[发明专利]一种基于厚度复用薄层宽带太赫兹指纹痕量检测传感器

说明书

本发明为一种基于厚度复用薄层宽带太赫兹指纹痕量检测传感器，包括器件，所述器件由棱镜和共振介质腔层组成，共振介质腔层上端涂覆待测物层，所述待测物层选用液态非极性材料，所述待测物其上设置为介质固体薄层，介质固体薄层用于涂覆待测物；还包括棱镜层、隔绝层、液体共振腔层以及载物层；所述棱镜层、隔绝层、液体共振腔层以及载物层自下而上复合形成全介质层；所述待测物层在检测时涂覆在载物层表平面上，以TM波作为检测的信号源，通过微流控改变液体共振腔层的厚度，得到的包络为样品的指纹谱，利用指纹谱来辨别样品。根据单个液体介电层的厚度的吸收峰的差异，区分基次共振和高次共振。指纹特征点的频率偏差低至0.001THz。

技术领域

本发明涉及关键耦合吸收增强机制、微流控和太赫兹宽带指纹传感技术领域，具体为一种基于厚度复用薄层宽带太赫兹指纹痕量检测传感器。

背景技术

在太赫兹范围内，由于其独特的物理特性，在倍频器，晶体管，光驱动设备，调制器和检测器中广泛研究了二维材料(例如石墨烯)，它们的厚度通常为几埃米，例如，单层石墨烯的厚度约为0.34nm，比THz波长小5个数量级。因此，太赫兹波与石墨烯之间的相互作用非常弱。为了增强相互作用以用于更多应用，研究人员做出了很多努力，并且研究了许多光子结构，例如波导，纳米腔，光栅，金属超材料和电介质超表面。利用等离子体效应有效地增强石墨烯的太赫兹吸收，但其通常需要图案化的光学结构，而这不仅会引入复杂且昂贵的纳米加工工序，并且图案化可能会损坏石墨烯的能带结构，改变其固有特性并降低其器件性能，因为石墨烯是一种对环境条件非常敏感的超薄材料。因此，基于对未图案化的石墨烯等离子体效应的Otto结构被提出，可以实现高太赫兹吸收。但是，受限于石墨烯的使用条件，此配置必须在极低的温度下工作。另外，太赫兹等离子激元激发显著地依赖于石墨烯的材料性质，在这种配置下，其他在太赫兹范围内没有等离子特性的二维材料将无法增强波和物质的相互作用。因此，仍需要一种适用于各种无图案二维材料通用的方法来实现太赫兹完美吸收。完美吸收也是高性能太赫兹分子指纹传感的关键，特别是对于二维材料或痕量分析物的检测。在太赫兹频段，分子的独特旋转和振动模式产生的吸收指纹谱，是二维材料或痕量分析物的便捷无损的检测依据。痕量太赫兹指纹检测通常是对非常薄的样品层测量宽带光谱信号，该样品层比太赫兹波长小得多，从而导致吸收信号微弱。检测的关键因素是如何通过在超薄材料层中完美捕获太赫兹波，从而在很大的太赫兹频率范围内增强指纹特征。在过去的两年研究中，已有报道采用编码像素阵列来增强中红外指纹感应，其中包含一系列不同的介电超表面模块。也有报道通过在锯齿形排列的椭圆形晶格的介电超表面上使用角度多路复用的方法，实现增强的中红外指纹传感。另外还有研究者提出了一种具有亚波长光栅的更简单的结构，用于通过控制偏振和入射角来实现中红外指纹光谱的宽带增强。增强红外指纹的工作可以为增强宽带太赫兹指纹传感提供建议性的指导，因为这两个频率段在电磁频谱中相邻，显示出类似的光谱特性。最近，通过使用角度多路复用的电介质超表面技术改进宽带太赫兹指纹检测，取得了开创性的成果，这初步证明了电介质超表面在高性能痕量分析中的潜力。然而，使用超表面在指纹检测中面临一个严重的问题，因为分析物应共形地涂覆在超表面结构的图案化表面上，这需要复杂且专业的界面处理，阻碍了各种分析物检测的通用性。另外，在检测结构中应避免使用金属会引入相当大的欧姆损耗，这会在检测频带中带来强烈的背景噪声。因此，开发一种具有平整表面的光学结构对于提高二维材料或痕量分析物的太赫兹指纹检测性能至关重要。

发明内容

为解决技术背景提出的金属结构的寄生损失和光刻结构的加工成本提升；有结构表面的器件样品难于涂覆；正常情况下，二维和痕量样品的吸收率较低，信号微弱；微结构的使用频带响应较窄的问题。

本发明提供一种基于厚度复用的可重构的全介质传感器件，结合耦合膜理论的关键耦合吸收增强机制和微流控技术，通过宽带的太赫兹吸收信号增强，实现对1nm厚的双层扭转石墨烯、20nm厚的热还原多层氧化石墨烯和0.5μm厚的2,6-DNT的精确宽带检测，可无标记实时检测，抓取特征频率峰准确，宽带增强信号效果明显，避免了金属的寄生损失和对光子结构进行复杂的纳米加工，同时结构的平整表面十分有利于待测样品的涂覆。