太赫兹波高Q超材料及其生物化学传感研究

High Q terahertz metamaterial sensors have huge potential applications in bio-chemical measurement due to their high sensitivity and functionality, but there is rarely reported up to date. This project will focus on the theoretical modelling, device design, fabrication, and bio-chemical measurement experiments for these THz metamaterial sensors. The main research includes: the design for high Q metamaterials based on single or bi-layer structures; analysis of the characteristics and its influence from different factors, such as metamaterial structure, materials of the substrate, metal thickness etc.; independent regulations of the electromagnetic resonance features for bilayer structures. At the same time, we will develop two kinds of novel high speed and flexible fabrication technique based on laser decal transfer and lased induced non- electrolytic plating with cu(or au) for single and multi-layer planer metamaterial devices or sensors. Finally, the surface of the device will be biologically or chemically modified and the sensing characteristics for several typical bio-chemical samples including specific and nonspecific will be experimentally measured, the electromagnetic parameters will be obtained for further modal's analysis. We believe all this will lay solid foundations for future applications of these type sensors.

基于太赫兹超材料的生物化学传感器由于灵敏度高、可特异性及非特异性检测等而具有重要的应用前景，但目前国际上还鲜有报道。本项目提出了系统地研究该类传感器的理论分析、设计与制作、生物化学样本设计及测量技术等。主要研究内容包括：单层和多层高Q 太赫兹超材料理论分析与结构设计，分析不同结构、不同基底材料、不同金属厚度等对传感特性的影响；在多层结构中，主要研究双层结构的超材料中层与层之间的电磁响应调控机制。研究发展新型快速灵活的激光移印法和激光诱导化学镀铜（金）法两种超材料制备技术，实现单层和多层结构超材料器件的制作。研究建立基于太赫兹超材料传感器件的理论模型以及表面修饰与组装技术以提高传感灵敏度的方法，完成几种典型非特异性和特异性生物化学样品的传感特性测量，获取其电磁响应参数，为该类传感器件的应用打下良好的基础。

基于太赫兹超构材料的生物化学传感器由于灵敏度高、可特异性及非特异性检测等而具有重要的应用前景，而高Q谐振器的获得成为其关键。本项目主要研究内容包括该类传感器的理论分析、设计与制作、生化传感体系设计及高分辨光谱测量技术等。.项目研究中，我们提出了一类新的由典型金属开口谐振环超构材料包层的平板波导谐振器件。提出了几种实现高Q导模谐振的超构材料结构与方法，以及通过调控超构材料的表面谐振模和导模的相互作用实现电磁感应诱导透明（EIT）的方法。实验获得的最小线宽为2-4GHz，对应谐振Q值为200-400。另外，我们提出了一种无需非对称结构在全介质硅棒阵列超构表面实现高Q本征模谐振的方法。.设计并制备了一种高Q类EIT超构材料谐振器，并用于链霉亲和素-琼脂糖的特异性生物传感。实验测得链霉亲和素-琼脂糖单位浓度变化引起的频移量为0.65GHz。为太赫兹器件应用于生物化学领域的无标记微量检测打下了基础。.设计了一种高Q太赫兹波一维光子晶体腔，实验获得的谐振带宽优于30MHz，对应Q值高达10000，并成功用于室温空气大气压下的气体浓度检测。基于光子混频原理，搭建了一套高分辨率连续太赫兹波系统，已实现了0-1THz范围的可调谐太赫兹辐射及探测，获得的信噪比为68dB。我们还实现了基于激光诱导化学镀铜法和激光移印法的单层和多层平面超构材料的快速、灵活制作技术。