七波段太赫茲超構(gòu)材料吸收器助力生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，印度帕魯爾大學(xué)（Parul University）、馬來西亞國(guó)立大學(xué)（Universiti Kebangsaan Malaysia）等科研機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Machine learning assisted hepta band THz metamaterial absorber for biomedical applications”的論文，提出了一種傳感應(yīng)用的由沉積在聚酰亞胺上改進(jìn)的雙T形諧振器構(gòu)成的七波段太赫茲超構(gòu)材料吸收器（MMA），其在1.89 THz、4.15 THz、5.32 THz、5.84 THz、7.04 THz、8.02 THz和8.13 THz處具有多個(gè)吸收率大于80%的吸收峰，對(duì)于葡萄糖檢測(cè)的最高靈敏度為4.72 THz/RIU。本文提出的基于極端隨機(jī)樹模型的超構(gòu)材料吸收器傳感器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超薄的厚度、緊湊的尺寸和窄線寬等特性，在檢測(cè)瘧疾和葡萄糖等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

圖1 論文提出的超構(gòu)材料吸收器（a）透視圖和（b）俯視圖

超構(gòu)材料（Metamaterial，MTM）是一種人造材料，其具有自然界所沒有的獨(dú)特電磁（EM）特性。利用超構(gòu)材料不尋常的電磁特性，人們對(duì)微波至紅外頻率范圍內(nèi)的天線、太陽能電池、傳感器和吸收器進(jìn)行了大量研究。超構(gòu)材料吸收器因其優(yōu)異的吸收特性以及在傳感、成像、生物技術(shù)、偏振轉(zhuǎn)換和高速太赫茲（THz）通信中的潛在應(yīng)用而在THz波段受到了廣泛關(guān)注。自從Landy等人提出了第一個(gè)超構(gòu)材料吸收器以來，各種類型的超構(gòu)材料吸收器已經(jīng)被提出，包括雙波段、三波段、四波段、五波段、七波段和寬帶吸收器等。其中，具有高品質(zhì)因數(shù)（FOM）的多波段超構(gòu)材料吸收器因其可用于檢測(cè)材料和有害氣體以及光譜成像而受到了廣泛關(guān)注。

研究人員已經(jīng)提出了堆疊金屬諧振器或?qū)⒏鞣N尺寸的諧振器集成到單個(gè)晶胞中等多種增加吸收峰的方法。最近，Wang等人使用四種不同尺寸的金屬諧振器演示了四波段超構(gòu)材料吸收器。此外，研究人員利用偶極諧振分別提出了基于三方環(huán)和四方環(huán)的三波段和四波段吸收器。Wang等人開發(fā)了一種三波段THz超構(gòu)材料吸收器，以在0–3 THz下實(shí)現(xiàn)多波段吸收。2018年，Janneh等人提出了一種由高品質(zhì)（Q）因子的聚酰亞胺墊片上的諧振器構(gòu)成的雙波段THz吸收器。

然而，這些方法由于其較大的尺寸和厚度，在較高頻率下面臨著制造挑戰(zhàn)，使其難以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。此外，T型、環(huán)帶、洞環(huán)和#型超構(gòu)材料吸收器也通過集成LC和偶極諧振實(shí)現(xiàn)了多波段吸收。這些吸收器件的線寬通常非常寬，其范圍為吸收頻率的十分之一到五分之一。由于吸收峰的線寬太寬，因此它們不能被用于實(shí)際的傳感器和檢測(cè)應(yīng)用。為了獲得良好的傳感性能，所提出的吸收器件必須具有較窄的諧振線寬，這是分析傳感器應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。

在本論文中，作者們提出了一種傳感應(yīng)用的由沉積在聚酰亞胺上改進(jìn)的雙T形諧振器構(gòu)成的七波段超構(gòu)材料吸收器。所提出的偏振敏感超構(gòu)材料吸收器在其最低工作頻率下具有超薄（0.061λ）的厚度和緊湊（0.21λ）的尺寸，在1.89 THz、4.15 THz、5.32 THz、5.84 THz、7.04 THz、8.02 THz和8.13 THz處具有多個(gè)吸收峰。圖1（a）、（b）描繪了三層七波段超構(gòu)材料吸收器的透視圖和俯視圖。頂部金屬層由兩個(gè)改進(jìn)的T形諧振器構(gòu)成，而底部金屬層由一個(gè)連續(xù)的金屬平面構(gòu)成，兩層均由導(dǎo)電率為4.09 × 10? S/m的金制成。中間層由介電常數(shù)為3(1+j0.06)的聚酰亞胺構(gòu)成。團(tuán)隊(duì)研究了阻抗匹配理論和電場(chǎng)分布，以理解七波段吸收的物理機(jī)制。此外，為了研究吸收依賴性，他們使用介電厚度和晶胞尺寸進(jìn)行了參數(shù)化分析。所提出的器件具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超薄的厚度、緊湊的尺寸和窄線寬等特性，適用于傳感和檢測(cè)應(yīng)用。

圖2 論文提出的超構(gòu)材料吸收器的（a）吸收光譜（插圖為f6和f7的諧振頻率）和（b）實(shí)部、虛部歸一化阻抗

他們使用折射率在1和1.1之間的環(huán)境介質(zhì)評(píng)估其傳感功能，得到器件的Q值為117。所提出的傳感器對(duì)于葡萄糖檢測(cè)的最高靈敏度為4.72 THz/RIU。極端隨機(jī)樹（ERT）模型被用于預(yù)測(cè)隨晶胞尺寸、襯底厚度、角度和折射率值變化的中頻吸收率，以減少模擬時(shí)間。他們使用調(diào)整后的R2評(píng)分來評(píng)估ERT模型在預(yù)測(cè)吸收值方面的有效性，當(dāng)nmin=2時(shí)，該評(píng)分接近1.0，證實(shí)了其在各種測(cè)試用例中的高預(yù)測(cè)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用ERT模型模擬吸收器設(shè)計(jì)可以節(jié)省60%的模擬時(shí)間和資源。提出的基于ERT模型的超構(gòu)材料吸收器傳感器在檢測(cè)細(xì)菌感染、瘧疾和其他疾病等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

圖3（a）葡萄糖和（b）瘧疾傳感對(duì)吸收響應(yīng)的影響

圖4 使用各種屬性組合的ERT模型的Adj-R2評(píng)分熱圖（nmin在2到10之間變化）

綜上所述，對(duì)于太赫茲應(yīng)用，本文提出了一種由沉積在聚酰亞胺上改進(jìn)的雙T形諧振器構(gòu)成的七波段超構(gòu)材料吸收器，其在1.89 THz、4.15 THz、5.32 THz、5.84 THz、7.04 THz、8.02 THz和8.13 THz處具有多個(gè)吸收率大于80%的吸收峰。金屬諧振腔的偶極響應(yīng)和LC諧振的共同作用是形成七波段吸收的主要原因。該超構(gòu)材料吸收器的Q值為117，F(xiàn)OM為44，靈敏度為4.72 THz/RIU，適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的ERT回歸模型被用于學(xué)習(xí)吸收器行為并預(yù)測(cè)中頻的吸收值。當(dāng)nmin=?2時(shí)，調(diào)整后的R2評(píng)分接近1.0?，證實(shí)了ERT模型在各種測(cè)試用例中估計(jì)吸收值的高預(yù)測(cè)效率。本文所提出的采用ERT模型設(shè)計(jì)的超構(gòu)材料吸收器傳感器適用于檢測(cè)瘧疾和葡萄糖等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

審核編輯：劉清