石墨烯增强型可调谐太赫兹介电谐振器吸收器：面向生物传感与电磁屏蔽的多功能应用

研究人员针对太赫兹(THz)波段在生物传感和电磁干扰(EMI)屏蔽中的关键需求，设计了一种基于石墨烯(Gr)增强介电谐振器的可调谐吸收器。该器件通过调控石墨烯化学势(μc)，实现了1.07-13.3 THz超宽带吸收（带宽12.23 THz）与6.81 THz窄带吸收的协同，灵敏度(S)达5.11 THz/RIU，品质因数(Q)高达1322.5，可精准检测癌细胞和病毒，同时具备>10 dB的电磁屏蔽效能，为THz多功能器件开发提供了新范式。

　　

在电磁波谱中，太赫兹(THz)波段因其独特的穿透性和非电离特性，被誉为生物医学检测的"黄金频段"。然而，这一频段面临两大挑战：一是传统吸收器难以兼顾宽窄带响应，限制了其在电磁屏蔽(EMI)与高精度传感中的协同应用；二是现有传感器灵敏度不足，难以捕捉微量生物标志物的微弱信号。这些瓶颈严重制约了THz技术在癌症早期诊断和病毒快速检测等关键领域的应用。

针对这一难题，韦洛尔理工学院(Vellore Institute of Technology) Chennai校区的Patri Upender和Kuldeep Yadav团队创新性地将石墨烯(Gr)与硅基环形介电谐振器(SCDR)结合，设计出具有双重功能的可调谐吸收器。这项发表在《Scientific Reports》的研究，通过调控石墨烯化学势(μ_c)实现了动态频谱控制，同时利用介电谐振器的多模共振特性拓宽了工作带宽。关键技术包括：采用CST Microwave Studio进行3D电磁仿真，建立等效电路模型验证性能；通过湿法转移工艺集成单层石墨烯；利用光刻技术制备硅基环形谐振器(内/外半径30/50 μm)；采用折射率(RI)梯度测试验证生物传感灵敏度。

宽窄带协同吸收机制

通过优化SCDR的几何参数(厚度1.5 μm)与石墨烯化学势(μ_c=0.2 eV)，器件在2.567-11.602 THz范围实现9.0346 THz超宽带吸收，同时在3.52 THz和7.29 THz处产生双窄带共振峰，吸收率均>99.9%。电场分布显示，低频共振主要发生在谐振器外缘，而高频共振则同时激发内外环耦合模式。

动态调谐特性

调节μ_c从0.1至0.8 eV时，吸收峰可动态偏移1.47 THz。特别在μ_c=0.2 eV时，双带灵敏度分别达2.468 THz/RIU和5.11 THz/RIU，远超同类器件。等效电路分析表明，石墨烯的电阻(R_gl=150 Ω)与谐振器的RLC特性(如C_si=0.02 fF)共同决定了吸收特性。

生物传感性能

在检测癌细胞(n=2.0149)时，传感器表现出1.837 THz/RIU的灵敏度，优于流感病毒(1.528 THz/RIU)等病原体。对于乙醇(1.36 RIU)、甘油(1.47 RIU)等化学品，其品质因数(Q)稳定在900-1322.5之间，验证了检测稳定性。

电磁屏蔽效能

吸收有效性(E_A)始终>10 dB，反射有效性(E_R)<1 dB，在13.3 THz带宽内能有效抑制电磁干扰。斜入射测试显示，70°内吸收率保持80%以上，满足实际应用需求。

这项研究的突破性在于首次在单一器件中整合了THz宽窄带吸收、高灵敏度生物传感和高效电磁屏蔽三大功能。通过石墨烯-介电谐振器的协同设计，不仅实现了5.11 THz/RIU的创纪录灵敏度，还保持了1322.5的超高Q值，为开发下一代智能THz诊疗设备奠定了基础。特别值得注意的是，该器件对癌细胞与健康细胞(n=1.844)的显著区分能力，为癌症早期无创诊断提供了新思路。研究者提出的等效电路模型和参数优化方法，也为其他频段多功能吸波器设计提供了普适性框架。