基于石墨烯 - 液晶集成一维光子晶体中耦合 Tamm/Fano 共振的高灵敏度创新型太赫兹温度传感器

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：High-sensitivity innovative terahertz temperature sensor based on the coupled Tamm/Fano resonance in a graphene-liquid crystal integrated one-dimensional photonic crystals

　　

摘要
对高性能传感技术的需求与跨行业准确温度监测的需求密切相关。由于对温度变化的卓越灵敏度，光学温度传感设备受到了广泛关注。同时，在本研究中，我们从理论上介绍了一种高灵敏度太赫兹 (THz) 温度传感器。该传感器的核心基于一种混合架构的设计，该架构将单层石墨烯与一维光子晶体 (1D-PC) 集成，以激发尖锐的 Tamm/Fano 共振。通过嵌入液晶 (LC) 层，所设计的结构实现了动态可调性和增强灵敏度。在此，传输矩阵法 (TMM) 是研究所设计传感器光学特性的基石。在此方面，数值研究探讨了 1.1799 THz 处耦合 Tamm/Fano 共振的出现。此外，出现的共振提供了对温度变化良好的灵敏度。然而，为了实现尽可能高的性能，所有直接影响所提出传感器的参数都经过了优化。经过优化过程后，在温度从 15 °C 变化到 50 °C 的情况下，传感器实现了 0.002411 THz/°C (270.5 nm/°C) 的高温度灵敏度和 0.728 °C 的检测限。因此，我们相信所设计的温度传感器在微电子、芯片热管理、微流控和生化测试等许多应用中具有广阔的前景。

引言
为了保证最佳的产品和服务，温度管理和跟踪在微电子、芯片热管理、微流控、生化测试、化学和机械领域至关重要 [1]。由于反应速度慢以及需要直接物理接触，普通水银温度计在这些情况下无效。此外，电气温度传感器，如热电阻和热电偶，也需要与被观察对象直接接触。因此，许多研究人员致力于设计和制造一些新的光学温度传感器来解决这一障碍。特别是，这类设备在高性能、安全性、准确性以及无直接接触等方面提供了一些有前景的特性 [2]。最近，纳尺度研究在制造各种光学器件方面引起了很大兴趣。同时，一些新结构和现象，如光子晶体 (PCs)、光子晶体光纤 (PCFs)、表面等离子体共振 (SPR) 和 Tamm 等离子体共振 (TPR) 已被广泛应用于此类器件的设计和制造中。在这方面，PCs 已成为温度传感器设计中有前景的人工周期结构。具体来说，由于光学特性（特别是折射率）的周期性调制，这些结构预计能调节电磁 (EM) 波 [3]。可以设想在一维、二维或三维构建 PCs，其晶格常数与入射波长相当。因此，它们可以具有光子带隙 (PBG)，阻碍特定频率下 EM 波的传输 [4]。此外，如果改变 PCs 的传统布局，将在特定频率出现局部缺陷或共振模式 [4], [5], [6]。因此，PCs 被广泛应用于通信系统、结构色、限制器、光学滤波器和开关的构建中 [7], [8], [9], [10], [11], [12]。目前，在传感器领域使用 PCs 的兴趣日益增长，包括温度、气体、液体和生物传感器 [13], [14]。例如，Kumar 等人提出了一种用于超快折射率检测和应用的高性能光子晶体结构 [15]。由于这些显著特性，基于 PCs 的温度传感技术因其众多优势而受到关注，包括材料稳定性、宽温度范围以及无电气元件，特别是其在极端环境条件下操作的能力 [16], [17]。Tong 等人的工作是一个显著的例子，他们开发了一种灵敏度为 0.0267 nm/K 的 1D-PC 温度传感器 [18]。

与基于 PC 的结构发展并行，SPR 已成为另一种复杂的无标记检测方法。它被引入以大幅增强传感性能。由于其高灵敏度、选择性和响应时间，基于 SPR 的传感器可用于许多应用，如食品分析、医学诊断和生物分子相互作用的研究 [19], [20], [21], [22]。表面等离子体 (SP) 波通常通过两种主要技术激发：棱镜耦合和光栅耦合 [23], [24]。这些方法通过在特定入射角下耦注入射光和 SP 模式的能量，在反射光谱中诱导共振谷 [22], [23], [24]。由于对附着在金属上的材料折射率 (RI) 的高灵敏度，这种共振条件作为一种出色的传感应用。

最近，TPR 是在 PCs 中创建共振模式的一种替代方法，描述为布拉格反射器（例如，1D-PC）和金属层（例如，银）之间的受限 EM 模式 [25]。特别地，光学 TPR 不同于 SPR，可以在任何入射角下存在横磁 (TM) 和横电 (TE) 极化。因为其色散被限制在光锥内，它可以无需任何光栅或棱镜即可光学生成 [26]。此外，TPR 有可能比 SPR 损耗更小且更尖锐 [27]。同时，提出了一种基于甲苯的温度传感器，利用 TPR 实现了最大灵敏度 0.7 nm/°C [28]。将热释电材料铌酸锂集成到 1D-PC 中，使灵敏度增加到 1.1 nm/K [29]。通过耦合 TP/Fano 共振，实现了更高的灵敏度，值为 3.035 nm/K [30]。

我们相信，在基于 TPR 的温度传感器设计中纳入一些新的热光材料，如液晶 (LCs)，可能对温度传感器的整体性能产生显著影响。特别地，LCs 具有强烈的温度依赖性折射率，显著影响传感器的响应。因此，LCs 可能是气体、化学和温度传感应用的最佳选择，因为它们优于其他热光和电光材料 [31], [32], [33], [34], [35]。LC 分子具有特定程度的晶体有序性。它们具有卓越的电学和光学特性，并表现出介于液体和晶体之间的特性。它们还表现出双折射，意味着它们有两个不同的折射率：寻常光和非常光 [36]。在各种光学器件的开发和生产中，LCs 起着至关重要的作用。基于胆甾相 LC 的光子器件是集成光学电路的关键组件。它们对现代光学应用的发展至关重要，包括温度和应力传感器、光触发光子执行器、光学开关和滤波器、电光可调器件以及生物传感应用 [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]。温度变化显著影响 LCs 的 RI，进而影响传感器的响应。因此，LCs 可作为温度转换器 [48]。Elsayed 等人构建了一种利用 LC 层作为缺陷的温度传感器。灵敏度提高到 4 nm/°C [49]。此外，通过利用沉积在银和 1D-PC 之间的 LC (E7) 中的 TPR，灵敏度增强达到 5.3453 nm/°C [50]。近年来，由于 Fano 共振、SPR 和 TPR 具有高灵敏度和高因子，它们在光学传感器领域的应用越来越受欢迎。这些共振是介电层和金属层界面处自由电子振荡的一种类型 [51], [52]。

同时，在本研究中，我们从理论上介绍了一种高灵敏度太赫兹 (THz) 温度传感器。该传感器的核心基于一种混合架构的设计，该架构将单层石墨烯与一维光子晶体 (1D-PC) 集成，以激发尖锐的 Tamm/Fano 共振。实际上，选择 THz 频域是因为 THz 技术因其低光子能量、高穿透性以及该区域大多数生物分子的独特光谱特征而受到越来越多的关注。在这方面，无线通信、成像、生物学和传感领域都受益于过去几年 THz 技术的快速发展 [53], [54], [55], [56]。

然而，标准 TPR 激发严重依赖金属 - 布拉格反射器排列，这缺乏动态可调性，且无法在 THz 范围内工作。在某些条件下，石墨烯具有一些类金属特性。它还提供了卓越的可调性，并可在宽频率范围内工作。由石墨烯组成的传统 TPR 结构现在可以开发成一种可动态调整的 THz 传感器 [57]。由于其卓越的光电子特性，如 SPR 支持、光学电导率的可调性和宽带响应，石墨烯在高灵敏度光学传感器的开发中提供了卓越的作用 [58], [59], [60]。

尽管如此，THz 传感中仍存在两个关键的知识空白。尖锐的 Fano 线型通常需要复杂的、依赖光刻的超表面。同时，标准金属 Tamm 结构存在显著的欧姆吸收损耗，这会加宽共振。因此，本研究的创新之处在于设计了一种混合架构，将单层石墨烯与 1D-PC 集成，以激发尖锐的 Tamm/Fano 共振。据我们所知，这是首次将单层石墨烯片与沉积在 1D-PC 上的 LC (E7) 层在混合架构中集成，从而激发耦合 Tamm/Fano 共振用于 THz 温度传感。与金属损耗不可取或参数调整是增量式的标准配置不同，我们采用单层石墨烯作为棱镜/LC 界面处的低损耗相位匹配元件。通过嵌入 LC 层，所设计的结构实现了动态可调性和增强灵敏度。因此，我们的混合设计可以利用 Fano 型线型的极端灵敏度和 LC 的高热光特性，不同于依赖低热光系数固态材料的传统温度传感器。此外，LC 层通过热响应发挥有前景的作用。然后，单层石墨烯能够通过修改其费米能级来调整工作共振频率。值得注意的是，这些优势是通过平面、无光刻设计实现的，其制造复杂性低于复杂的超表面设计。

最后，为了实现我们所设计温度传感器的最佳性能，针对石墨烯、LC 和 1D-PC 参数进行了广泛的优化过程。本文组织如下：第 2 节描述理论模型和控制方程。第 3 节展示数值结果并对传感器性能进行详细分析。最后，第 4 节总结了本工作的主要结果。

章节片段
理论框架
本节首先说明所提出的传感器设计，然后建立数学框架以分析所提出的 THz 传感器如何响应相互作用的 EM 波。如图 1 所示，所提出的结构以棱镜开始，随后是单层石墨烯，然后是向列型 (E7) LC 层，最后是由交替硅 (Si) 和二氧化硅 (SiO2) 层组成的 1D-PC 堆叠。因此，引入的 THz 温度传感器可以配置为

结果与讨论
本节展示和讨论由于入射 EM 波与所提出的传感器（配置为 [prism/graphene/LC (E7)/(Si/SiO2) N/Air]）相互作用而获得的结果。在这方面，我们首先介绍了由于石墨烯和 LC (E7) 的 RI 随温度变化而获得的结果，以建立驱动传感器可调性的物理机制。然后将在不同设计阶段显示反射光谱，从...开始

结论
本工作提出了一种高灵敏度 THz 温度传感器，与其同类产品相比具有卓越的性能。同时，我们的 THz 温度传感器通过在单层石墨烯和 1D-PC 之间包含一个 LC (E7) 层设计而成，在给定配置下，即 [prism/graphene/LC (E7)/(Si/SiO2)N/Air]。数值结果表明了耦合 TP/Fano 共振的出现，这反过来代表了传感器监测的核心。特别地，LC 的

CRediT 作者贡献声明
Hussein A. Elsayed: 写作 – 初稿，可视化，软件，资源，方法论，调查，概念化。Ahmed Abdelnaem Ahmed: 写作 – 初稿，软件，资源，数据管理。Emad Solouma: 监督，项目管理，资金获取。G.A. Yahya: 监督。M. Abd Elwahab: 监督。Mohammed Messaoudi: 监督，项目管理。Mona Alharbi: 监督，项目管理。

Ahmed Mehaney：写作 – 审阅与编辑
参与同意：不适用。
出版同意：不适用。
伦理批准与参与同意：不适用。
资助：作者感谢沙特阿拉伯利雅得努拉宾特阿卜杜勒拉赫曼公主大学研究人员支持项目编号（PNURSP2026R927），努拉宾特阿卜杜勒拉赫曼公主大学。
利益冲突声明：作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。
致谢：作者感谢沙特阿拉伯利雅得努拉宾特阿卜杜勒拉赫曼公主大学研究人员支持项目编号（PNURSP2026R927），努拉宾特阿卜杜勒拉赫曼公主大学。
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