一、导读
等离子体超表面技术已经发展为在光子系统中捕获和限制共振电磁能的一种关键范式，该技术侧重于设计谐振结构进而压缩和放大电磁能，最终极大地增强光与物质的相互作用，在生物传感、化学检测等领域具有巨大的应用潜力。然而，传统超表面中普遍存在基底效应，其渗透到基底的电场无法与物质进行相互作用，严重限制了器件的传感灵敏度。
2024年7月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在《IEEE Sensors Journal》发表了题为“V-shaped Metasurface-Induced Tightly Confined SSPP for Terahertz Sensing Enhancement”的论文。该论文提出了一种使用高折射率HR-Si棱镜作为外部耦合器的一维V字形太赫兹超表面，在其全金属层表面上激发紧密约束的表面等离子体激元模式（SSPP），该SSPP模式下的电场被高度限制在V形谐振腔内，而不会受到基底的影响，因而极大地增强了THz波与物质之间的相互作用。此外，由于间距可调的耦合策略，SSPP可以灵活匹配分子振动模式，实现物质的吸收谱增强探测。实验室黄异老师和2022级硕士研究生袁镕昆为本论文的第一作者，实验室主任钟舜聪教授是本文的通讯作者。
二、内容简介
本研究提出的太赫兹传感器基于Otto型耦合激发结构，利用全反射棱镜在其全金属层表面耦合紧密约束的SSPP。值得注意的是，激发的电场高度局域在V形谐振腔内，为分子提供一个能量完全可利用的开放平台，确保分析物与场空间重叠的最大化，显著提高器件的传感性能，其灵敏度Sn达到0.45 THz/RIU，Q因子达到140.1，FoM达到54.9 RIU-1。
Figure 1.Schematic diagram of exciting SSPPs on V-shaped metasurface by an HR-Si prism.The figure includes the electric field distributions and spectral response of the molecular fingerprint spectrum.
仿真结果表明其谐振腔内的有效能量相较于传统太赫兹直接传输增强了163.14倍。器件的最佳谐振点与L-组氨酸的特征吸收区域几乎吻合，进而允许增强分子的指纹谱特征。
Figure 2.Field enhancement capability of the device.(a) Sensitivity of the metasurface. (b) Comparison of sensing performance under different configurations, including Q factor and FoM. (c) Variation of the energy enhancement factor with frequency without the V-shaped metasurface. (d) Variation of the energy enhancement factor with frequency with the V-shaped metasurface.
动态调制SSPP模式可实现与分子更紧密的频率匹配，从而增强光-物质的相互作用。模拟结果表明，超表面使分析物的吸收信号增强33.34倍。
Figure 3. Absorption spectrum detection.(a) Absorbance spectra of analytes in the cases of direct transmission, the ATR structure with a prism only, and the structure with a prism and V-shaped metasurface. The enlarged views of the cases of the direct transmission (c) and the ATR structure with only a prism (b) are shown.
Figure 4.Dynamically modulate tightly confined SSPP modes.The absorbance spectra (a) and enhancement factor in the cavity region (c) before filling the analytes. The absorbance spectra (b) and enhancement factor (d) in the cavity region after filling the analytes.
Figure 5.The molecular absorbance versus the quantity of analyte at the fixed coupling gap (a) and the optimal coupling gaps (b). (c) the absorbance spectra under direct transmission for the varying quantities of the analytes. (d) the absorbance ratio.
三、总结
论文提出了一种用于增强太赫兹传感的一维V字形超表面。得益于HR-Si棱镜的高动量匹配能力，在全金属层上诱导高局域SSPP模式，电磁能高度集中在槽腔内，这种独特的近场分布可用于加强太赫兹波与物质的相互作用，显著提高分子的特征吸收信号。该器件在复折射率传感过程中表现出卓越性能，其灵敏度Sn为0.45 THz/RIU，Q因子为140.1，FoM为54.9 RIU-1。值得注意的是，耦合间距允许动态调控等离子体模式，从而精确匹配分子振动模式，最大分子增强幅度为33.34倍。所讨论的可调谐超高灵敏度器件在痕量太赫兹光谱探测方面具有巨大的应用潜力。
原文链接：DOI: 10.1109/JSEN.2024.3430099
