基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器

本发明属于传感器件，特别涉及一种基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器。

背景技术：

1、电磁超材料是一种由亚波长谐振器组成的具有负介电常数和负磁导率的人工周期结构，通过合理设计超材料结构可以产生所需要的共振效果，在入射波作用下可增强待测物样本与电磁波的作用。由于其独特的性质，超材料广泛应用于完美吸收器、电磁斗篷、滤波器、传感器等诸多领域。太赫兹波具有光子能量低和非电离性的特点，在用于生物医学和物质检测时，生物样本不会因为高强度辐射而破坏样本的物质结构和自身特性，从而可实现无损检测。在可见光波段，传感器件的应用已经相当成熟，且传感性能优良。然而，太赫兹传感器由于相关技术和制造工艺的制约，在部分应用领域尚存在诸多难，另外太赫兹传感器的灵敏度也需要进一步提高。

2、石墨烯，即单层碳原子，是碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形结构，呈蜂巢晶格排列的单层二维晶体，厚度仅有0.34nm。石墨烯具有许多优越的物理性质，包括室温下的高电子迁移率、极高的热导率、异常量子霍尔效应、维持极高电流密度的能力以及可饱和的光吸收。在太赫兹领域，石墨烯被广泛研究和应用，其对太赫兹波的调制效果非常显著，被认为是一种用来调制太赫兹波的极具潜力的材料。已有理论和实验研究证实，石墨烯的化学势可以随外部激发条件而改变，并且在石墨烯中可以激发表面等离子体激元。因此，区别于传统的基于金属的微纳器件需要重新制造新的结构来实现太赫兹波的可调谐，基于石墨烯的器件只要改变石墨烯的化学势，即可实现对太赫兹波的主动可调谐。在实际应用中，相比于单频带吸收，基于石墨烯吸收体实现双频带吸收或多频带吸收可以实现更大的可调谐性和频率选择性。因此，作为传感，双频比常见单频结构具有更大的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提出一种基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，通过石墨烯条处的电偶极子共振和磁偶极子共振共同作用，该传感器实现双频带吸收，与单频带吸收相比，样本检测准确性更高；该器件传感效果优良，动态可调谐。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明提供了一种基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，包括在x、y方向呈周期性排列的单元结构，所述单元结构呈三层结构，自上而下依次包括石墨烯层、介质层和衬底层，所述石墨烯层由两个平行设置的横向石墨烯条和两个平行设置的竖向石墨烯条组成，两个横向石墨烯条的外形尺寸完全相同，两个竖向石墨烯条的外形尺寸完全相同。

4、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，所述横向石墨烯条与竖向石墨烯条是厚度为0.34nm的矩形体，二者长宽均不相同。

5、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，所述横向石墨烯条的长l1为7μm，宽d1为1μm；所述竖向石墨烯条的长l2为1.5μm，宽d2为3.7μm。

6、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，所述介质层采用聚环烯烃共聚物；所述聚环烯烃共聚物的厚度为11μm，相对介电常数为2.35。

7、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，所述衬底层采用金材料，所述金材料的等离子频率ωp为4.35π×1015rad/s，碰撞频率ωc为13π×1012rad/s，厚度为0.2μm。

8、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，呈周期性排列的单元结构长宽p为12μm。

9、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，通过改变两个横向石墨烯条和两个竖向石墨烯条的尺寸，调节传感器对太赫兹波的吸收频率。

10、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，通过外加偏置电压改变石墨烯的费米能级，调节传感器对太赫兹波的吸收频率。

11、根据本发明基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，进一步地，所述传感器的传感性能用质量因子q、品质因数fom和灵敏度s来定量描述；所述灵敏度s的计算公式为s＝δf/δn，其中δf表示从f1到f2的频率偏移量，δf＝|f1-f2|，δn表示分析物折射率从n1到n2的变化量，δn＝|n1-n2|；所述品质因数fom是一个无量纲，计算公式为fom＝s/fwhm，其中fwhm是谐振峰的半峰全宽；所述质量因子q的计算公式为q＝f/fwhm，其中f表示谐振峰的中心频率。

12、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

13、1、本发明采用石墨烯层、介质层和衬底层组成三层结构来实现太赫兹波的传感效果，结构简单，吸收频率可调谐，传感性能优良，具有良好的应用前景，为微型集成太赫兹传感器件的制造和应用提供技术支持。

14、2、本发明可以通过改变石墨烯条尺寸和费米能级改变对太赫兹波的吸收频率，当传感器结构制成后，可在不需要改变其自身结构参数的情况下，根据实际传感器需求调节吸收频率，降低了器件制造成本，扩大了器件的使用范围。

15、3、本发明双频太赫兹传感器通过石墨烯条处的电偶极子共振和磁偶极子共振共同作用，实现双频带吸收，相对比传统单频太赫兹传感器，双频带太赫兹波对于不同待测物更为敏感，因此，双频太赫兹传感器具有更优良的传感特性，可以实现传感器吸收频率与待测物样本在特征频率间的多点匹配，增加反映待测物样本的信息量，从而提升样本检测的准确性和高效性。

技术特征：

1.一种基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，包括在x、y方向呈周期性排列的单元结构，所述单元结构呈三层结构，自上而下依次包括石墨烯层、介质层和衬底层，所述石墨烯层由两个平行设置的横向石墨烯条和两个平行设置的竖向石墨烯条组成，两个横向石墨烯条的外形尺寸完全相同，两个竖向石墨烯条的外形尺寸完全相同。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，所述横向石墨烯条与竖向石墨烯条是厚度为0.34nm的矩形体，二者长宽均不相同。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，所述横向石墨烯条的长l1为7μm，宽d1为1μm；所述竖向石墨烯条的长l2为1.5μm，宽d2为3.7μm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，所述介质层采用聚环烯烃共聚物；所述聚环烯烃共聚物的厚度为11μm，相对介电常数为2.35。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，所述衬底层采用金材料，所述金材料的等离子频率ωp为4.35π×1015rad/s，碰撞频率ωc为13π×1012rad/s，厚度为0.2μm。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，呈周期性排列的单元结构长宽p为12μm。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，通过改变两个横向石墨烯条和两个竖向石墨烯条的尺寸，调节传感器对太赫兹波的吸收频率。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，通过外加偏置电压改变石墨烯的费米能级，调节传感器对太赫兹波的吸收频率。

9.根据权利要求1所述的基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，其特征在于，所述传感器的传感性能用质量因子q、品质因数fom和灵敏度s来定量描述；所述灵敏度s的计算公式为s＝δf/δn，其中δf表示从f1到f2的频率偏移量，δf＝|f1-f2|，δn表示分析物折射率从n1到n2的变化量，δn＝|n1-n2|；所述品质因数fom是一个无量纲，计算公式为fom＝s/fwhm，其中fwhm是谐振峰的半峰全宽；所述质量因子q的计算公式为q＝f/fwhm，其中f表示谐振峰的中心频率。

技术总结
本发明属于传感器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯的超材料双频太赫兹传感器，包括在x、y方向呈周期性排列的单元结构，所述单元结构呈三层结构，自上而下依次包括石墨烯层、介质层和衬底层，所述石墨烯层由两个平行设置的横向石墨烯条和两个平行设置的竖向石墨烯条组成，两个横向石墨烯条的外形尺寸完全相同，两个竖向石墨烯条的外形尺寸完全相同。本发明通过石墨烯条处的电偶极子共振和磁偶极子共振共同作用，该传感器实现双频带吸收，与单频带吸收相比，样本检测准确性更高；该器件传感效果优良，动态可调谐。

技术研发人员：付麦霞,叶玉超,段宇乐,周飞,李寅生,张田田
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16