文摘
超材料吸引了大量的关注由于其有趣的属性,以及巨大的潜在应用程序设计功能的设备。在本文中,我们审查材料传感器的现状,重点是隐失波放大和伴随局部场增强特征。传感器的例子说明原理和材料性能的传感器。本文的结论对前景感到乐观关于未来的超材料传感器。
1。介绍
超材料是人造的媒体和各种不寻常的功能,可以通过人工构建的长度尺度小于外部刺激(1]。他们提供了很多可能性探索未知的物理现象,如反向Vavilov-Cherenkov效应(2),负折射3,隐身4- - - - - -7),集中器(8),完美的透镜(9),和消极的压缩性(10]。近年来,超材料的传感应用吸引了大量的关注。众所周知,传统的光学患有阿贝衍射极限,因为它们只能够传送传播组件,和图像的最大分辨率不能大于半波长。在先锋工作,彭迪[9]表明,传播波的相位和振幅衰减状态可以恢复完美的透镜组成的负折射率材料,从而形成一个分辨率衍射极限以下。完美的透镜的本质在于隐失波放大引起的负折射材料。它已经被Grbic和Eleftheriades实现实验11利用输电线路超材料)。超材料板的厚度和损失的,该决议(12]。如果损失近似零,可以实现无限的分辨率。虽然损失超材料不能被消除,完美的镜头并没有改变隐失波的衰减特性,远场完美成像的想法通过转换隐失波传播波提出了和实验证明13,14]。另一方面,放大的隐失波已被证明能提高波之间的相互作用和板牙然后提高传感器的灵敏度15]。大量的研究对超材料传感器已经出现在过去的几年中。Schueler et al。16)回顾了超材料启发复合右/左手传输线微波传感器。陈等人。17)综述了超材料应用在传感强调开口环resonator-based传感器。我们的团队一直致力于超材料的研究传感器很长一段时间,和一个伟大的部分工作已经完成15,18- - - - - -29日]。Zheludev [30.]分析了超材料的未来发展,指出遥感应用程序表示越来越多的区域。
在本文中,我们审查的超材料传感器重点是隐失波放大和随之而来的影响。节2表面波的产生正面和负面的材料之间的边界是重新审视,和例子的超材料平面波导传感器和传感器表面回音廊模式说明现象的隐失波放大遥感应用程序。节3基于平面超材料,传感器阵列与增强检测的灵敏度机械变形,石墨烯原子层,label-free介绍了生化样品的形象。节4传感器的例子基于堆叠超材料结构说明亚波长成像特点。部分5关注的超材料传感器基于单一材料粒子制备简单的优点和实验性的鲁棒性。节6超材料的其他类型传感器等传感器基于挤压和调优ε接近零的材料和开放腔的影响。在最后一节中,给出一个结论。
2。隐失波放大
2000年,彭迪[9)发现,负折射使一个完美的透镜由于隐失波的放大现象。给一幅生动的这一现象,我们重温平板波导模型如图1(一)。对于时间谐波场和无损的,也就是说,两种和都是实数,假设磁场是极化沿着y设在和TM波的旅行方向。当一层超材料覆盖表面的指导层如图1 (b),隐失波超材料层和熔覆层之间的边界将被放大。这可以证明推导这个结构的色散方程。图2显示的分布沿着设在仿真模型。可以看出,提高熔覆层的隐失波超材料层(15]。
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2.1。平面波导传感器
波导传感器发现广泛的应用,如有害气体的检测31日)和化学分析物(32]。这样的传感器也称为隐失波传感器,因为隐失波进入分析物的折射率测量。由于被分析物和隐失波之间的相互作用,可以观察到变化在吸收或通过波导传播的光的相移,给的折射率的分析物的浓度。隐失波形式的放大提高灵敏度的基础。许多研究人员试图增加隐失波的穿透深度和强度弯曲或逐渐减少光纤(33- - - - - -37)和改变光发射角(38]。霍法等。39,40)表明,穿透深度的隐失波可以使用反向对称配置,增加了水的折射率包层高于基体材料。Taya et al。41]研究了不对称的敏感性与非线性光学波导包层和衬底,介电常数的显示一个Kerr-type响应。他们表明,非线性平面不对称光波导传感器的灵敏度高于传统的非对称光波导传感器。通过插入一层超材料覆层之间的负介电常数和负磁导率和引导层,他们发现波导传感器的敏感性可以大大增强42]。我们(18]研究了平面光波导TM模式的色散方程和超材料层和显示这种波导的敏感性远高于传统TM模式的平面光波导传感器。最近,超材料层的非线性平面光波导传感器是由我们组提出(19,20.),和TE和TM模式色散方程详细推导和分析。我们证明了超材料结合非线性波导将进一步提高光波导传感器的敏感性。
图3(一个)显示了一个但是波导传感器模型的示意图。它应该是无限的- - - - - -和方向。波导由四层,从上到下,半无限非线性包层,超材料层,指导层,分别和半无限非线性衬底。引导层和超材料层的厚度来标示和,分别。四层的介电系数,,,。TM模式非线性包层和衬底应该是克尔类型。归一化非线性平面波导传感器的磁场有或没有超材料层模拟和比较图3 (b)。我们可以清楚地观察到有一个急剧增加的隐失场超材料层和非线性包层之间的边界。磁场强度表面的超材料层是2.46倍的波导材料层。TE模式非线性平面波导的损耗现象也可以得到应用。
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灵敏度()传感器的依赖于模态有效指数()变化率对包层的变化指数(),也就是说,。通过微分非线性色散关系的平面波导传感器的灵敏度。灵敏度和与超材料的非线性光波导传感器(),没有超材料()是绘制在图4(一)和4 (b)。在正常的情况下对称(),灵敏度与指导层厚度增加,达到一个最大值点海里,然后逐渐减少。在这里,和是不对称参数。对于反向对称(),灵敏度降低单调。比较这两个数据,我们可以得出结论,超材料可以提高光波导传感器的敏感性,并与超材料光波导传感器在反向对称模式下有更高的灵敏度。为TM和TE模式与超材料光波导传感器,灵敏度的函数是模拟,如图4 (c)和4 (d)。在正常的情况下对称图所示4 (c)观察到,一个最佳的指导层厚度约60 nm TE模式,而TM模式的最佳指导层厚度传感器约220海里。对于反向对称图所示4 (d),敏感性逐渐减少,指导层越薄,传感器的性能越好。因此,TM波导传感器在反向对称配置的敏感性比TE波导传感器具有更高的灵敏度。
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2.2。表面回音廊模式
从之前的分析,我们可以得出结论,平面波导传感器的灵敏度,可以极大地增强超材料由于隐失波的放大。有趣的是,我们发现,当介质板覆盖着一层超材料具有负介电常数和/或渗透率是弯腰基础课圆柱波导形式如图5(一个),隐失波还可以放大21]。图5 (b)显示了圆柱波导结构的横截面。电场分布介质波导的横截面涂上一层超材料的本征频率太赫兹是绘制在图5 (c)。图5 (d)显示了电场分布传统介质波导的横截面。很明显,对于metamaterial-assisted microring、最大的电场。WGM超材料层的表面。这是命名为表面回音廊模式(SWGM)。它使一个强大的隐失场周围,因此这一地区将在介电环境相当敏感。此外,SWGM也可以生成的内表面空心介质波导和圆形或椭圆介质圆柱体的表面涂上一层超材料(22- - - - - -24]。
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SWGM传感器已被证实能有更高的灵敏度比常规WGM传感器。给定量说明SWGM传感器的灵敏度、共振频率、频移,因素的SWGM介电传感模拟并与传统WGM传感器,如表所示1(21]。WGM传感器,0.02的平均频移增加物质介电常数只有13.25 GHz,和敏感性(定义为对折射率变化的共振波长位移单元)约为1.4 nm / RIU。SWGM传感器的响应增加0.02物质介电常数是一个重要的共振频率调低速档187 GHz的平均水平,和灵敏度约29海里/ RIU WGM的20多倍的传感器。这是由于放大的隐失场确保强大的光和物质的相互作用。有趣的是,SWGM传感器的灵敏度,可以进一步增强材料层的厚度增加。图6展示了谐振频率之间的关系和物质介电常数不同材料层厚度()。当超材料层的厚度是0.05米,平均频移反应物质介电常数约为42增加0.02 GHz,和灵敏度是5 nm / RIU。当超材料层的厚度是0.2米,平均频移将204 GHz,灵敏度可以增加50 nm / RIU。这是因为更多的权力转移到SWGM增加材料厚度。最近,我们已经证明理论上,当一层非盟薄膜沉积在microring而不是超材料层,SWGM也可以兴奋当激励频率低于等离子体频率(45]。
3所示。平面阵列超材料
提出了平面超材料组成的亚波长谐振器介电薄膜传感。实现更高的灵敏度,传感器需要大幅共振的频率响应和高浓度的电场,使检测的介质环境中微小的变化。当分析物沉积在表面的谐振器,每个谐振器的有效介电常数的差异增加了。然后,电荷分布发生显著改变的差距和电容,可以观察到从传输共振。这种传感机制实验已经证明,成功应用于一系列平面超材料的传感器(43,44,46- - - - - -51]。例如,Melik et al。48]证明了metamaterial-based应变传感器是高度敏感的机械变形,由于大传播下降和高质量的因素。单原子层石墨烯的检测是实现Papasimakis et al。49)基于超材料的传感器组成的数组进行不对称分裂环谐振器。刘等人。51]表明,超材料传感器组合使用金膜可以作为一种高效的局部表面等离子体共振传感器灵敏度的近红外588 nm / RIU。
一个细胞内电浆label-free令人兴奋的多模共振成像的spilt-ring谐振器提出了赖et al。43]。图7显示了扫描电镜的图像设计SRR样品由标准电子束光刻制造和发射过程。一个示例包含单元,每个单元细胞组成本文从。所有SRR单位细胞包含完全相同SRR模式从细胞到细胞。展示平面材料,传感器的性能bioimage人类骨骨髓来源的间充质干细胞(hMSCs)基于SRR的基本共振信号的波数1850 - 2400厘米−1与传统的成像技术进行了比较。图8(一个)显示了传统的光学显微图像hMSCs生长在从样本。黑色的背景是指从理论结构。在这种情况下,任何的细节不能透露内心的细胞核和细胞器没有标签的过程。图8 (b)显示了共焦荧光光学显微图像hMSCs,原子核的hMSCs可以观察到。然而,这样一个标签的过程通常是昂贵和费时,阻碍实时诊断的实际应用。图8 (c)显示的细胞内形象hMSCs SRR的平台。它不需要标记过程但直接检测电浆共振的SRR的变化波动由当地针对自然界的附件。在实验中,传输和反射的特点是傅里叶变换红外光谱仪配备红外显微镜的波数范围400 - 8600厘米−1,不仅和相应的中图像被焦平面阵列探测器。所有测量光谱归一化对铝镜的反射光谱。在图8 (c),红色代表的区域颜色的细胞核。这是对应的共振频率的最大转变和最强的反射强度。其他颜色的部分主要是指细胞质中,对应于较小的共振频率的改变。简而言之,这项研究表明使用从理论构建的可行性的折射率分布hMSCs获得靶细胞的图像。SRR平台具有许多优点超过其他光学显微镜,如label-free和实时诊断。
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一个metamaterial-based太赫兹(太赫兹)传感器厚度测量液体的亚波长薄材料和屈光计检查提出的Reinhard et al。44]。传感器在反射几何和展品强烈的急剧Fano-type共振最小频移的存在介质样品。这一转变的大小取决于样品的折射率和厚度。单位细胞是一个广场,一条边长度为140米,由四个金属十字架的10米厚介质相对介电常数矩阵。每个十字架是由一个名为角22.5°。几何参数的细节图所示9(一个)。当兴奋水平极化太赫兹波,电流和电荷的分布如图9 (b)。图9 (c)是一个显微镜图像的超材料制作的。为了实验证明能力的传感器测量的厚度薄样品材料,硅层(),厚度在大约50 nm和1之间m是蒸发的材料,传感器,利用太赫兹时域光谱反射光谱测量。图10 ()显示传感器的谐振频率的变化作为硅厚度的函数。传感器的灵敏度有最大值大约0.4太赫兹/m对于很小的层厚度,厚度分辨率为12.5 nm,大概对应于太赫兹波长的1/16000。证明超材料结构的有效性作为一个液体传感器、谐振频率在不同的液体样品物质测量如图10 (b)。折射率灵敏度是每折射率0.43太赫兹。
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在前面的情况下,样品的物质沉积在表面的超材料产生共振频率的变化由于电容的变化。在最近的一次工作,Kenanakis et al。46]研究了超材料结构的感应能力由一对平方金属板如图11。整个结构包含单位细胞。每一对的是印在一个单独的FR-4板放置在距离面对面脸朝外,印刷金属结构。厚度的空间两国FR-4董事会都是(或部分)感兴趣的材料。演示的感应能力超材料结构,透射谱的空气,低密度聚乙烯(LPDE) FR-4,和p型硅测量并与数值模拟,如图12。除了很好的协议模拟和实验,我们可以观察到在图12一个相当大的转变的磁共振频率较低的介电常数介质板之间对变化从1.0(空气)11.90(硅)。此外,超材料结构也适用于测量的厚度薄介电层放置板之间的对。实验结果表明,LDPE的薄层厚度为0.1 mm会导致谐振频移0.5 GHz一样大,说明设计的大型敏感性。
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4所示。多层超材料结构
单位细胞的超材料电磁装置(通常堆放在一起,使小说1,37- - - - - -39]。除此之外,它已经表明,超材料粒子或粒子的堆栈数组能够增加波与物质之间的相互作用,然后提高传感器的灵敏度52]。刘等人。53)实验演示了一个nanoplasmonic模拟使用堆叠光学超材料的电磁感应透明。结果表明,电浆结构使大量内部磁场强度小的模式,这可能对ultracompact铺平了道路传感器和极高的灵敏度。搜索引擎优化等。54]报道困模式共振的实验观察堆对称电环谐振器由介质插入。这将打开另一个对称的超材料结构的方式形成尖锐的共振传感器设计中可能有潜在的应用。汉et al。55]研究堆SRR阵列的传输特性,和尖锐的共振耦合场集中现象,满足需求的一个有效的先生被观察到。Aylo et al。56]调查周期和随机堆栈的传输和反射光谱包括积极的指数材料和负折射率材料传递矩阵法的基础上,和这个结构的有效性作为一个压力传感器是证明。
另一方面,超材料结构的栈已经证明能够实现完美透镜和提高分辨率的传感器57,60- - - - - -63年]。例如,一个阻抗匹配,低损耗负折射率材料完美透镜报道了一位et al。62年]。它能够解决点源的亚波长特性与波长分辨率0.13。杨et al。63年]。研究量子超材料的潜在的亚波长成像应用中红外。FDTD数值模拟证明了负折射一个空气/超材料的界面,和sub-diffraction-limited图像结构的十倍小于入射波长。小说微波无损评价传感器基于负折射率材料透镜构成的堆叠SRR结构提出了材料缺陷的检测和捏造Shreiber et al。57]。传感器系统的示意图如图(13日)。镜头是由一堆双谐振器。仿真模型的1 d和2 d眼镜所示的数据13 (b)和13 (c)。作者研究了超材料的性能镜片材料缺陷的检测波长相对小。在传感器系统,样品定位在透镜的焦点位置。样品的缺陷会引起一些重要的能量密度的变化被磁单极子。理想情况下,相同的磁单极子可以用来检测反射信号,但由于超材料损耗,一个额外的磁单极子是放在另一边的镜头检测样品的反射信号。实验结果表明,1 d和2 d眼镜能够检测3毫米(0.037λ)通过一个孔直径在一个玻璃纤维材料的样品基础上分析接收磁单极子的力量,但获得的图像与2 d眼镜更锐利。图14显示了一个比较获得的聚焦光斑大小的1 d和2 d眼镜。1 d透镜聚焦光斑大小为0.7λ,而2 d透镜的焦点位置大约是0.48λ。另一方面,由于超材料损失的影响,2 d透镜的透光率远低于1 d,然后1 d镜头允许较长的样本距离和更高的传输。因此,镜头的选择中使用规定的传感器测试系统的具体要求。
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5。基于单一传感器材料粒子
在一个开创性工作,各方面et al。64年]证明了“困模式”共振可以兴奋穿过对称双谐振器。这种类型的超材料已知显示范诺反对称共振线传输与增强当地领域出现的“被困”的单位细胞的差距。基于这一特性,超材料particle-assisted薄膜传感器和演示实验提出了Al-Naib et al。58]。它由一个单模矩形波导和一个不对称双分裂谐振器(aDSR),如图(15日)。在这个设备,“困模式”的激励会导致一个非常尖锐的共振。然后,在谐振状态时,电场集中在环的差距(见图15 (c)),这个区域在介质环境中变得敏感。传感器的性能进行评估,aDSR涂有17.8米厚层光刻胶在四度的覆盖率,和透射系数测量,如图16。圆形aDSR特征共振转移9,24日和48 MHz single-covered广场,两个广场,和完全覆盖,分别展示了增强传感器的灵敏度。因为只有一个aDSR是必需的,这样的设计谐振传感器非常灵活。此外,aDSR位于波导和保护环境的影响,因此测量健壮和高度可再生的。
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Al-Naib et al .,工作后努力一直致力于研究基于单一传感器材料粒子。例如,他et al。65年)提出并证明的实现tip-shaped开口环谐振器在微波薄膜传感。一逝微波探测器由一个SRR兴奋通过一个简单的矩形循环提出的任et al。66年]。它制作简单,成本低廉的优点。数值和实验结果表明,单一SRR的存在提高了隐失场浓度的近距离探测器,探测器的灵敏度是大幅提高。我们组(25]报道双负材料particle-assisted微波传感器和显示,当一对形粒子位于矩形波导,可以极大地提高传播,这种新颖的传感器具有更高的敏感性比传统微波传感器。此外,我们调查的影响,形状和不对称参数aDSR在传感器的性能26]。结果表明,光谱响应和问因素的传感器可以灵活地根据设计要求通过调整不对称参数或谐振器的拓扑结构。最近,我们报道一个优化设计的概念基于stereocomplementary不对称分裂的微波谐振传感器谐振器(CASR) [27]。的特殊结构特点,可以穿孔stereo-CASR铜片,因此衬底损失的影响问因素可以被消除。数据(17日)和17 (b)显示电场分布和相应的功率流表面的谐振器的谐振状态。我们认为样品物质沉积在低缺口结构和光谱的模拟,如图17 (c)。看到的是频谱移动到较低的频率与样品介电常数的增加。平均频移对0.1的一个小小的改变样品介电常数约为123 MHz。共振频率和样品介电常数之间的关系绘制在图17日(d)揭示了一个很好的线性传感器。此外,这种传感结构的简单性使其利用率在宽的频率范围内通过简单的剪裁,这开辟了途径灵活设计传感器的优越的敏感性。
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6。超材料的其他类型传感器
超材料的其他类型传感器包括传感器基于挤压和隧道效应,结合右/左手超材料输电线路(CRLH) [16],超材料调查[67年),和开放谐振器(28]。微波的CRLH传感器是一个受欢迎的概念。它利用超材料输电线路单位细胞作为构建块,允许不同的传感器应用程序可以利用,如质量流量的测量68年),水平(69年],介电常数[70年,应变71年),颗粒材料在带式输送机系统的速度(72年]。更多细节关于这种传感器可以找到的评论文章Schueler et al。16]。提出的超材料探针Boybay和Ramahi67年)由一个矩形波导和一层单负或双负材料覆盖的一端。由于隐失波的应用,它能够感应目标对象,如裂缝与亚波长分辨率铝盘子。开放谐振器被Notomi[首先提出73年2000年]基于射线理论。它包含两个同质双负材料(认为)广场。后,产生共鸣的模式在开放谐振器被他证明了数值等。74年采用有限差分时域法。开放谐振器已经广泛应用于介质感应和激光腔。最近,我们设计和制作一本小说开放使用超材料谐振器输电线路中(28]。开放的共振效应是由多个负反射演示实验。图(18日)显示了开放谐振器的原理图。认为这两个方块颜色蓝色。有效介电常数和磁导率的背景双重否定媒体(DPM)是等价的。的照片开放谐振器设计基于LC网络图中描述18 (b)。DPM地区的单位细胞由四个表面贴装电感串联和并联电容器之一,而认为地区的单位细胞由四个表面贴装串联电容和一个电感的并联到地上,如放大视图的图所示18 (b)。注意电压分布的仿真结果获得基于软件广告图所示18 (c)。电压的浓度DPM广场交界处证实了开放谐振结构的特征。图18日(d)注意电压分布的显示测量结果。相比之下,图18 (c),差异最可能由于引入制造公差和组件损失。字段集中现象观察到共振状态显示的优质特点超材料谐振器开放,这可能与性能优越为传感器的设计提供了多种可能性。
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电磁波传播的挤压和隧道效应通过狭窄通道充满ε()接近于零(劳动部)超材料被Silveirinha理论上证明,Engheta [75年]。因为辐射的波长在劳动部超材料非常大,内波传播劳动部材料没有相关的反射损失突然弯曲或连接。能源挤压和隧穿理论通过ultranarrow矩形金属波导是由爱德华兹等实验验证。76年]使用微波设置三个不同的地区组成的矩形波导窄渠道。Alu et al。59,77年]表明,能源挤压的现象和隧道穿过一条狭窄的波导通道可用于准确介电传感应用。图19显示了介电常数传感器的仿真模型,它由一个ultranarrow矩形波导的通道连接两个部分。通过这种方式,ENZ-related类效果可以通过使用传统的材料填写通道。无限模式的相速度接近截止结果统一和强烈增强电场沿通道。因此,一个小腔地区与介电常数位于英吉利海峡将扰乱隧穿效应明显,然后介绍ENZ-related隧道的一个重要转变的频率。透射光谱如图20.。从左到右,曲线对应的材料相对介电常数不同的从1到2。峰值约为1.8 GHz是一个法布里-珀罗谐振,这是强烈依赖于渠道的长度。此外,挤压和隧道效应是独立的波导的形状。我们(29日]研究了隧道通过三维电磁场的同轴波导通道充满劳动部材料和显示不同的样品介电常数从1到3将导致平均100 MHz的频移。
7所示。结论
随着材料科学的发展,遥感应用的超材料吸引了越来越多的关注。隐失波的放大之间的界限正、负折射率材料不仅让亚波长分辨率的光学成像,但也增加了平面波导传感器的灵敏度和回音廊模式传感器由于增强波与物质之间的相互作用。材料的传感器阵列和粒子(s)利用超材料的局部场增强和谐振特性来实现高灵敏度检测。此外,只是尺度改变超材料粒子的大小允许从微波到光学传感器的设计。尽管超材料损失无法消除,减少超材料阵列的大小和使用stereoparticles代替平面的都是有效的措施以减少损失对传感器性能的影响。我们相信,随着消散波的研究的发展和随之而来的影响,传感器的灵敏度和亚波长分辨率在未来可能带来的超材料。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号61161007和61161007),科研基金云南省教育局的主要项目(批准号ZD2011003),高等教育的博士项目研究基金(批准号20125301120009),云南省自然科学基金(批准号2011 fb018)。