太赫茲光譜技術(shù)可直接探測(cè)分子的振動(dòng)指紋譜，但由于太赫茲波與分子之間的相互作用較弱，傳統(tǒng)太赫茲光譜技術(shù)難以有效檢測(cè)微弱的分子振動(dòng)指紋信號(hào)。超表面為高靈敏度太赫茲分子檢測(cè)提供了新的途徑，但現(xiàn)有研究主要側(cè)重于太赫茲超表面諧振頻率與分子指紋振動(dòng)頻率的匹配，對(duì)于決定光與物質(zhì)相互作用強(qiáng)度的諧振損耗及其優(yōu)化方法仍缺乏系統(tǒng)研究，限制了傳感性能的進(jìn)一步提升。
西安交通大學(xué)張留洋教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于損耗工程的太赫茲超傳感器設(shè)計(jì)方法，通過引入三維面外結(jié)構(gòu)自由度，實(shí)現(xiàn)諧振頻率與損耗特性的獨(dú)立調(diào)控，利用微納3D打印技術(shù)制備得到像素化超傳感器，實(shí)驗(yàn)證明了12.6倍的分子振動(dòng)指紋信號(hào)增強(qiáng)以及分子振動(dòng)強(qiáng)耦合，為高靈敏分子檢測(cè)提供了新的技術(shù)（圖1）。該成果以“Loss-Engineered Terahertz Pixelated Metasensors for Enhanced Molecular Vibrational Fingerprint Sensing”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》。
圖1. 基于損耗工程的太赫茲像素化超表面?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟怼?/span>
基于時(shí)域耦合模式理論，揭示了損耗調(diào)控對(duì)分子振動(dòng)指紋信號(hào)增強(qiáng)的影響機(jī)制（圖2）。以麥芽糖在1.11 THz處的特征振動(dòng)模式為例，結(jié)果表明，最優(yōu)分子振動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)出現(xiàn)在特定的欠耦合條件下，為高靈敏超表面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)提供了優(yōu)化依據(jù)。
圖2. 基于損耗工程的分子振動(dòng)指紋增強(qiáng)優(yōu)化機(jī)制。
為驗(yàn)證所提出的優(yōu)化方法，研究人員利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch? S130，精度：2 μm）制備了傳感器件。通過對(duì)不同像素的光譜響應(yīng)進(jìn)行分析，重構(gòu)出麥芽糖在1.11 THz附近的特征振動(dòng)指紋，相比于無圖案化金屬反射層上的分子指紋振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了12.6倍的增強(qiáng)，驗(yàn)證了損耗優(yōu)化對(duì)于提高太赫茲傳感靈敏度的有效性（圖3）。
圖3. 3D打印太赫茲像素化超傳感器及麥芽糖分子振動(dòng)指紋檢測(cè)。
總結(jié)：本研究提出了一種基于損耗工程的太赫茲像素化超傳感器設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了諧振損耗與頻率的靈活調(diào)控，揭示了最優(yōu)分子振動(dòng)指紋增強(qiáng)的物理機(jī)制，并通過微納3D打印的器件實(shí)現(xiàn)了12.6倍的分子指紋信號(hào)增強(qiáng)及分子振動(dòng)強(qiáng)耦合。該研究可為高靈敏太赫茲分子檢測(cè)及寬帶振動(dòng)光譜分析提供新的技術(shù)途徑，在生物醫(yī)學(xué)傳感和化學(xué)物質(zhì)識(shí)別等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.78233
