基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法

1.本发明属于太赫兹光谱应用技术和超表面技术领域，特别涉及一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波(thz)是指频率在0.1～10thz之间的电磁波。该波段位于毫米波和红外之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要区域。太赫兹时域光谱技术是用来分析太赫兹脉冲通过样品的样品信号和它在自由空间中传播同等长度距离后的参考信号这两个太赫兹脉冲时间分辨电场的相对变化。由于样品结构的不同，太赫兹脉冲波形的变化也有所不同，由此可求得样品的复折射率、介电常数和电导率等。通过深入分析这些实验所得的光学参数，可以在一定程度上对样品的种类进行鉴别并可得到一些与样品有关的物理和化学信息。
3.太赫兹超表面是指作用在太赫兹波段的新型人工材料，可以实现对太赫兹波的振幅或相位的调节。金属开口谐振环(srr)是一种最常见的超表面结构类型，可以把srr看作为一个含有电容电感的电路，电感主要由超表面的几何参数决定，电容与电容器的有效介电常数密切相关。当超表面被其他物质覆盖后，其局域有效介电常数的改变会引起电容的改变，从而导致其共振频率的偏移。因此，可以通过太赫兹超表面共振频率的偏移来定性或定量探测液体属性。
4.目前，太赫兹超表面器件多以实现单一功能为主，制备工艺相对复杂，传感灵敏度低。因此如何设计出结构简单、易于制造、调制与传感效果优异的太赫兹装置，是研究人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明旨在提供一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置及制备方法。
6.为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，包括从下往上依次设置的衬底、c型金属谐振环阵列超表面、石墨烯层和盖片。衬底和盖片采用过盈式链接。衬底上设置有微纳c型金属谐振环阵列超表面，c型金属谐振环阵列超表面上沉积单层石墨烯，c型金属谐振环阵列超表面的长度为20mm，宽度为10mm，厚度为800nm，分为2组，分别为调制区与传感区，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品探测的功能。盖片侧面设有注液通道，用于向调制区注入磁流体，即四氧化三铁纳米颗粒，用活塞堵塞注液通道，形成超表面-石墨烯-磁流体三层异质结光调制结构。在盖片上，对应传感区的位置设置液体探测池，盖片上还对应设有进液口和出液口。
7.作为本发明的优选方案，所述装置长度为40mm，宽度为40mm，厚度为10mm，衬底与盖片的材料为环烯烃共聚物，即coc，其太赫兹波透射率约为90％。
8.作为本发明的优选方案，c型金属谐振环阵列超表面的超表面c型单元结构的尺寸
为150μm
×
150μm，厚度为800nm，材料为金，c型单元结构外半径r1＝60μm，内半径r2＝40μm，开口a＝20μm。
9.所述装置在调制区内，利用磁流体的线性二相色性和石墨烯的高载流子迁移速率，在外加磁场的控制下，使结构电导率增加，太赫兹透射率下降，实现太赫兹振幅调制，最大调制深度约为60％。调制深度定义如下：
[0010][0011]
其中md为调制深度，p
max
为最大振幅值，p
min
为最小振幅值。
[0012]
所述超表面-石墨烯结构会在1.1thz处产生共振吸收峰，当在液体探测池注入被测液体样品后，吸收峰发生频移现象，频移量与液体属性成拟合趋势，实现了对液体样品的特异性检测。
[0013]
作为本发明的优选方案，所述装置制备流程如下：
[0014]
步骤一：使用激光雕刻机切割两片coc方片，作为衬底和盖片。利用铣刀在盖片上铣出调制区的槽与传感区的槽。并在调制区的槽铣出注液通道，在传感区的槽使用特制钻头打出进液口与出液口。
[0015]
步骤二：依次用酒精和去离子水在超声中清洗衬底，使用氮气吹干。并在衬底四周及中间横向粘贴耐温胶带。
[0016]
步骤三：在所述衬底上旋涂光刻胶，并放置光刻板；将光刻胶进行曝光和显影处理；利用测控溅射工艺，在所述未被光刻胶覆盖区域上生长c型金属谐振环阵列，并剥离所述光刻胶。
[0017]
步骤四：利用化学气相沉积法制备石墨烯层，然后将所述石墨烯层转移至衬底上。
[0018]
步骤五：撕去衬底上的耐热胶带，利用过盈式卡槽将衬底和盖片闭合，进行气密性测试。从盖片侧面注液通道向调制区注入磁流体，注液完毕后用活塞堵塞注液通道。
[0019]
本发明的有益效果是：
[0020]
1.装置同时具备太赫兹传感与调制功能，制备流程简单、材料损耗低、耐腐蚀、并且重复利用率高。
[0021]
2.石墨烯层的引入可以大幅度提高载流子的迁移速率，使电导率变化更快，实现高灵敏度传感。
[0022]
3.磁流体，即四氧化三铁纳米颗粒，在外加磁场作用下会展现良好的线性二项色性，是一种新型的太赫兹调制材料。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，如附图所示的仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明装置的三维结构示意图。
[0025]
图2为本发明装置coc衬底的三维结构示意图。
[0026]
图3为本发明装置coc盖片的三维结构示意图。
[0027]
图4为本发明装置c型金属谐振环阵列的单元结构示意图。
[0028]
图5为本发明装置在外加磁场作用下太赫兹波振幅调制示意图。
[0029]
图6为本发明装置传感区在0.1-1.8thz波段透射率曲线图。
[0030]
1-coc衬底，2-coc盖片，11-c型金属谐振环阵列，12-石墨烯，21-调制区，22-传感区，211-注液通道，212-活塞，221-液体探测池，222-进液口，223-出液口。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。
[0032]
参考图1、图2和3，基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，装置从下往上包括依次设置的衬底1、c型金属谐振环阵列超表面11和盖片2；
[0033]
c型金属谐振环阵列超表面11上沉积有石墨烯层12；
[0034]
c型金属谐振环阵列超表面11分为两组，分别为调制区21与传感区22，分别实现太赫兹振幅调制与液态生物样品检测的功能；
[0035]
盖片2侧面设有注液通道211与调制区21连通，用于向调制区21注入磁流体；注液通道211入口设有活塞212用于堵塞注液通道211；
[0036]
盖片2在传感区22上设置液体探测池221，液体探测池221对应的位置设有进液口222和出液口223。
[0037]
本实施例的装置长度为40mm，宽度为40mm，厚度为10mm，衬底1与盖片2的材料为环烯烃共聚物。
[0038]
所述的微纳c型金属谐振环阵列超表面11长度为20mm，宽度为10mm，厚度为800nm。c型金属谐振环阵列超表面11上的超表面c型单元结构的尺寸为150μm
×
150μm，厚度为800nm，材料为金，c型单元结构外半径r1＝60μm，内半径r2＝40μm，开口a＝20μm。
[0039]
所述的一种基于超表面集成传感与调制功能的太赫兹装置，其制备流程如下：
[0040]
步骤一：使用激光雕刻机切割两片厚度为5mm，长宽为40mm的coc方片，作为衬底1和盖片2。利用铣刀在盖片上铣出厚度为1mm的调制区21的槽与传感区22的槽。并在调制区21的槽铣出注液通道211，在传感区22的槽使用特制钻头打出进液口222与出液口223。
[0041]
步骤二：依次用酒精和去离子水在超声中清洗衬底1，使用氮气吹干。并在衬底1四周及中间横向粘贴宽度为10mm的耐温胶带。
[0042]
步骤三：在所述衬底1上旋涂光刻胶，并放置光刻板；将光刻胶进行曝光和显影处理；利用测控溅射工艺，在所述未被光刻胶覆盖区域上生长c型金属谐振环阵列11，并剥离所述光刻胶。
[0043]
步骤四：利用化学气相沉积法制备石墨烯层12，然后将所述石墨烯层转移至衬底1上。
[0044]
步骤五：撕去衬底上的耐热胶带，利用过盈式卡槽将衬底1和盖片2闭合，进行气密性测试。从盖片侧面注液通道211向调制区21注入磁流体，注液完毕后用活塞212堵塞注液通道。
[0045]
为验证本发明太赫兹装置的实用性，利用该装置在0mt、20mt、50mt、90mt和150mt外加磁场作用下对太赫兹波进行振幅调制，通过实验数据的计算，该装置的最大调制深度
为60％，充分证明了本发明在太赫兹调制方面的实用性。
[0046]
利用太赫兹时域光谱系统，使太赫兹波垂直透过本发明装置传感区上的超表面-石墨烯结构，通过数据计算，得到太赫兹透射谱图，发现本发明装置在1.1thz处产生一个明显的共振吸收峰。利用该特性可进行液体样品的特异性研究。
[0047]
本发明选取coc材料作为装置外壳，该材料在0.1-2.7thz范围内透过率高于90％，且无特征振动峰出现，从而增加了透射式太赫兹时域光谱系统中测量液体样品的灵敏度。
[0048]
本发明引入石墨烯层和磁流体层，利用石墨烯的高载流子迁移速率和磁流体线性二项色性，实现高灵敏度的太赫兹振幅调制。
[0049]
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。