基于石墨烯-黑磷杂化结构的可调谐等离子体诱导透明太赫兹超表面高性能传感器研究

为解决传统黑磷(BP)基等离子体诱导透明(PIT)传感器可调谐性差、品质因数(FOM)低的问题，研究人员设计了一种石墨烯-黑磷(GP-BP)杂化太赫兹超表面。通过有限时域差分(FDTD)模拟证实，该结构在1.0-1.7折射率范围内实现4.22 THz/RIU灵敏度和7.495 FOM，且能通过BP电子掺杂和石墨烯费米能级调控实现动态调谐。该研究为高性能生物传感提供了新思路。

　　

太赫兹波因其独特的分子指纹识别能力和非电离特性，在生物医学检测领域展现出巨大潜力。然而传统金属基等离子体诱导透明(PIT)器件面临损耗高、调谐难等瓶颈，而单一二维材料如石墨烯(GP)或黑磷(BP)构建的传感器又存在灵敏度与品质因数(FOM)难以兼得的困境。针对这些挑战，国内研究人员在《Optik》发表了一项突破性研究，通过创新性地设计GP-BP杂化超表面结构，成功实现了高性能、多维度可调的太赫兹传感器。

研究团队采用有限时域差分(FDTD)数值模拟方法，通过分析表面电导率(Kubo公式)和模式耦合机制，验证了十字形谐振器与矩形环谐振器的协同效应。通过系统测试不同偏振态(TE/TM)下的传输谱，结合费米能级调控和BP电子掺杂实验，全面评估了传感器的性能参数。

理论与设计
研究基于Kubo公式建立了GP表面电导率模型，揭示其由带内(intraband)和带间(interband)导电贡献组成。设计的超表面单元包含两层对称的GP-BP杂化结构，通过交叉谐振器(亮模式)与闭合矩形环(暗模式)的耦合产生PIT效应。

结果与讨论
模拟结果显示：单独BP结构仅产生微弱透射窗(1.8 THz处透射率20%)，而GP-BP杂化体系将透射率提升至85%，并展现出4.22 THz/RIU的折射率灵敏度。通过调节BP电子浓度(0-0.5 eV)，可实现共振频率红移达0.48 THz；改变GP费米能级(0-1.0 eV)则能动态调制PIT窗口位置。特别值得注意的是，该设计在0-60°入射角范围内保持稳定性能。

结论
该研究开创性地将GP的优异调谐性与BP的高灵敏度特性相结合，解决了传统PIT传感器FOM与灵敏度不可兼得的矛盾。所实现的7.495 FOM值较纯GP器件提升20%，且具备双偏振兼容(TE/TM模式灵敏度均为4.22 THz/RIU)和广角稳定特性。这种多参数调控能力为复杂生物环境的实时监测提供了新范式，标志着太赫兹超表面传感器向实用化迈进的关键突破。