基于单窄带石墨烯的超材料吸收体，用于生物传感应用，并通过机器学习分析进行吸收特性预测

《Results in Engineering》：Single-Narrowband Graphene-Based Metamaterial Absorber for Bio-Sensing Applications with Absorption Prediction using Machine Learning Analysis

生物传感器中基于超材料的完美吸收器设计及其在血红蛋白检测中的应用。该结构由金层、二氧化硅层和顶层四组圆盘石墨谐振器与一个环形石墨谐振器组成，FDTD模拟显示在1.755 THz处实现99.9%吸收率，半高宽125 GHz。作为传感器，其灵敏度为601 nm/RIU，FOM为4.9 RIU?1，并通过极端随机树回归模型减少90%计算资源。

　　近年来，随着电信需求的不断增长，研究人员开始探索更高频率范围的技术，包括太赫兹（THz）、红外和光学波段。太赫兹波段因其非电离辐射、高相干性、安全性、宽带和光谱分辨率等独特特性，成为许多新兴技术的重要基础。然而，由于自然材料在太赫兹波段难以产生有效的电磁响应，因此，人工设计的超材料（Metamaterials, MTMs）在该波段的应用逐渐扩大。超材料因其特殊的电磁特性，如超分辨率成像、负折射率和光学隐身等，为许多高端设备的设计提供了新的可能性。本文中提出了一种基于超材料的完美吸收器（Perfect Absorber, PA），用于检测人体血液中的血红蛋白（Hb）浓度，该吸收器在设计上具有高灵敏度、宽频带响应和易于制造等优点。

### 超材料吸收器的结构与设计

本文提出的吸收器结构包含三个不同的层，分别为底部的金属层（金层）、中间的二氧化硅（SiO2）层以及顶部由四个圆形盘状石墨烯谐振器（Circular Disk Resonators, CDRs）和一个环形石墨烯谐振器（Ring Resonator, RR）组成的石墨烯层。底部金属层的作用是作为完美的反射层，通过增加其厚度，使其具有足够的电磁波穿透深度，从而实现对入射波的有效反射。中间的SiO2层用于捕获电磁波，通过调节其厚度和介电常数，可以实现对吸收峰的精确控制。顶部的石墨烯层则由多个谐振器构成，这些谐振器的几何形状经过精心设计，使其在特定频率下产生强烈的电磁吸收效应。

吸收器的结构设计使其具有对偏振不敏感的特性，这一特性使得其在实际应用中更加稳定。石墨烯谐振器的对称结构和圆润的边缘有助于减少偏振依赖性，同时也有利于制造过程的简化。通过有限差分时域（FDTD）方法进行仿真，结果表明该吸收器在1.755 THz处具有一个单频带吸收峰，吸收率高达99.9%，且半高全宽（FWHM）为125 GHz。这种单频带吸收特性使其在传感应用中表现出色，可以用于检测Hb浓度变化。

### 吸收器的仿真与性能分析

为了进一步分析吸收器的性能，本文采用FDTD方法对吸收器的吸收、反射和透射特性进行了全面的仿真。仿真结果显示，该吸收器在1.755 THz处的吸收率达到了99.9%，且其吸收峰具有较窄的频带特性，这使得它在传感应用中具有更高的灵敏度和分辨率。此外，通过电路模型对吸收器的吸收特性进行了验证，结果与仿真数据吻合良好，表明该吸收器在设计上是可靠的。

为了验证吸收器的性能，还研究了其对偏振状态的稳定性。通过改变入射光的偏振方向（如0度和90度），发现吸收器在不同偏振条件下表现出一致的吸收特性，这说明其对偏振不敏感，这一特性对于实际应用非常重要，因为它可以确保在各种环境下都能保持一致的性能。此外，还研究了不同入射角（如15度、30度、45度和60度）下的吸收器性能，发现其在斜入射情况下依然保持良好的偏振稳定性，进一步证明了其在复杂环境下的适用性。

为了进一步优化吸收器的性能，研究了不同结构参数对吸收峰的影响，包括圆形盘状谐振器的半径（r1）、谐振器之间的间距（s）、环形谐振器的半径（r3）以及整个结构的周期数（P）。通过改变这些参数，发现当r1为9微米时，吸收率达到了最大值，约为99.9%。同时，当s为1微米时，吸收峰的频率稳定性最佳，而当r3为24微米时，吸收率也保持较高水平。此外，P值为73微米时，吸收峰的吸收效率最高。这些参数的选择使得吸收器在特定的THz波段内表现出最佳的性能。

### 吸收器的传感性能

除了作为吸收器，该结构还被设计成一种生物传感器，用于检测Hb的浓度变化。在传感应用中，Hb的浓度变化会导致其折射率（RI）的变化，从而引起吸收峰的频率偏移。通过改变Hb的浓度，发现吸收峰的频率变化明显，且不同浓度之间存在足够的对比度，这使得该结构可以用于Hb浓度的精确检测。实验结果显示，该传感器的灵敏度为601 nm/RIU，而图示的图（Figure 9）展示了不同Hb浓度下的吸收特性，表明该结构能够有效地响应Hb浓度的变化。

为了进一步评估传感器的性能，定义了三个重要参数：品质因子（Q）、灵敏度（S）和图示的性能指标（FoM）。其中，Q表示吸收峰的频率稳定性，S表示吸收峰频率随RI变化的灵敏度，而FoM则综合考虑了Q和S的比值。实验结果表明，该传感器的FoM值为4.9 RIU?1，表明其在传感性能方面具有较高的综合性能。这些参数的优化使得该吸收器不仅在吸收性能上表现出色，而且在传感应用中也具有较高的实用性。

### 机器学习在吸收器设计中的应用

为了提高吸收器的仿真效率，本文引入了机器学习方法，特别是极端随机树回归模型（Extreme Randomized Tree Regression Model, ERTRM）。ERTRM通过减少所需的计算资源，提高了吸收器设计的效率。实验表明，使用ERTRM可以将仿真时间减少90%，这在大规模电磁仿真中具有重要意义。通过训练ERTRM模型，可以预测吸收器在不同频率下的吸收特性，从而减少对全频段进行仿真所需的时间和计算资源。

此外，还研究了ERTRM模型在不同参数下的预测准确性。通过计算调整后的R2分数（Adj-R2S）和均方根误差（RMSE），发现该模型在不同参数下的预测误差非常小，表明其在吸收器设计中的应用具有很高的可行性。调整后的R2分数接近1，说明预测结果与实际数据高度一致。RMSE值也保持在较低的范围内，进一步验证了ERTRM模型的有效性。

### 吸收器与其他结构的比较

为了进一步评估该吸收器的性能，将其与其他研究中的结构进行了比较。在比较中，关注了几个关键参数，包括吸收峰的数量（N）、频率范围、偏振稳定性、品质因子（Q）、灵敏度（S）和图示的性能指标（FoM）。与其他结构相比，本文提出的吸收器具有以下优势：

1. **单频带吸收特性**：相比多频带吸收器，单频带吸收器在传感应用中更为理想，因为多个模式可能会因频率偏移而相互干扰。
2. **宽频率范围**：该吸收器的工作频率范围为1-3 THz，这比许多其他研究中的吸收器更宽，使得其在不同应用场景中具有更大的灵活性。
3. **偏振不敏感性**：该吸收器在正常入射和斜入射条件下均表现出良好的偏振稳定性，这一特性在实际应用中非常重要。
4. **较高的灵敏度和FoM**：虽然灵敏度和FoM值并不一定达到所有研究的最高水平，但它们在合理范围内，表明该吸收器在实际应用中具有较高的性能。

### 吸收器的制造可行性

在制造方面，本文提出了一种可行的制造流程，包括使用丙酮和异丙醇酒精清洗硅基底，利用电子束蒸发技术在硅基底上沉积金层，然后通过旋涂法在金层上沉积SiO2层，最后通过光刻技术制造石墨烯谐振器的图案。这一流程虽然涉及多个步骤，但整体上较为简单，适用于实验室环境中的制造。此外，为了防止石墨烯在生物传感应用中的氧化问题，建议使用表面保护层或非共价功能化等技术，以提高其稳定性和灵敏度。

### 结论

综上所述，本文提出了一种基于超材料的完美吸收器，用于检测人体血液中的Hb浓度。该吸收器具有高灵敏度、宽频带响应和对偏振不敏感等优点，使其在生物传感领域具有广泛的应用前景。通过FDTD仿真和机器学习方法的结合，不仅提高了吸收器的性能，还显著减少了仿真所需的时间和资源。此外，该吸收器的制造流程相对简单，具备较高的可行性。因此，该结构为未来在生物传感和光学吸收领域的发展提供了新的思路和方法。