基于多铁性材料和陶瓷的全介质超材料吸收体的设计与验证，以及其在温度和液体感应方面的应用

《Micro and Nanostructures》：Design and verification of an all-dielectric metamaterial absorber based on multiferroic materials and ceramics and its temperature and liquid sensing

本设计了一种基于全介电结构策略的双功能Metamaterial传感器，工作频段2.0-38.0 THz。该传感器通过TiN陶瓷与BFO多铁材料耦合，实现温度（0.32-0.34 THz/K）与液体折射率（17.93-26.45 THz/RIU）独立检测，突破传统单一功能限制，应用前景广阔。

　　

常哲|赵雷|戴泽天

内蒙古师范大学美术学院

摘要

近年来，超材料传感器的发展成为研究热点。本文设计并验证了一种具有双传感功能的超材料传感器，其工作频率范围为2.0-38.0 THz。该超材料采用全介质结构策略，包含装饰性材料（TiN陶瓷）和多铁性材料（BFO）。在2.0-38.0 THz频段内，它展现了窄带宽和高吸收率的共振特性。在温度传感领域（300 K-350 K），加热过程中的灵敏度为0.34 THz/K，冷却过程中的灵敏度为0.32 THz/K。在液体传感领域，其折射率灵敏度分别为：汽油17.93 THz/RIU，煤油21.11 THz/RIU，柴油26.45 THz/RIU。更重要的是，这种超材料的温度传感性能与液体传感性能彼此独立，这不同于传统的超材料传感器。该超材料传感器可应用于液体传感、温度传感、生物传感和水文环境监测等领域。

引言

新型超材料/超表面在研究人员中越来越受到关注和认可[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些超材料/超表面可应用于过滤、控制、通信等多个领域[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。在工业领域，超材料常用于吸收剂或传感器的开发[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这些超材料通过检测环境信息的变化（如温度、压力、电流、光线以及液体/气体的折射率）来获取传感信号，对环境信息具有高灵敏度。因此，将超材料应用于传感领域已成为近年来的研究热点。为了验证和开发新型光电器件，人们采用了多种新型材料，如石墨烯、氧化铟锡、三聚硅立方体、陶瓷等[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。例如，曹洪义等人利用石墨烯的共振特性增强了等离子体纳米结构的吸收性能[21]；唐超军等人将石墨烯应用于周期性银条结构，实现了四个可调吸收峰[22]；顾平等人通过在金三角阵列上覆盖氧化铟锡（ITO）薄膜制备了高性能吸收剂[23]；胡闯等人在二氧化硅基底上排列三角形硅块，实现了高Q值的电光调制效应[24]。另一种有前景的新型介质层是多铁性材料[28]、[29]。例如，铋铁氧体（BiFeO3，BFO）具有多种共振特性，如铁磁性、铁电性和磁电耦合效应[30]、[31]。Das R等人设计并测量了一种掺杂PR-Cr的铋铁氧体纳米线，其光学和磁性质可调[32]。这些功能性陶瓷材料和多铁性材料具有丰富的可调特性。通过使用陶瓷材料或多铁性材料，可以有效降低超材料的固有损耗。固有损耗是影响超材料/超表面带宽的重要因素[33]、[34]、[35]。通过降低固有损耗，可以有效地拓宽超材料/超表面的吸收带宽，从而提高检测灵敏度。

然而，现有的超材料传感器仅能实现单一传感功能，如温度传感或折射率传感[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。单一传感功能无法有效反映复杂环境中的变化。因此，本文提出了一种含有陶瓷材料和多铁性材料的超材料传感器，并对其进行了测试。在2.0-38.0 THz频段内，该超材料传感器展现出窄带宽和高强度的特性（两个峰值分别标记为A1和A2）。其中，A1（低频）峰值源于LSP-LSP干涉共振；A2（高频）峰值基于SPP-SPP干涉共振。A1峰值对三种液体（汽油、煤油、柴油）的灵敏度分别为17.93 THz/RIU、21.11 THz/RIU和26.45 THz/RIU；A2峰值在温度升高过程中的灵敏度为0.34 THz/K，在温度降低过程中的灵敏度为0.32 THz/K。更重要的是，该超材料在温度传感和液体传感过程中表现出独立性：温度传感信号与液体传感信号之间不会相互干扰。这种独立的双传感特性在以往报道的超材料/超表面传感器中较为罕见[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。

结构设计

所提出的超材料样品的结构如图1（a-b）所示。顶层由陶瓷材料TiN构成方形阵列，中间层和底层分别为多铁性材料BFO和陶瓷材料TiN。采用这种结构策略，目的是利用表面极化电荷与入射电磁波之间的耦合效应来激发共振模式。

物理机制

A1和A2峰值的共振电场通过HFSS软件计算得出，结果如图3和图4所示。在18.01 THz的共振点处，xoz截面上，TiN/BFO/TiN材料的共振电场主要集中在TiN陶瓷块阵列的一侧（见图3（b）。方形阵列中的波形成了两种不同的LSP模式，这些LSP模式之间的振荡电场发生干涉。

结论

具有独特电磁共振特性的超材料/超表面在多功能光电器件中的应用引起了研究人员的关注。本文验证并优化了一种采用全介质结构策略（TiN/BFO/TiN）的超材料吸收剂。在2.0-38.0 THz范围内，该超材料样品在18.01 THz和20.58 THz处分别激发了两个吸收峰（标记为A1和A2），振幅分别为0.933和0.942，半带宽为0.11。

作者贡献声明

赵雷：撰写原始稿件。常哲：撰写原始稿件。戴泽天：撰写原始稿件

未引用参考文献

[40]。

利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

利益冲突

不存在利益冲突

本研究使用的数据集可应要求向相应作者索取。

参考文献格式

不适用

伦理批准

不适用

资金声明

项目资金1：由内蒙古师范大学高级人才研究基金会支持，项目编号：2025YJRC123 项目资金2：教育部学位中心与研究生教育发展中心2024年度主题案例“利用数字智能创新艺术设计，赋能现代环境空间”，项目编号：ZT-2410332001

利益冲突声明

本手稿的提交过程中不存在利益冲突。