在各種各樣的超表面應(yīng)用中，太赫茲傳感憑借著高靈敏度和太赫茲波的非電離性質(zhì)為分析物的無損檢測提供了強(qiáng)大的潛力，尤其受到了廣泛的關(guān)注。為持續(xù)提高太赫茲傳感器的靈敏度，基于多種物理機(jī)制，包括Fano共振、連續(xù)域束縛態(tài)共振和環(huán)偶極子共振，科研人員開發(fā)了多款太赫茲傳感器。其中，環(huán)偶極子諧振傳感器因其微弱的輻射特性，使得電磁能量在近場范圍內(nèi)受到高度的局域，因此受到廣泛的關(guān)注。然而，目前的環(huán)偶極子諧振傳感器的靈敏度受到分析物和局域增強(qiáng)電磁場之間有限的空間重疊的極大限制。此外，加工這些微米級的結(jié)構(gòu)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近日，基于上述問題，西安交通大學(xué)張留洋老師課題組提出了一種面外太赫茲傳感器，通過面外結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了光和物質(zhì)的空間重疊，從而增強(qiáng)傳感性能。該傳感器通過摩方精密提供的nanoArch S130設(shè)備進(jìn)行了加工，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的高靈敏度。相關(guān)成果以“Highly sensitive terahertz sensing with 3D-printed metasurfaces empowered by a toroidal dipole”為題發(fā)表在光學(xué)期刊《Optics Letters》上。

圖 1 （a）三步制備法示意圖，包括（1）襯底制備，（2）3D打印，和（3）金屬膜沉積;最右邊的面板描繪了設(shè)計(jì)的傳感器的原型。（b）所制傳感器的SEM圖像。沿傳感器x軸（c）和y軸（d）的表面輪廓。

圖1（a）顯示了基于面投影微立體光刻（PµSL）3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）的三步制備方法示意圖。與傳統(tǒng)的微納制造技術(shù)相比，這種方法簡單有效，是面外微結(jié)構(gòu)通用制造的實(shí)用候選方法。采用這種三步制備方法，成功制備了具有30×30個(gè)超分子陣列的太赫茲傳感器，其掃描電鏡圖像如圖1（b）所示。為了表征所制作傳感器的三維輪廓，分別沿x軸[圖1（c）]和y軸[圖1（d）]測量了其表面輪廓，數(shù)據(jù)表明打印樣品的測得輪廓總體上與設(shè)計(jì)模型吻合較好。

此外，分別通過阻抗匹配理論（圖2）和近場分析、多偶極子散射理論（圖3）解釋了傳感器的共振機(jī)理。

圖 2 （a）傳感器在x偏振和y偏振入射下的模擬（實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)（虛線）反射譜。（b）y偏振入射下傳感器阻抗。

圖 3（a）歸一化散射功率。（b）電場分布（輪廓輪廓）和表面電流分布（箭頭）。（c）磁場的分布。

在傳感器的應(yīng)用方面，選擇了三種類型的粉末——乳糖，半乳糖和葡萄糖——作為檢測分析物。首先，將粉末經(jīng)過適當(dāng)研磨后均勻撒在傳感器上，如圖 4（a）顯微鏡圖像所示。然后通過THz-TDS測量了相應(yīng)的反射譜，如圖 4（b）給所示，可觀察到半乳糖的共振頻率與其他分析物相比有明顯的紅移。

此外，為避免測量誤差，采用C掃描獲得面積為6×6 mm²的區(qū)域的反射譜曲線，分別提取各點(diǎn)對應(yīng)諧振頻率處的強(qiáng)度和諧振頻率。然后，隨機(jī)選擇每種分析物的500個(gè)點(diǎn)的計(jì)算平均諧振頻率，重復(fù)此過程10次，結(jié)果如圖 4（f）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測出葡萄糖、乳糖和半乳糖粉末。

圖 4 （a）被分析物粉末覆蓋的傳感器的顯微鏡圖像。（b）測定的三種分析電解質(zhì)粉末的反射光譜。（c）有或沒有傳感器下的乳糖粉末的反射譜。（d）乳糖粉加載時(shí)各點(diǎn)電場（傳感器）的共振強(qiáng)度和（e）共振頻率。（f）三種分析物的頻移分布。