Fabry-Perot腔介导的多带全钒氧化物基太赫兹超材料吸收器，具有超高传感应用潜力

《Surfaces and Interfaces》：Fabry-Perot cavity mediated multiple-band all-vanadium-dioxide-based terahertz metamaterial absorbers with ultra-high sensing applications

提出全钒氧化物（VO?）表面光栅型太赫兹超材料吸收器，无需金属层。金属态下光栅槽道形成低Q值三峰吸收（9.91 THz/RIU），绝缘态宽带吸收超80%，可调光栅高度实现单/双/四峰模式切换。通过微流道效应增强 analyte 与谐振场耦合，为痕量检测和太赫兹设备设计提供新方案。

　　

王海鹏|周伟军|张友琦|王月科|王本新

江南大学光电信息与物理科学学院，中国无锡214122

摘要

由于其优异的性能和独特的应用，超材料吸收体受到了广泛关注，但它们的设计通常需要堆叠多种不同的材料，从而导致结构复杂，尤其是需要金属层的参与来提供内在损耗并抑制通过皮肤效应的光传输。本研究提出了一种仅由单一全电介质材料构成的多带太赫兹超材料吸收体，无需使用金属层，打破了传统的设计策略。该吸收体完全由相变二氧化钒（VO₂组成，在VO₂薄膜上放置了光栅型VO₂结构，具有紧凑直观的结构和明确的物理机制。当VO₂处于金属态时，它作为谐振腔，通过法布里-珀罗（F-P）腔模式实现三峰吸收。进一步分析表明，在光栅沟槽中引入微流控通道显著增强了分析物与谐振模式场分布之间的相互作用，使传感器能够达到高达9.91 THz/RIU的超高灵敏度。值得注意的是，这种高灵敏度是在低Q值谐振条件下实现的，体现了与传统高Q值传感方法不同的基于吸收的传感机制。通过调整光栅高度，可以利用F-P腔模式灵活实现单峰、双峰甚至四峰吸收，极大地扩展了其功能多样性。此外，当VO₂调至绝缘主导状态时，它表现出优异的宽带吸收特性。由于这些优越特性，所提出的全VO₂光栅型吸收体在微量传感和检测应用中具有巨大潜力，同时为未来太赫兹超设备的设计提供了宝贵指导。

引言

超材料由人工设计的亚波长周期性结构组成，可以展现出自然界材料无法实现的非凡物理特性，如负折射率[1]、完美吸收[2]和亚波长衍射[3]，这些独特特性使它们成为操控电磁波的强大工具[4]。特别是在太赫兹频段，由于具有理想特性的天然材料极为稀缺，超材料已被广泛应用于各种太赫兹功能设备的设计中，包括波前整形[5]、偏振转换[6]和近乎完美的吸收[7]。其中，太赫兹超材料吸收体因其广泛的应用前景而受到极大关注[8,9]。传统的超材料吸收体设计通常依赖于金属-电介质多层结构或复杂的谐振单元[10]，其中电磁共振将能量耗散到电介质层中。这类吸收体的一个关键限制是，一旦制造完成，其吸收特性通常是固定的，难以满足复杂环境下的动态可调应用需求。

随着对可重构和自适应太赫兹超设备需求的增长，石墨烯[11]、液晶[12]和二氧化钒（VO₂[13]等可调材料越来越多地被纳入超材料设计中。在这些候选材料中，VO₂因其独特的相变特性而脱颖而出。在约68°C时，VO₂在绝缘态和金属态之间发生可逆转变[14]，伴随着从单斜相到金红石相的结构变化以及4～5个数量级的导电性变化[15]。这种显著且可控的材料性质调制使VO₂成为实现动态可调太赫兹超设备的理想平台[16,17]。

近年来，基于VO₂的太赫兹多功能吸收体得到了广泛研究，并在传感和电磁屏蔽方面显示出巨大潜力[[18], [19], [20], [21]]。然而，大多数现有设计仍然依赖于堆叠和集成多种异质材料来实现基本功能[[22], [23], [24], [25], [26]]。例如，熊等人开发了一种包含石墨烯、VO₂和金的多层吸收体，可以实现宽带和多窄带吸收之间的切换[22]。尽管这种多层架构可以提高设备性能，但不可避免地存在制造复杂性、制备技术挑战和高生产成本等缺点。同时，考虑到品质因数与灵敏度之间的关系，传统的高Q值传感器通常通过减小共振线宽来提高传感性能[[27], [28], [29]]。例如，严等人提出了一种基于电介质光栅狭缝波导的吸收体[27]，实现了4600的高Q值和0.93 THz/RIU的折射率灵敏度。然而，这种设计在实际传感应用中存在固有局限性：一方面，窄带吸收响应严重限制了有效的工作带宽，不利于适应复杂和动态的检测场景；另一方面，尖锐的共振峰需要高精度仪器进行分辨，这显著增加了系统成本并提高了实际应用的门槛，从而限制了可扩展性和多功能性。因此，开发一种新的吸收体设计策略至关重要，这种策略应具有结构简单性，无需多层堆叠，使用单一材料而无需多种不同材料的复杂组合，同时实现高性能吸收和出色的传感灵敏度。

在这里，我们提出了一种创新的全VO₂光栅型太赫兹超材料吸收体。与依赖金属背板和电介质层的传统设计不同，所提出的吸收体仅利用温度控制的VO₂导电性调制，在光栅沟槽中激发法布里-珀罗（F-P）腔模式共振。这使得接近完美的三峰吸收和宽带吸收成为可能。与基于多种不同材料堆叠的传统超材料吸收体相比，本文提出的全VO₂光栅配置实现了极度的结构简化，同时表现出优异的可调性和宽角度容忍度。值得注意的是，该吸收体利用光栅沟槽作为天然的微流控通道，使分析物能够积极参与谐振场的形成。它充分利用了分析物与腔体之间的强局域模式，从而在低Q值共振峰下实现了超高灵敏度，这一点在以往的研究中很少受到关注。为了进一步阐明潜在的物理机制，我们结合了近场分布和阻抗匹配理论进行了全面分析，证实了光栅沟槽作为F-P谐振腔在吸收过程中的关键作用。由于其极简的架构、出色的可调性、超高灵敏度和内在的微流控通道特性，所提出的全VO₂光栅型太赫兹超材料吸收体在微量检测应用中具有广泛前景，并为未来太赫兹超设备的设计提供了新的视角。

全VO₂光栅型太赫兹超材料吸收体的结构设计与方法

在这项研究中，我们提出了一种完全由全电介质VO₂构成的光栅型太赫兹超材料吸收体，如图1(a)所示。光栅栅栏（凸起区域）的高度为h?=?30.5 μm，宽度为a?=?15.8 μm，而光栅沟槽（凹陷区域）的宽度为b?=?4.2 μm。VO₂薄膜的厚度为t?=?10 μm，单元格周期设置为P?=?40 μm。

全VO₂光栅型太赫兹超材料吸收体的结果与讨论

本研究提出了一种仅由全VO₂材料构成的光栅型太赫兹超材料吸收体。当VO₂处于高导电性的金属态时，该器件表现出腔诱导的三峰吸收，通过低Q值共振响应实现超高灵敏度。相反，当VO₂切换到绝缘主导状态时，吸收体实现超过80%的宽带吸收，进一步扩展了吸收体的功能，见图2(d)。

结论

本文首次提出了全VO₂光栅型太赫兹超材料吸收体，该吸收体在金属态下实现三峰窄带吸收，在绝缘主导状态下实现接近80%的宽带吸收。凭借极简的结构设计，该吸收体在变化的光极化和大角度入射条件下仍能保持高效和可调的性能。

CRediT作者贡献声明

王海鹏：数据整理、形式分析、研究、撰写——原始草稿。周伟军：形式分析、研究、验证。张友琦：形式分析、研究、验证。王月科：研究、方法论。王本新：概念化、资金获取、项目管理、监督、撰写——审阅与编辑。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（62105128）和中国博士后科学基金（2023M741401）的资助。

数据和材料的可用性

支持本研究结果的数据和材料可向相应作者提出合理请求后获取。

声明

作者在手册准备过程中未使用AI和AI辅助技术。

CRediT作者贡献声明

王海鹏：撰写——原始草稿、研究、形式分析、数据整理。周伟军：验证、研究、形式分析。张友琦：研究、验证、形式分析。王月科：研究、方法论。王本新：项目管理、概念化、资金获取、撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。