在折射率传感器的传感特性研究进展基于电磁超材料

文摘

在不同的遥感平台,超材料组成的亚波长或深亚波长大小的金属共振元素数组上蚀刻半导体基板或电介质基板展示优秀的特征由于强大的本地化和共振增强的电磁场。作为一种新型的检测方法,超材料传感器可以突破传统传感器的分辨率极限为少量的物质和高灵敏度的优点,快速响应,和简单的测量。显著增强材料传感器的传感特性实现了通过优化微观结构(单开口环、双开口环、嵌套的开口环不对称开口环、三维开口环等),使用超薄基板或指数低衬底材料、腐蚀掉当地衬底,和集成微流控通道等。本文主要综述了研究推进传感特性的改进优化共振结构和衬底材料和形态学变化。此外,超材料的传感机理和主要特征参数详细介绍了传感器,和超材料的发展趋势和挑战传感的应用进行了展望。相信超材料传感器将有潜在的广泛应用前景在环境监测、食品安全控制,若在未来。

1。介绍

光学传感器灵敏度高的优点,抗电磁干扰强,噪音低、高电气和化学稳定性,等等,所以他们在生活中有重要的应用科学,食品安全、化学监测和环境监测1- - - - - -5]。广义光学传感器可以识别测量物质或监测的生物反应过程检测和分析光波的变化强度、相位、偏振,和其他相关信息(6,7]。折射率(8是最典型的光学参数。折射率的实部影响光波的相位,虚部影响光波的强度,和它的各向异性分布决定了极化和手性。一般来说,光学折射率传感器将引入一个共振机制基于各种光学效应提高光波之间的交互和测量的物质。

超材料(9- - - - - -12)通常是人工电磁材料由金属与亚波长共振元素数组或深亚波长尺寸上蚀刻半导体基板或介质基板根据特定的规则。非凡的物理特性,天然材料没有,可以以某种方式控制电磁波。超材料的介电性能的变化十分的敏感周边环境和有很强的光谱特征为当地入射电磁场的增强。当介电性能(即。,refractive index) of the surrounding environment change, the resonant characteristics (resonant amplitude, resonant frequency, phase, etc.) of the electromagnetic waves passing through the metamaterials will change accordingly. Therefore, by observing or measuring the changes, the detection of nonlinear substance around the metamaterials and the selection of a very small amount of objects to be tested can be achieved.

超材料的传感器(13- - - - - -16光学传感器,可以将外部折射率的变化转换成光信号的变化。作为一种新型的检测方法,超材料传感器可以突破传统传感器的分辨率限制,灵敏度高的优点,快速响应,和简单的测量。在过去的几十年里,超材料传感器在结构开发和应用取得了很大的进步。超材料传感器有能力限制光纳米地区有很高的选择性,使它们在环境监测领域中有着广阔的应用前景,药物发现,食品安全控制和温度传感。

一般来说,超材料传感器的传感特性显著提高通过优化组织和改变基材和形态,其中包括两个主要方面,即提高灵敏度和提高质量的因素。改善超材料传感器的灵敏度要求的局部场分布电磁波的共振模式可以重叠空间与被测物质在更大程度上,也就是说,增加传感区域加强互动。提高品质因数的超材料谐振传感器需要降低损失模式。

本文的目的是回顾超材料传感器的传感特性的研究进展。的基本原理、检测流程和各种材料传感器的传感特性提出了基于不同的微观结构和基板,和超材料传感技术的发展趋势和前景进行了讨论。此外,超材料传感器等领域有潜在的应用环境遥感、国土安全,若。

2。超材料传感器的传感机理和特性参数

2.1。传感机制

超材料的传感器的工作原理是基于反射和透射系数的变化(散射参数,年代₁₁和年代₂₁),这是引起介电常数的变化,磁导率,或超材料谐振器的折射率。传感器周围的介电常数的变化转化为电磁信号频谱的变化形式的共振峰的位置的偏移量。

超材料是人工电磁材料组成的亚波长或深亚波长金属共振元素的数组印制在半导体基板或电介质基板。共振主要分为低频共振和高频共振。可以理解为低频共振耦合电容和电感,和共振频率可以表示如下17]:

从公式(1)可以看到,共振频率主要由电感和电容。电感主要取决于材料的几何参数。如果它是一个非磁性材料,只要超材料的几何参数确定,电感的不会改变。电容与介电常数和周围介质的电场。随着周围环境的介电常数的变化,整个电容将会改变,导致共振频率的改变。电场的变化,高品质因数共振和强大的本地场分布可以通过设计实现一个特殊的超材料结构,从而提高传感器的灵敏度。

超材料的高频共振可以被理解为等离子体共振,和它的共振频率表示如下(18]:

在这里,主要是由超材料的几何参数决定的,然后呢环境的平均介电常数。当被测物质与超材料结构,它将导致周围的介电常数改变,然后改变谐振频率。

自超材料微结构与底物相互作用,也有电容和衬底之间的超材料微结构,基质的变化也会引起超材料谐振频率的改变。整个电容的超材料可以表示如下19]: 在哪里衬底的电容,是衬底和超材料微结构之间的电容,是超材料微观结构本身的电容,是超材料微观结构和物质之间的电容测量。

如果超材料微结构与高阻衬底制造,高介电常数和厚度相对较大,很多有助于整体电容,电容变化的超材料本身是相对较小的,而且灵敏度相对较低。因此,减少基质的相对贡献,如使用较低的介电常数、吸收小,和薄衬底,还可以改善材料传感器的灵敏度。

2.2。特征参数

超材料传感器的传感行为与知名评估指标,质量因素问的敏感性年代,和品质因数FOM。

假设超材料谐振频率的传感器,它是非常相关的超材料结构参数的传感器和外部环境,所以折射率扰动疲软将谐振频移吗 。通过检测共振频率的变化通过光谱分析系统,测量可以获得物质的信息。然而,光谱分析系统具有硬件限制在微弱信号检测和光谱分辨率方面,所以我们需要超材料传感器结构的优化设计来实现更大的变化 。一般来说,超材料的折射率频率灵敏度传感器被定义为 ,在哪里代表了超材料传感器的谐振频率的变化代表物质的折射率的变化来衡量。的单位RIU(折射率单元),代表单位折射率。然而,由于灵敏度超材料的传感器工作频率有关,规范化的敏感度用于排除工作频带的影响,定义如下: 。

一般来说,质量因素问反映了传感器的共振特性。尖锐的共振峰,对应值越大,传感器的灵敏度越高。此外,质量因素也决定了传感器的分辨率。值越大,传感器的分辨率就越高。传感器的品质因数可以定义如下: (是超材料谐振频率的传感器和应用(半宽度)共振峰的半高宽度)。

为了更合理的比较传感器工作在不同频段的特点,FOM(品质因数)通常是用来描述传感器的特点。当传感灵敏度是相同的,大型的FOM和传感特性越好。一般来说,FOM可以被定义为 ,其中年代表示折射率频率灵敏度的传感器和应用代表了共振峰的半高宽,也就是说,保证两个高灵敏度的传感特性和高质量的因素问是最好的。

3所示。研究进展在改善材料折射率传感器的传感特性

FOM的定义后,超材料的传感能力的增强传感器可以从两个方面考虑。一个是设计超材料传感器与更高质量的因素问,而另一个是相关的,共振频率的转变周围带有更大一步相同的变化。第一个途径是优化金属材料表面共振结构实现高品质因数的共鸣,近年来,许多小说共振结构已被证明。另一条路线是强调变化的影响周围的介质通过减少基质效应来实现更大的光谱调制在同样的周围介质的变化。

3.1。优化材料结构

超材料,开口环谐振器(SRR)是最常见的利用拓扑。从理论可以通过蚀刻环形金属模式与一个或多个打开缺口在衬底表面,环可以被视为电感,可以视为电容器和打开缺口。从等效电路模型的角度来看,SRR结构构成了LC振荡电路,谐振频率表示为公式(1)。SRR确定共振频率的结构参数,可以实现在任何频率通过适当的选择。当SRR的周围环境发生变化时,对应的等效电容和电感SRR将不可避免的改变,进而将改变谐振频率,所以传感可以通过检测这种变化。除了SRR,金属线,简单的形状,通常用作结构单元组成的超材料。当入射电磁波的电场方向平行于电线,积极和消极指控积累两端的线,对应于一对电偶极子。交变电场引起相互运动内部的指控电线,电线是相当于一双振荡偶极子的电磁场,及其谐振模式是偶极子共振,共振频率相同应用电场。范诺共振之间的干涉相位是由宽谱线和更窄的离散共振取消或阶段长度,范诺共振更高问比偶极子共振和LC共振因子。

2007年,德里斯科尔et al。18)成功地准备可调的太赫兹滤波器benzocyclobutene (BCB)电影和一个硅(Si)粒子电影基于对称从阵列超材料表面,和酒精的混合液滴nanosilicon球体是超材料的表面涂层。观察超材料的透射谱,发现其共振频率发生了变化,如图1(一)。这是第一次,太赫兹超材料在传感领域的使用,这充分表明,这类超材料可以作为传感器来检测生化样品具有不同的介电性能。之后,基于平面超材料从数组在传感领域的广泛应用。李和Yook [20.)平面从超材料应用于生化检测第一次在微波波段和识别和发现抗生物素蛋白40 MHz的频移,如图1 (b)。吴et al。21)捏造对称从数组在硅衬底和石英衬底构造太赫兹超材料传感器。50μL链霉亲和素琼脂糖(SA),生物素,octadecanethiol (ODT)和生物素混合样本来衡量。SA的实验检测是实现基于共振频率运动测量的原理,如图1 (c)。Quartz-based超材料将产生两个共振峰太赫兹的高频共振频率约为2。加载示例来衡量后,谐振峰值频移6.76 GHz和问8的因素。如图1 (d)2019年,汉et al。22)提出了一个广场从传感器基于超材料谐振耦合的指纹检测乳糖。设计传感器的工作由一系列定期的方形铜从石英衬底上,可实现传感检测乳糖浓度。它可以从这些传感器的研究发现,基于本文从结构的超材料可以用于物质检测,但检测灵敏度是有限的,和传感特性仍需改善。

为了追求更好的传感特性,如高质量的因素问、高灵敏度和高品质因数FOM偶极子共振,四极共振,法诺共振、电磁诱导透明(EIT)——模式或困模式可以通过超材料兴奋与不对称SRR结构。打破对称结构的超材料共振结构是一种常见的和有效的方法来实现这种尖锐的共振,提高传感灵敏度。

辛格et al。23)系统地研究了开放的位置不对称的影响从结构和入射波的极化。这种不对称从结构将产生三个共振机制,即LC共振、偶极子共振和四极共振。发现随着开放位置远离从理论的中心,质量因素问四极共振导致的较高。此外,辛格等人还模拟了表面电流分布从结构的共振频率,发现非对称从结构非常微弱的电磁场散射四极共振发生时,大大减少了能量耦合到自由空间,最后产生一个非常尖锐的共振峰。从图可以看出2附近,四极共振谐振峰值1.75太赫兹。与水平极化电磁波入射时,问因素可以高达95。因此,四极共振模式可以实现电磁场的一个好的定位和遥感应用程序将提供新方法。

法诺共振具有尖锐的共振,狭窄的共振峰宽,和强烈的局部场增强,所以各种范诺共振材料传感器提出了基于非对称SRR结构对灵敏度高折射率传感24- - - - - -26]。卸下,玻利瓦尔(24)设计了一种双面开口不对称从结构,如图3(一个)。一个完美的导体材料,计算问因素是高达40,双面开口周围的电磁场是本地化从理论。

当物质介电常数为3.2,厚度10 nm沉积在材料的表面结构,它将导致共振峰在867 GHz 5 GHz转变,相对应年代= 6.3 GHz / RIU。辛格et al。25]分析了太赫兹遥感特征法诺共振和四极共振双面开口不对称从结构,如图3 (b),问四极共振的因素是高达65,而问法诺共振的因素也可以达到28,远高于问以前产生的共振峰结构的因素。当被测物质的厚度保持在4μ米,36.7 GHz的法诺共振能达到最大灵敏度/ RIU,而四极共振能达到23.9 GHz / RIU的敏感性。2019年,Behera和金26]介绍了FDTD模拟研究不对称的2 d和3 d黄金谐振器为不同应用程序的高灵敏度、高品质因数、圆二色性极化和事件angle-independent折射率传感、分别。结果表明,往后推三非对称法诺共振腔的敏感性提高到606 nm / RIU往后推的FOM四共振高达16.5和极化和入射角是独立的。

虽然高度敏感的基于超材料的折射率传感传感器可以依靠单波段范诺谐振频率变化,环境变化的影响(如温度和湿度)的频移共振是不容忽视的。因此,单独依靠单个范诺共振传感应用程序使用时很容易出现错误。因此,研究小组现在专注于多波段法诺共振频率域作为一个解决方案来减少感应错误引起的环境变化27,28]。

李等人。27]证明了多个范诺共振在一个集成的单一的深色模式混合材料波导结构组成的三枚切线放在介质平板波导,如图4(一)。打破了结构对称,四极模式中间垂直切丝兴奋,进一步导致多个范诺共振通过绕射波和近场耦合与光明黑暗的模式。一个高问因素与FOM 330年和281年的折射率传感器是实现。本研究提供一种方法用于获得多个高问因子法诺共振,可以拓宽访问生化传感器的制造设备。如图4 (b),香港等。28)提出了一种多个范诺共振材料折射率传感器相结合组成和微观结构。通过微调微腔厚度和微观结构配置,可以生成多个范诺共振折射率传感:根据单一范诺共振,灵敏度可达831海里/ RIU和FOM的600;此外,光谱间隔的双范诺共振也可以用于折射率检测灵敏度为194 nm / RIU,但显著降低错误引起的环境变化。折射率传感器基于多个范诺共振有高灵敏度的优点,缩小范诺共振峰,高易于集成,和潜在的减少环境的错误,将提供光学折射率传感的新战略。

EIT [29日)是一个经典的量子干涉效应发生在连贯地驱动的多能级原子系统(三或四能级),这个干扰改变了原子的光学反应介质,创建一个清晰透明的窗宽吸收带内。2008年,张等。30.]介绍了plasma-induced透明度的概念(坑)在超材料,和各种各样的超材料结构已经被设计来模拟EIT的效果。坑是一个EIT-like超材料的行为吸引了极大的关注,但由于其广泛的实际应用。大多数EIT-like超材料是基于两种谐振模式,光明和黑暗或superradiative subradiative模式。在超材料,可以模仿EIT-like现象光明与黑暗之间的相消干涉模式和superradiative subradiative模式。对于EIT-like现象发生在超材料,两种模式应该接近共振频率和非常不同问因素(31日]。

最近,EIT-like范诺共振基于剪线(已确认30.,32,33和从34- - - - - -37]。由于两个或两个以上的共振模式之间的强烈干扰,EIT-like-Fano共振结构的固有属性对当地环境变化敏感。因为不对称线的形状、小扰动会导致显著的光谱变化,包括峰值频率变化和线宽的变化。这种敏感性,因此,使得超材料特别有吸引力的生物医学和化学传感平台由于其独特的优势,包括nonlabelling、无损,节省时间,低成本比传统的生物。

然而,若EIT-like超材料的实际应用尚未完全提升。一方面,小理论现有生物传感器的灵敏度和单一标准来评估他们的表现很难将它们应用在实际工程。另一方面,小的变化的频移和小型制造过程大多数现有的超材料生物传感器阻碍这些生物传感器的广泛使用在现实中。在实践中,它是理想的透明窗口EIT现象可以任意调节。相应的调制方法是被动的调制和活跃的调制。金等。38)设计了一种新型太赫兹超材料结构组成的一对亚波长逆u型SRR谐振器和切向谐振器实现弱耦合区域EIT的效果。理论和仿真结果表明,该EIT-like现象可以通过调节相对耦合减少断丝之间的距离和从理论或SRR对之间的相互距离,如图5。这个方法是一个被动的调制,主要通过改变谐振腔结构的几何参数,但它是确定每个调制结构的需要再加工,这限制了它的实际应用和增加应用程序的成本。另外,深色模式引入硅光敏细胞共振腔单元使EIT-like主动光学控制通过增加深色模式阻尼率的影响。

沈et al。29日)提出了一个可调电磁感应高反射的影响问因素基于互补散装狄拉克半金属太赫兹超材料结构。如图6,设计包括一个线槽结构和一个SRR谐振器槽结构,起到辐射和subradiating单元,分别。这两个元素之间的相消干涉产生一个反射峰高问因素(87.6∼),导致敏感的太赫兹遥感,提出批量狄拉克semimetallic传感器的灵敏度为302.5 GHz的FOM / RIU 19。这项研究提供了一种替代方法的设计太赫兹超灵敏传感器、过滤器,和缓慢的光学设备。EIT-like传输应用前景在慢光设备和高灵敏度传感器的设计。

基于平面从结构、谐振模式本地化之间的空缺,和衬底内的模式场的一部分,这限制了测量电磁场和物质之间的相互作用,所以超材料传感器提出了基于三维从结构。与平面从结构相比,电磁场是扩展到三维空间,这可以增加物质的相互接触面积测量,从而提高传感灵敏度。

扁et al。39基于三维从]提出了一种超材料结构。计算表面电流分布如图7(一)。可以看出,能量密度是最大的开幕式上,和三维从衬底会让更少的能量消散,这将极大地提高有效的能源和物质之间的相互作用来衡量,从而提高传感灵敏度。程等。40)设计了一种超材料传感器组成的4 u型从理论。其结构示意图和传输曲线如图所示7 (b)。计算灵敏度达到1445 nm / RIU,问系数达到41.2,FOM达到28.8。魏et al。41)设计了一种太赫兹超材料传感器基于垂直开口环双分裂。其构造图和传动曲线如图7 (c)。788 GHz / RIU计算敏感性,问因素大约是20,FOM大约是10。2018年,静等。42]报道一个增强和修改3 d与磁等离子体共振光学材料,由一系列定期的银垂直SRR谐振器,高灵敏度感应的一种有效方法。如图7 (d)的敏感性和FOM 3 d超材料高达700海里/ RIU和170年,分别表明提出的三维超材料在label-free生物医学传感应用前景。2019年,王等。43]提出了对称破坏中引入垂直开口环谐振器超材料激发狭窄的共振,如图7 (e)。与之前报道的平面不对称超材料相比,三维超材料主要由合并后的磁兴奋和太赫兹照明电器元件。在这种情况下,ultranarrow线宽(5.90 GHz的应用)和尖锐的共振高问因素327年1.93太赫兹出现。高的组合问因素共振和高灵敏度的不对称垂直SRR超材料将导致进一步的优越性能传感器设计的灵感。

超材料的超材料吸收器是一个典型的结构。它通常是由一个metal-dielectric-metal三层结构。共振频率时,上下两层金属通常形成一个反向电流,进而形成一个垂直界面电流环,导致核磁共振。当入射电磁波能量垂直向下传播,通过顶部的金属狭缝进入介电层,它将形成一个横向传播。因此,通过优化结构的超材料吸收器和调优电共振和磁共振,极强的电磁场可以实现本地化,从而实现零反射和零传输入射电磁波的共振频率,即完全吸收。

超材料吸收器主要依靠他们强烈共振性能获得显著的优势,为这种类型的传感器会产生一个强大的和可衡量的读出信号足以准确追踪参数共振吸收峰的反射光谱的变化。超材料的等效电磁参数改变底物或几何的介质,导致频率的变化。超材料吸收器可以用来衡量的变化派生参数。

最近,人们越来越对超材料吸收器的兴趣,提供一个有吸引力的电磁波的传感应用平台(15,16,44- - - - - -50]。窄带或多波段超材料吸收器在传感和分子检测应用中至关重要。2010年,Na (44)首先设计并实现了一个超材料吸收器在红外波段。金属结构的顶层是一个周期循环microdisk。实验测量了空气和水的吸收光谱测量物质,如图8(一个),灵敏度达到400海里/ RIU和FOM达到87。Mirzaei et al。48)模拟基于超材料label-free为DNA生物传感器检测的频移3.6 GHz。如图8 (b)太赫兹遥感应用程序,一个近乎完美的超材料吸收器提出了Saadeldin et al。99%的结构有一个近乎完美的吸收2.249太赫兹和一条狭窄的共振峰问系数为22.05。结构的敏感性为300 GHz / RIU FOM 2.94,折射率1.0到1.39范围,当传感器作为传感应用。此外,分析物的厚度对灵敏度的影响研究在1.0至4.0的范围μ当分析物的折射率变化n= 1.35,敏感年代= 23.7 GHz /μm。纳米等离子体超材料被认为是一个很好的平台,窄带光学吸收和广泛应用在传感、过滤、调制、发射裁剪。然而,实现光学传感和动态控制的光subnanometer吸收带宽仍是一个挑战。如图8 (c),冯et al。49)展示了一个不对称的金属光栅结构与完美的光吸收1.55附近μ米波长带宽为0.28 nm使用传播的表面等离子体模式低耗散率。通过改变结构参数,提出了化学或生物传感结构提供了一个解决方案在可见光谱范围内。结果表明,传感器的灵敏度和FOM 440海里/ RIU RIU和1333.33⁻¹,分别。

3.2。改变底物性质

最近,许多研究小组尝试不同的方法来实现更大的光谱调制介质相同的变异,如使用低折射率材料,使用超薄基板,蚀刻部分高折射率的材料,或者集成微流控通道相结合。

超材料的介电层传感器前面提到的大多是用砷化镓制成的和高介电常数,如果提供一个大电容谐振器,因此减少电容变化引起的目标材料。最近,人们已经发现,可以显著提高灵敏度采用低折射率材料,而不是常用的高折射率衬底材料和通过使用超薄基板(51- - - - - -54]。

2010年,道et al。51提出了一个基于本文从结构的超材料生物传感器和超薄氮化硅衬底(SiNx)。在实验中,400 nm厚SiNx和500年μm厚如果被选为基质,丝绸纤维表面具有不同厚度应用旋转涂布的传感元件。测量的透射谱图所示9(一个)。时的试验结果表明,丝素蛋白是1500纳米的厚度,Si衬底传感器的共振峰偏移量是10 GHz,和SiNx衬底的共振峰偏移量传感器是116 GHz,指示的传感器灵敏度SiNx衬底硅衬底的约10倍传感器。主要原因是SiNx衬底的介电常数约为7,Si衬底的介电常数约为11日和Si衬底的厚度比SiNx衬底的厚度大得多,导致硅衬底的电容率远远大于SiNx衬底。因此,硅衬底传感器的敏感性小于SiNx衬底的传感器。布莱恩et al。52)发现,纳米孔阵列的折射率灵敏度增加随着分离孔间距离的增加,红移的共鸣。然而,如果一个纳米孔传感器对低折射率的衬底,发生额外的敏感性增强,但共振蓝移。他们发现大约有40%更高的散装折射率灵敏度系统约100纳米孔在20纳米金的电影制作的聚四氟乙烯基板(n= 1.32)时的情况相比,传统的玻璃基板(n= 1.52)。如图9 (b),为了得到更接近实际应用,胡锦涛等人研究了纸质太赫兹超材料传感器(53),可用于定量分析不同浓度的葡萄糖。在实验中,100年μL的葡萄糖溶液沉积在从谐振器,并随着葡萄糖浓度的增加,共振频率的偏移量的增加,和最大偏移量可以达到300 GHz。葡萄糖溶液的浓度7更易·L⁻¹灵敏度是14.3 GHz·(更易·L⁻¹)⁻¹,浓度的葡萄糖溶液30更易·L⁻¹灵敏度是10 GHz·(更易·L⁻¹)⁻¹。灵活的超材料基于衬底具有灵敏度高的特点,透明、可移植性等和有更多的实际应用价值。2017年,斯利瓦斯塔瓦等。54)实验演示了一个双面太赫兹超材料传感器基于不对称双分裂从一个超薄柔性聚酰亚胺衬底折射率低,如图9 (c),它可以实现传感两边的结构,揭示了一个高度增强敏感性。它有应用前景的工业传感系统和改善若性能分子浓度较低。

然而,高指数半导体基板通常需要积极控制封闭结构的超材料的反应,这与超薄基板是有问题的,因为所需的集成综合流体通道,导致可怜的耐久性。为了实现更大的光谱调制为同一介质变化和增加材料的传感灵敏度传感器、基质效应是减少腐蚀的部分高折射率衬底突出周围介质变化的影响(55- - - - - -58]。

2018年,Moritake和田中(57)提出并证明了底物的选择性和等向性蚀刻消除衬底在等离子体共振的影响。基体腐蚀的概念图所示10 ()。金属纳米结构的形成在衬底后,只有底物选择性地蚀刻。这是显示在图10 ()。这是表明基片蚀刻的使用减少了有效折射率的金属纳米结构,从而消除substrate-induced共振红移,提高折射率灵敏度。此外,谐振品质因数的变化问基片蚀刻方法的详细研究。如图10 (b),折射率灵敏度显著提高到1537 nm / RIU由于基片蚀刻制造奈米结构下的电场可访问。折射率灵敏度大大提高相比,没有衬底腐蚀的情况。本文提出的方法适用于各种电浆结构消除基质的影响在实现高性能的电浆设备。

2019年,孟et al。58]提出了一种超材料传感器和一个蚀刻槽引入感容空白地区的开口环谐振器,结果显示频移的增加和敏感性,当一个电介质材料的18岁μ米厚度传感器表面上沉积。如图11王等。59理论上优化传统的制造过程实现太赫兹超材料吸收器和分析匹配现有的表面微加工工艺的可行性。结果表明,新材料传感器的传感性能显著增强由于地势设计相比传统的超材料传感器。该方法设计的太赫兹超材料吸收器可用于实现超灵敏的超材料传感器。

设计一个高度敏感的折射率传感器之间的重叠程度,电磁场和物质需要加强。相关研究表明,当分子不连接到传感器表面电场强度会随着物质和表面之间的距离增加,从而导致疲软的灵敏度。因此,研究小组开始研究如何设计几何结构来提高物质和电磁场之间的重叠。

微流体的出现,从研究团队已经收到了广泛的关注,使得操纵非常少量的液体(10⁻⁹到10⁻¹⁸使用巩膜(大约10 - 100 L)μ米大小)(60]。它是潜在有价值的生物和化学检测领域的因为它的高灵敏度,低成本,快速测量。通过设计不同形式的微流控通道,折射率灵敏度的传感器进行了极大的增强61年- - - - - -64年]。

周et al。63年)展示了一种超材料集成微流控传感器与多波段遥感的能力对各种化学物质的介电性质。如图12(一个)传感器由一个对称的双从结构,增强了共振强度和传感功能的共振腔相比,一个从理论。如图12 (b)介电模型,由拟合非线性共振曲线,理论推导和实验验证得到的复介电常数测量“蝴蝶”结果曲线,可作为诊断指标来确定化学物质。此外,该传感器已扩展到多个谐振器集成到获得乙醇的介电谱,提高其化学分析和实际应用的潜力。

Withayachumnankul et al。62年)实施了超材料微流体传感器基于单个SRR谐振器,如图13。在共振,SRR深亚波长地区创建一个强大的电场。液体的流动在这个区域可以改变当地的场分布,从而影响SRR共振行为。具体来说,谐振频率和带宽受到液体的复介电常数的影响。通过建立实证传感器共振和样品介电常数之间的关系,液体样品的复介电常数可以估计。这项工作进展的使用SRR-based微流体传感器识别、化学和生化分析物的分类和描述。

胡锦涛et al。(64年)提出并实验证明了一种新颖的超材料吸收器集成太赫兹微流体传感器。如图(14日),通过引入两个平行的金属结构,横向空腔共振发生在吸收器内,导致显著增加灵敏度。此外,这个高度敏感的传感器的出现提供了一个有趣的方法来设计后续高度敏感的化学和生物传感器。

3.3。其他的方式

此外,在超材料实现很强的磁共振高性能传感、陈等。65年]研究数字光子microcavity-enhanced磁等离子体共振的超材料高质量的折射率传感,如图(15日)。磁等离子体的辐射阻尼共振大大减少,谱线宽度大大减少由于耦合的磁等离子体共振兴奋的金属从光子微腔模式支持的光子微腔。材料cavity-coupled传感器具有窄带宽、调制范围广和大型磁场在磁等离子体共振增强灵敏度高(年代= 400 nm / RIU和= 26 RIU)和品质因数(FOM = 33= 4215)。结果表明,提出的超材料等离子体生物传感器具有广泛的应用前景。2019年,超材料结构组成的一对紧密间隔的金属衬底上金属nanodiscs安排提出了陈et al。14]。在此结构中,存在很强的磁共振和理论分析表明,磁共振是由于传入的等离子体在双金属nanodiscs杂交。在强大的核磁共振,电场会增加,ultranarrow带宽和近乎完美的吸收。结果表明,所设计的传感器具有灵敏度高(年代= 991 nm / RIU,= 47 RIU)和FOM (FOM = 124,= 17702)。

邱et al。66年)提出并研究双频完美的超材料吸收器组成的一个简单的周期性的圆柱形MoS /广场₂绝缘硅阵列支持金属地平面,如图16。这种超材料吸收器在折射率传感器的应用也提出了。相比之前的双频超材料吸收器,汽缸金属氧化物半导体₂的吸收器简单形状,极大地简化了制造工艺,极化不敏感。它有巨大的潜力在可见光和近红外光谱范围,例如,作为一个等离子体传感器。

如图17,陈和风扇67年)展示了一种新型太赫兹超材料与集成微流控通道传感器,两对高折射率介质磁盘被安排到单位细胞。ultrahigh-strong环形偶极子的反应与被困的存在模式很兴奋和研究了对称破裂的方法引入到细胞结构。仿真结果表明,该传感器具有很高的问因素和FOM的3189年和515年,分别与这一优势,因此,它将被用于广泛应用在液体和气体传感。

他等。68年)提出了一种超灵敏的太赫兹传感器基于石墨烯材料的互补结构线槽和开口环谐振器槽阵列,如图18。传感器的灵敏度达到了177.7 GHz / RIU FOM的59.3。此外,这种结构的优点是提高生物分子的吸收和传感性能,以及动态调整感应范围通过调整费米能级的石墨烯。

4所示。挑战和前景

超材料可以操纵电磁波以特定的方式,表现出超常的电磁性质,不具备自然材料。此外,超材料可以实现强大的本地化和增强的电磁场,从而为新型传感平台提供高灵敏度的优点,高分辨率、快速响应,和简单的测量。

超材料传感器可以突破传统传感器的分辨率极限的少量物质,比传统传感器传感灵敏度和分辨率更高。在过去的十年里,研究人员一直在关注进一步改善材料传感器的传感特性,促进他们的发展。目前,超材料传感技术相对成熟。然而,为了真正走向实际应用,探索超材料的广泛应用前景传感器领域的物质检测、环境遥感,若,食品安全控制,和国土安全,像任何一个新兴领域,超材料传感也面临许多挑战:(1)超材料传感器在灵敏度和分辨率仍然需要改进设计特殊的超材料结构或使用特定的介质材料。(2)精密加工和纳米加工技术的进步,不同材料的精确制备传感器实现,为其实际应用创造新的可能性。(3)除了实现超材料传感器谐振频率变化的基础上,结合电磁波的振幅和相位的变化的特点,超材料可以扩大类型的超材料传感器。(4)继续发展超材料领域的传感,如压力、温度、密度、厚度、压力,和位置。(5)解决检测一次只有一个限制物质,多通道超材料传感器应该发达。

5。结论

综述论文,我们介绍了超材料传感器传感机制等几个方面,主要特征参数,改进和传感特性。它关注的发展概述改善超材料的传感灵敏度传感器通过优化结构和改变底物性质。

超材料传感器的优势和多功能性是显而易见的。他们通常表现出增强的特征和功能可能克服许多传统传感装置的局限性。然而,根据实际需要,灵敏度、精度、检测极限超材料传感器需要进一步改善。微结构加工技术的进步和新材料的出现,相信越来越多的高性能超材料传感器会出现和在未来有更广泛的应用前景。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持和资助由中国国家自然科学基金(51965047),内蒙古自然科学基金(2018 ms06007), 2018年高级人才引进和科研启动基金(21700 - 5185131和21700 - 5185131)。

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