基于超材料的多波段太赫兹吸收体在折射率传感中的创新应用与性能优势

本文推荐一款基于超材料的多波段太赫兹（THz）吸收体，其单元尺寸仅10×10×1.61μm3，具有10个吸收峰（吸收率≥95.47%），覆盖2.0–40THz，支持入射角达40°且准偏振不敏感。该结构在折射率（RI）传感中灵敏度达3.67THz/RIU，品质因子（Q）最高212，优于现有传感器，适用于生物医学与材料表征等领域。

　　

Highlight

该多波段太赫兹吸收体基于超材料设计，具有高吸收率、紧凑尺寸和优异传感性能，适用于折射率检测与生物分子识别。

Simulation and optimization of the absorber structure

吸收体结构采用金基顶层谐振器，包含两个方环与四条矩形带，聚酰亚胺（polyimide）衬底与金接地层。单元尺寸为10μm×10μm×1.61μm，极具紧凑性，适用于太赫兹传感与光子平台集成。

Results and discussion

通过分步优化结构，从单一方环到加载八角槽的内方环，最终加入四条矩形带，逐步增加吸收峰数量并提升吸收率。最终结构在10个频率点实现高吸收（95.47%~99.95%），且吸收带宽（FWHM）覆盖0.331–4.914THz。

E-field behaviors of resonating structure

在TE模式下，不同谐振频率处的电场分布（|E_z|）显示：外方环边缘、内环与八角槽耦合区、矩形带末端等区域出现强场集中，解释了多频带谐振机制。

Parametric analysis of multiband absorber

通过顺序优化法分析几何参数变化对吸收性能的影响。结构微调（如环宽、带长等）可显著改变谐振频率与吸收强度，证明设计对加工精度敏感，符合微加工可行性。

Comparison table

与现有太赫兹吸收体相比，该设计在单元体积（λ_L³）、体积缩减（达99.8%）、吸收峰数量（10个）和吸收率方面均占优。

Sensing behavior

传感器结构包含1μm厚待测物（analyte），折射率（RI）从1.0至1.6变化时，六个吸收峰发生频移，灵敏度范围0.27–3.67THz/RIU，品质因子（Q）达212，性能指标（FOM）最高16 RIU^?1。

Validation of proposed sensor

通过四种已知折射率材料（n=1.025, 1.05, 1.425, 1.5）验证传感器准确性，折射率估算误差低于0.3%，证明其在实际传感中的可靠性。

Comparison as a refractive index sensor

与现有传感器相比，该设计在灵敏度（3.67THz/RIU）、单元尺寸和FOM方面具有竞争力，但部分指标仍低于某些文献，整体性能均衡且适用性广。

Feasible fabrication technique

可采用微加工、光刻（photolithography）、电子束刻蚀（electron beam lithography）、激光加工、纳米压印（nano-imprint）或3D打印等技术制备，微加工工艺最适用于太赫兹频段结构。

Conclusion

该金-聚酰亚胺基太赫兹吸收体具有十波段高吸收、准偏振不敏感、宽入射角稳定性等优点，其传感器配置在折射率检测中展现高灵敏度与低误差，优于现有设计，适用于生物医学与材料传感应用。