西安交大：3D打印的基于環偶極子的高性能太赫茲傳感器及其應用

在各種各樣的超表面應用中，太赫茲傳感憑借著高靈敏度和太赫茲波的非電離性質為分析物的無損檢測提供了強大的潛力，尤其受到了廣泛的關注。為持續提高太赫茲傳感器的靈敏度，基于多種物理機制，包括Fano共振、連續域束縛態共振和環偶極子共振，科研人員開發了多款太赫茲傳感器。其中，環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受到高度的局域，因此受到廣泛的關注。然而，目前的環偶極子諧振傳感器的靈敏度受到分析物和局域增強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構也是一個挑戰。

近日，基于上述問題，西安交通大學張留洋老師課題組提出了一種面外太赫茲傳感器，通過面外結構，增強了光和物質的空間重疊，從而增強傳感性能。該傳感器通過摩方精密提供的nanoArch S130設備進行了加工，并通過實驗驗證了傳感器的高靈敏度。相關成果以“Highly sensitive terahertz sensing with 3D-printed metasurfaces empowered by a toroidal dipole”為題發表在光學期刊《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計的傳感器的原型。（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（nanoArch S130，摩方精密）的三步制備方法示意圖。與傳統的微納制造技術相比，這種方法簡單有效，是面外微結構通用制造的實用候選方法。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，數據表明打印樣品的測得輪廓總體上與設計模型吻合較好。

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理。

圖 2 （a）傳感器在x偏振和y偏振入射下的模擬（實線）和實驗（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，將粉末經過適當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的區域的反射譜曲線，分別提取各點對應諧振頻率處的強度和諧振頻率。然后，隨機選擇每種分析物的500個點的計算平均諧振頻率，重復此過程10次，結果如圖 4（f）所示。實驗結果表明，所提出的傳感器能夠準確地檢測出葡萄糖、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）乳糖粉加載時各點電場（傳感器）的共振強度和（e）共振頻率。（f）三種分析物的頻移分布。