利用无衬底超构薄膜吸收体，显著提升太赫兹波的吸收率
太赫兹技术因其独特的优势而备受关注，其优势包括太赫兹波可穿透非偏振物体的强大能力，以及太赫兹光谱区域可表征众多材料和分子的特征吸收带。另外，太赫兹波对被探测人员和物体的伤害较小。与X射线等传统探测方法相比，这一特点使太赫兹技术具有显著优势。此外，太赫兹探测器还通常用于探测隐蔽物体以及无创医学成像等应用。而缺乏灵敏的太赫兹探测器是阻碍太赫兹技术发展的主要问题之一。
超构材料（Metamaterials）是由亚波长微结构（如超构原子）组成的人工复合材料，具有可调整的电磁（EM）特性。超构材料吸收体在众多电磁波谱中都显示出了巨大的应用潜力，因为它们可以调整频率相关的吸收特性。特别是在太赫兹区域，通过调整材料的长度、厚度及空间等结构参数，可以显著增强太赫兹能量的信号检测。因此，超构材料为解决上述问题提供了极具前景的平台。
将超构薄膜吸收体与双材料悬臂梁相结合，可以增强对太赫兹能量的吸收，并可将所吸收的能量转化为生物材料悬臂梁的形变。该探测单元可排成阵列从而形成超构材料焦平面阵列（MFPA），当与光学读出系统结合后，该阵列可用于太赫兹实时成像系统。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学赵清教授课题组在IEEE Photonics Journal发表了以“Design and Fabrication of Substrate-free Au/SiNx/Au Metafilm for THz Sensing Application”为主题的研究论文。该研究论文通讯作者为北京理工大学、北京量子信息科学研究院赵清教授，主要从事量子物理与数学、信息科学的交叉研究工作。
这项研究论文报道了一种设计和制备无衬底Au/SiNx/Au超构薄膜作为MFPA的太赫兹吸收体的方法。研究采用了有限积分法模拟和新的显函数来研究其吸收特性。另外，研究人员利用MEMS技术制备了无衬底结构。同时，还采用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统测量了MFPA频率相关的吸收特性。研究结果表明，该Au/SiNx/Au超构薄膜设计可以提高吸收率并实现频率选择。另外，该超构薄膜在光学读出太赫兹实时成像、双波长分光光度法和多功能器件中具有潜在的传感应用价值。
（a）MFPA像素结构的俯视图；（b）MFPA像素结构的横截面视图。
该器件中的像素结构由两个悬臂梁和一个Au/SiNx/Au超构薄膜吸收体组成，如上图所示。像素结构尺寸为150 μm × 150 μm。其悬臂梁是两个折叠的SiNx/Au基生物材料梁，悬臂梁宽度为2.5 μm。超构薄膜吸收体由六个方形贴片和加固物组成。方形贴片尺寸为40 μm × 40 μm，为其频率选择表面（FSS）结构；加固物可以提高吸收体强度。在像素结构的横截面视图中，从下到上共有四层结构：第一层为SiNx层，用作结构层，包含悬臂梁和板；第二层为Au层，用作太赫兹辐射的反射镜；第三层为SiNx层，用作太赫兹辐射的吸收层；第四层为Au层，用于形成FSS结构。吸收体采用了金属-绝缘体-金属（MIM）结构。
（a）MEMS MFPA制备流程图；（b）在4英寸硅片上制备4颗MFPA的照片；（c）MFPA像素结构的SEM图；（d）MFPA像素结构的3D形貌。
用于测量反射率和透过率的THz-TDS原理图
这项研究设计并制备了一种集成了Au/SiNx/Au超构薄膜吸收体阵列和双材料悬臂梁的100 x 100太赫兹MFPA，并对其进行了表征和理论模拟。该MFPA像素尺寸为150 μm × 150 μm，具有无衬底结构。利用THz-TDS进行测量，具有极高的吸收率。测量结果显示，研究中制备的MFPA在1.36THz处可达到98.7%的谐振吸收率，与理论结果一致。通过模拟研究，采用修正的光致发光（PL）强度模型和非对称Asym2sig模型来研究太赫兹吸收特性。从理论上分析了吸收率与SiNx薄膜厚度和方形贴片尺寸之间的关系。研究结果表明，该无衬底太赫兹MFPA及其分析方法可广泛应用于太赫兹技术中，如双波长分光光度法和太赫兹成像等。
这项研究工作获得国家自然科学基金（61874137，61306141）的支持。该研究第一作者为北京理工大学Zhigang Li。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9796544
延伸阅读：
《超材料和超表面技术及市场-2021版》
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
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