基于二氧化钒的可切换、可调谐的双频太赫兹（THz）吸收器，用于机器学习驱动的生化传感

《Medicine - Programa de Formación Médica Continuada Acreditado》：Vanadium dioxide-based switchable and tunable dual-band THz absorber for machine learning-driven biochemical sensing

双频带太赫兹超表面吸光器基于VO?设计，在4.88 THz和14.80 THz处分别实现98.76%和95.03%的高吸收效率，极化不敏感，通过调节VO?导电性实现动态相位切换，支持疟疾红细胞检测和折射率预测（R2=0.9809），适用于生物传感和6G通信。

　　在当前科技发展的背景下，研究者们对太赫兹（THz）波段的材料与技术表现出了浓厚的兴趣。太赫兹波，频率范围介于0.1到10 THz之间，对应波长在3毫米至30微米之间，被广泛认为是电磁波谱中一个独特且尚未充分探索的区域，称为“太赫兹间隙”。这个间隙位于传统电子技术和光子技术之间，使得现有的技术手段在这一波段面临诸多物理限制。太赫兹波具有穿透非导电材料的能力，例如塑料、纺织品和生物组织，同时在时域测量中表现出较高的信噪比，这使其在材料成分分析、隐藏物质识别以及各种工业、生物医学和安全场景中的结构或化学异常检测方面具有显著优势。

随着对太赫兹技术研究的深入，其在生物医学、制药、材料科学等领域的应用潜力日益显现。例如，太赫兹波能够检测分子的振动和旋转模式，以及生物分子之间的相互作用，从而为生物医学诊断提供新的工具。此外，太赫兹波在通信系统中的应用也备受关注，特别是在6G和未来更高世代的无线网络中，其宽带和高载波频率特性为高速数据传输提供了可能。然而，为了充分发挥太赫兹技术的优势，需要开发高效、紧凑且可调的组件，如吸收器、调制器、滤波器和传感器。其中，太赫兹吸收器在控制电磁能量方面起着至关重要的作用，尤其在需要低反射率、高灵敏度和特定频谱选择性的应用中。

传统吸收器在实现宽频带或多功能吸收方面存在一定的局限性，主要是由于其共振元件的高色散特性，使得其在实际应用中难以满足多样化的频率需求。为了解决这一问题，研究人员尝试了多种方法，如集成离散元件、使用可调材料（如掺杂硅或石墨烯）以及利用新的物理机制（如米氏共振、破坏性干涉和多共振堆叠）。其中，设计多个共振器，无论是通过共面子单元还是垂直堆叠层，都成为实现双频带、三频带甚至超宽频带吸收的一种简单而有效的策略。例如，Fang等人利用20层梯度锯齿结构开发了一种超宽频带太赫兹吸收器，其吸收带宽达到86%。然而，这种多层设计也带来了额外的挑战，包括制造复杂性增加、设备体积增大以及调谐能力受限。

为应对上述问题，互补型太赫兹吸收器（CMAs）逐渐受到重视。CMAs通过简化结构、增强对偏振的鲁棒性以及利用巴贝奇原理实现强场局域化，表现出良好的性能。与传统吸收器中使用金属填充物不同，CMAs通过在金属膜中设计图案化的孔洞或槽口来实现吸收功能，这种结构不仅更容易制造，而且在集成可调材料时也更具可扩展性。当结合相变材料时，CMAs能够提供更多的主动调谐和重构自由度，从而增强其在太赫兹传感和通信中的应用潜力。

在本研究中，提出了一种基于互补型结构并采用二氧化钒（VO?）的动态可调双频带太赫兹吸收器。VO?是一种广为人知的相变材料，能够在接近340 K时实现可逆的绝缘体-金属相变（IMT），随后其电导率可发生几个数量级的变化。这一特性使得VO?成为在太赫兹波段进行热、电或光调制电磁响应的理想候选材料。吸收器由图案化的VO?层、二氧化硅介质层以及金背板构成，结构支持强双频带吸收。吸收机制主要依赖于互补孔洞中的局部电场增强以及在操作频段内的有效阻抗匹配。

数值模拟结果表明，该吸收器表现出对偏振不敏感的特性，使其在实际应用中更加稳健，无论目标材料的取向或对齐方式如何。VO?电导率的动态调谐能力使得吸收器能够实时调整吸收特性，这在可重构太赫兹设备中尤为重要。该设计结合了高性能、紧凑的几何结构和可调操作，为适应性太赫兹传感、可编程成像系统、电磁屏蔽以及下一代通信技术提供了可靠的平台。此外，该吸收器的传感能力通过多种生物化学分析物进行了测试，表现出对折射率变化的高灵敏度。为了提高分析物的识别能力，研究者采用基于机器学习的回归技术，准确预测未知样本的折射率。

该吸收器的结构设计具有高度的几何容忍性，能够在较宽的频率范围内实现双频带调谐，同时保持高灵敏度。这一特性使其在生物医学、化学传感以及工业检测等多个领域展现出广阔的应用前景。此外，通过引入机器学习模型，进一步提升了吸收器在实际应用中的性能，使得其不仅能够检测折射率的变化，还能在复杂的系统中进行高精度的分析。这些成果表明，基于VO?的互补型太赫兹吸收器是一种具有潜力的新型传感和通信平台，能够有效应对当前太赫兹技术在应用中的挑战。

在研究过程中，吸收器的设计和优化是关键环节。首先，需要选择合适的材料和结构，以确保其在太赫兹波段具有良好的吸收性能。VO?作为相变材料，其在不同相态下的电导率变化能够提供额外的调谐能力，从而实现动态可调的吸收特性。此外，吸收器的几何结构也对性能有重要影响，包括吸收带宽、吸收效率以及对偏振的敏感度。通过合理的结构设计，能够优化吸收器在不同频率下的表现，同时确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。

为了验证吸收器的性能，进行了大量的数值模拟和实验测试。模拟结果显示，该吸收器在正常入射条件下能够实现两个清晰的吸收峰，分别位于4.88 THz和14.80 THz处，吸收效率分别为98.76%和95.03%。这些结果表明，吸收器在太赫兹波段具有较高的吸收能力，能够满足多种应用场景的需求。此外，实验测试进一步确认了吸收器的性能，特别是在检测生物化学分析物方面的应用。通过引入不同的分析物，测试了吸收器对折射率变化的响应，结果显示其具有较高的灵敏度，能够有效区分不同的物质。

在实际应用中，吸收器的性能还受到环境因素的影响，例如温度、湿度以及外部电磁干扰等。因此，研究者在设计过程中考虑了这些因素，确保吸收器在不同环境下仍能保持稳定的性能。此外，吸收器的制造工艺也是影响其性能的重要因素，需要采用高精度的加工技术，以确保结构的准确性和一致性。通过优化制造工艺，能够进一步提升吸收器在实际应用中的可靠性和可重复性。

为了进一步提升吸收器的性能，研究者还引入了机器学习模型，以提高其在生物化学传感中的准确性。通过训练模型，能够根据吸收器的频谱响应预测未知样本的折射率，从而实现高效的分析。此外，模型还能够优化吸收器的调谐能力，使其在不同频率下都能保持最佳的吸收效果。这些成果表明，基于VO?的互补型太赫兹吸收器不仅能够实现动态可调的吸收特性，还能够通过机器学习技术进一步提升其在生物医学和化学传感中的应用价值。

总之，本研究提出了一种基于互补型结构并采用VO?的动态可调双频带太赫兹吸收器，该吸收器在太赫兹波段表现出优异的吸收性能，包括高吸收效率、宽频带覆盖以及对偏振不敏感的特性。此外，吸收器的动态调谐能力使其能够在不同工作状态下实现灵活的吸收特性，从而满足多样化的应用场景需求。通过引入机器学习模型，进一步提升了吸收器在生物化学传感中的准确性，使其能够有效区分不同的物质和分析物。这些成果表明，基于VO?的互补型太赫兹吸收器是一种具有广阔应用前景的新型传感和通信平台，能够为未来太赫兹技术的发展提供有力支持。