomolecular systems is dominated by the excitation of intramolecular and intermolecular vibrations, which is significant for molecular and biomolecule detection. However, the size of biological macromolecules is much smaller than the wavelength of terahertz, which limits the development of terahertz biochemical sensing. Metamaterials can exhibit a strong localization and enhancement of fields so that they can be used to improve the sensor selectivity and to enable detection of extremely small amounts of analytes. But, there still exists some problems in terahertz sensing, such as low selectivity, low sensitivity, only sensitive to single frequency, etc. In our project, we aim to explore hybrid graphene metal metamaterials, make the resonant transmission peak perfectly matched with the absorption peak of biological macromolecules, and introduce the microcavity to further improve its sensitivity. Then, utilizing dynamic tunable the response frequency of the structure with graphene, combined with the microcavity with adjustable length, we aim to realize high selectivity, high sensitivity, broadband, tunable terahertz biochemical sensor.

太赫兹是指频率在0.1-10 THz之间的电磁辐射，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，具有重要的科学价值和应用价值。物质的THz光谱包含有丰富的物理化学信息，包括蛋白质、DNA在内的大分子的振动光谱在THz波段有“指纹”吸收峰。利用THz波与生物分子相互作用来定性或者定量检测生物大分子。但是生物大分子是纳米尺度，远小于太赫兹波长（微米量级），限制了太赫兹生化传感的发展。超材料的提出极大地促进了太赫兹传感技术的发展。但是，目前太赫兹生化传感器的研究大部分针对单一频率的检测，且存在灵敏度低、选择性低的问题。本项目拟开发基于微腔的石墨烯金属杂化结构超材料结构，将其共振透射峰与生物大分子的吸收峰完美匹配，引入微腔结构进一步提高检测灵敏度，利用石墨烯对超材料结构响应频率的动态调节，结合可调节腔长的微腔结构，实现宽频段、高选择性、高灵敏度、可动态调控的太赫兹超材料生化传感器

许多生物大分子的振动和旋转频率都处于THz波段，利用THz波可以获得丰富的生物及其材料信息，目前太赫兹已经应用在安检仪、雷达、通信等各方面。得益于超材料研究的发展，近年来，太赫兹传感技术也得到了飞速发展。但太赫兹生化传感器的研究大部分针对单一频率的检测，且存在灵敏度低、选择性低的问题。本项目拟基于超材料结构，实现高选择性、超高灵敏度的太赫兹生化传感器，并对传感器的动态调控进行一系列的研究，为未来太赫兹生化检测技术的推广应用提供保障。.基于腔模共振原理我们设计了一维金属腔结构，实现了超高品质因数的超材料结构，品质因数高达1028，灵敏度达到548。同时，我们对可调控石墨烯金属杂化超材料结构进行了研究。利用石墨烯的半金属性对静态Anapole模式共振进行调控，实现了石墨烯费米能级0.1 eV的改变会引起共振频率250 GHz的偏移。进一步设计并优化了金属电介质杂化超材料结构，首次基于此种杂化材料结构实现类电磁诱导透明现象，并利用石墨烯对全介质超材料结构的电磁诱导透明现象进行了实时调控。提出了一种灵活的吸波器设计方法，使其具有良好的广角特性，对TE波和TM波不敏感，所设计的MIM吸波器在单频下的吸波率几乎为100%，并在此基础上将多个MI层叠加在一起，获得多频吸收，每个峰保持原有位置，吸光度均大于99%。通过等离子体诱导的增强太赫兹波段EOT特性，获得了双频太赫兹传输，使透射率显著增强到0.97，远高于相同孔直径NIH结构的传播率。对金属-介质-金属波导的太赫兹区高q因子法诺共振进行了理论和数值研究，将金属壁引入MDM波导后，q因子提高了约60倍，与其他基于太赫兹法诺的传感器相比，品质因数提高了195。.本项目系列研究已在国际国内重要学术期刊发表高水平学术论文9篇，累计影响因子和达30.2；申请国家发明专利7项，其中已授权1项，进入实质性审查阶段6项，申请国际发明专利3项。项目具有重要的理论意义和广阔的应用前景，项目成果将能极大推动太赫兹技术的发展，为宽频段高灵敏度太赫兹传感器的广泛应用奠定基础。