太赫兹超材料吸收传感器设计的进展：用于增强生化检测能力的介电蚀刻六边形结构

《Optik》：Advancements in Terahertz Metamaterial Absorber Sensor Design: Dielectric-Etched Hexagonal Architectures for Enhanced Biochemical Sensing

THz波段金属-绝缘体-金属（MIM）超材料吸收器通过六边形共振结构与介质层靶向蚀刻协同设计，实现378 GHz/RIU超高灵敏度生化传感，FOM达11.8，Q因子86。

　　

Patharakorn Rattanawan | Asmar Sathukarn | Nutthamon Limsuwan | Khwanchai Tantiwanichapan

光谱与传感设备研究组（SSDRG），泰国帕图姆塔尼国家电子与计算机技术中心（NECTEC），邮编12120

摘要

本研究介绍了一种太赫兹（THz）金属-绝缘体-金属（MIM）超材料吸收器，该吸收器通过两种连续的设计机制实现了高灵敏度的生物化学传感。第一种机制构建了一个周期性六边形共振结构——由实心六边形和矩形金属条组成的六边形结构——这种结构能够实现强烈的场限制，并比传统几何形状具有更高的灵敏度。在此基础上，第二种机制引入了对介电层的定向刻蚀工艺。通过直线刻蚀和斜线刻蚀逐步暴露共振表面，从而增强了电磁场与周围分析物之间的直接相互作用。通过这种结合结构和加工的方法，六边形条图案的灵敏度得到了极大提升：当介电层刻蚀深度为2.0微米时，灵敏度从72 GHz/RIU提高到了378 GHz/RIU，相应地，优值（FOM）为11.8 RIU?1，品质因数（Q-factor）为86。这些结果表明，将六边形边缘共振结构与可控的介电刻蚀工艺相结合，为太赫兹超材料吸收器在多种传感应用中实现超高灵敏度提供了有效途径。

章节摘录

引言

电磁（EM）波传感器因其显著的特性而在研究和实际应用中受到了广泛关注，这些特性包括高灵敏度、在各种环境条件下的稳定性、低校准要求以及紧凑的尺寸[1]。这些传感器能够在包括射频、毫米波、微波和光学波长在内的宽频谱范围内工作，针对特定应用采用了不同的物理机制。

设计与仿真方法

本研究中的超材料吸收器传感器采用了金属-绝缘体-金属（MIM）架构。具体来说，该结构由下层金属层（作为接地平面反射器）和中间层的绝缘层组成，最上层具有周期性金属结构，表现为六边形晶格图案。在本研究范围内，研究了两种不同的六边形结构。

结果与讨论

在本研究中，应用于传感器表面的传感材料的折射率范围为1.0至1.5。由于未对SiO₂介电层进行刻蚀，图4a和4b展示了实心六边形和六边形条图案的模拟反射率（S₁₁）、透射率（S₂₁）和吸收率（A）。正如预期的那样，对于具有连续金属接地平面的金属-绝缘体-金属吸收器，其透射率可以忽略不计（∣S₂₁ ≈ 0）。

结论

本研究开发的超材料吸收器基于金属-绝缘体-金属（MIM）架构。研究了两种不同的六边形超材料吸收器结构：实心六边形和六边形金属条（蜂窝晶格中的金属条）。为了提高灵敏度，对两种结构中的介电层（SiO₂）采用了直线刻蚀和斜线刻蚀几何形状的修改措施。

CRediT作者贡献声明

Asmar Sathukarn：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证、方法论、数据管理、概念构思。 Nutthamon Limsuwan：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证。 Khwanchai Tantiwanichapan：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念构思。 Patharakorn Rattanawan：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

该项目得到了泰国人力资源与国际发展研究创新项目管理部门（PUM-B）下的国际科学技术创新合作网络发展项目的资助（该项目属于16号计划：合作伙伴倡议基金：S&T资助编号B16F640194）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。