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)麥姆斯咨詢報道，近日，印度帕魯爾大學(xué)（Parul University）、馬來西亞國立大學(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處具有多個吸收率大于80%的吸收峰，對于葡萄糖檢測的最高靈敏度為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單的結(jié)構(gòu)設(shè)計、超薄的厚度、緊湊的尺寸和窄線寬等特性，在檢測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)，使其難以在實際應(yīng)用中實現(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際的傳感器和檢測應(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)用時的一個重要參數(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。頂部金屬層由兩個改進(jìn)的T形諧振器構(gòu)成，而底部金屬層由一個連續(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)隊研究了阻抗匹配理論和電場分布，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單的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)評估其傳感功能，得到器件的Q值為117。所提出的傳感器對于葡萄糖檢測的最高靈敏度為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，以減少模擬時間。他們使用調(diào)整后的R2評分來評估ERT模型在預(yù)測吸收值方面的有效性，當(dāng)nmin=2時，該評分接近1.0，證實了其在各種測試用例中的高預(yù)測效率。實驗結(jié)果表明，采用ERT模型模擬吸收器設(shè)計可以節(jié)省60%的模擬時間和資源。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評分熱圖（nmin在2到10之間變化）

綜上所述，對于太赫茲應(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)測中頻的吸收值。當(dāng)nmin=?2時，調(diào)整后的R2評分接近1.0?，證實了ERT模型在各種測試用例中估計吸收值的高預(yù)測效率。本文所提出的采用ERT模型設(shè)計的超構(gòu)材料吸收器傳感器適用于檢測瘧疾和葡萄糖等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

審核編輯：劉清