编辑推荐：
本文报道了一种紧凑、高灵敏度的片上太赫兹时域光谱（THz-TDS）传感器，其核心为嵌入低介电常数聚合物薄膜的对称共面带线（CPS）结构。该平台采用模块化设计，包含一个刚性母板和一个用于样品装载的可拆卸子板，实现了单设备对多样本的测试。与传统的自由空间系统相比，该器件显著增强了场-样品的相互作用，针对石墨烯和铬薄膜的测量，分别展示了超过8.8分贝和21.6分贝的太赫兹吸收增强，并伴随显著的相位变化和脉冲展宽，为超薄二维材料和薄膜的高灵敏度表征提供了一种可调谐、可重复的解决方案。
一、研究背景与挑战
太赫兹（THz）时域光谱（TDS）技术因其非破坏性、能够探测材料（特别是导电和半导体二维材料及金属薄膜）中超快载流子动力学的能力，而成为一种强大的表征工具。然而，传统的自由空间太赫兹时域光谱系统受限于衍射极限，其远场测量方式在探测微纳尺度样品时存在困难。此外，弱场限制、短相互作用时间以及对低温或高真空环境兼容性不佳等问题，进一步限制了其应用范围。
为克服这些限制，片上太赫兹光谱（OCS）技术应运而生。它将太赫兹源、传输线和探测器集成在单个芯片上，利用平面传输线对引导的太赫兹场进行横向强限制，从而增强场-样品相互作用、延长作用时间并提高灵敏度。然而，现有片上光谱器件通常与待测样品固结在一起，导致器件无法重复使用，且可拆卸样品板的空气间隙难以精确控制，影响了测量的可重复性和稳定性。
二、器件设计与平台架构
针对上述问题，本研究团队开发了一种基于对称共面带线（CPS）结构的紧凑型高灵敏度片上太赫兹传感器。该传感器的核心设计包括一个刚性母板和一个可拆卸的子板。母板上集成了对称CPS结构以及三个基于低温砷化镓（LT-GaAs）的光电导（PC）开关：一个作为太赫兹波发射器（E），两个作为探测器（D1和D2）。CPS由平行的金（Au）导带构成，间距为30微米，宽度为50微米，厚度为100纳米。整个结构被夹在两层100微米厚的环烯烃聚合物（COP）薄膜之间，这种对称设计有效抑制了因衬底与空气间强介电常数失配导致的辐射损耗和色散。
实验基于光纤耦合的太赫兹时域光谱模块，采用光学泵浦-探测方法。飞秒脉冲激光被分为泵浦光和探测光路径，分别驱动发射器和激发探测器。通过精确控制空气间隙，可以实现样品与CPS表面之间相互作用的可调谐，这对于实现低损耗太赫兹传播至关重要。
三、空气间隙依赖性及传感性能验证
为了评估传感器性能，研究团队系统研究了空气间隙变化对测量灵敏度与可重复性的影响。通过逐步降低子板，定义了四种不同的接触状态：微间隙接触、首次接触、部分接触和完全接触（即无空气间隙）。
实验结果显示，从微间隙接触到完全接触，太赫兹脉冲持续时间从1.12皮秒减少到1.04皮秒，同时时间延迟增加，太赫兹峰值振幅升高。完全接触条件下，对称CPS结构的传输损耗最低。基于有限元方法的数值模型也证实了空气间隙增加会导致ED2信号提前到达。这些结果表明，通过精确控制空气间隙，可以有效消除或减轻由空气间隙依赖引起的光谱变化，确保与子板上样品之间稳定的太赫兹相互作用，从而实现样品引起的相位和振幅变化的精确、定量分析。
四、与近场自由空间系统的性能对比
为验证该片上平台的灵敏度，研究团队将其与近场自由空间太赫兹时域光谱系统进行了对比。测试样品包括：裸COP参考膜、两个涂有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的石墨烯转移层（Gr1和Gr2）以及一个通过电子束蒸发沉积的20纳米铬（Cr）层。
片上测量结果表明，Gr1和Gr2分别产生了约10.2分贝和13.2分贝的太赫兹吸收增强，并伴随+0.6皮秒和+0.9皮秒的相位偏移，脉冲持续时间也分别增加了1.6倍和1.9倍。导电性更强的Cr薄膜则表现出约26.0分贝的更强振幅衰减、+6.5皮秒的显著相位偏移以及4.5倍的脉冲展宽。相比之下，近场自由空间测量显示所有样品的吸收都低得多（石墨烯约1.4-1.6分贝，铬约4.4分贝），且未检测到相位偏移，脉冲持续时间变化也微乎其微。这一对比充分证明了片上系统凭借延长的相互作用长度和局域化的太赫兹场，在灵敏度上的显著优势。当然，片上系统在带宽（1.4太赫兹）上窄于自由空间系统（>2.6太赫兹），这是由于CPS结构在高频下会产生额外的欧姆损耗和辐射损耗。因此，在实际应用中需根据具体需求在灵敏度与光谱范围之间进行权衡。
五、间接接触配置下的传感性能
研究还验证了在样品与CPS表面无直接接触的情况下，传感器的强传感性能依然得以保持。通过对比铬薄膜样品“面向下”（直接接触）和“面向上”（样品位于COP薄膜另一侧，与太赫兹场距离增加）两种配置发现，即使在“面向上”的间接接触配置下，传感器仍能实现8.9分贝的太赫兹对比度，这个数值介于直接接触的片上测量和自由空间测量结果之间。
这一结果凸显了该片上平台用于检测与波导直接接触不兼容的材料（如液相样品）的潜力。可拆卸、长度可调的子板设计使得太赫兹相互作用长度可调，极大地增强了该平台用于多样化太赫兹传感应用的适应性。
六、总结与展望
本研究成功推出了一种基于对称CPS结构、夹于两层COP薄膜之间的片上太赫兹传感器平台。空气间隙依赖性测量验证了其鲁棒性。该平台展示了相较于传统近场自由空间系统在灵敏度上的巨大提升，对石墨烯和铬薄膜的太赫兹吸收增强分别超过8.8分贝和21.6分贝，并伴有显著的相位偏移和脉冲展宽。即使在间接接触条件下，传感器仍能保持有效的传感性能。
该模块化平台的核心优势在于其可拆卸子板设计，它不仅允许对多个样品进行测试，还能通过调整子板长度来调谐太赫兹相互作用强度，从而优化传感性能。这为超薄薄膜、多样化二维材料乃至液相材料的高灵敏度表征开辟了新途径，有望推动太赫兹片上光谱技术进一步发展，成为一个紧凑、可交换、高灵敏度且兼容极端环境（如低温、真空）的强大工具。未来，该平台的应用范围有望扩展至包括半导体过渡金属硫族化合物在内的更广泛的二维材料体系。
