近期，《Photonics Research》发表了电气学院曹磊副教授联合德国法兰克福大学Hartmut G. Roskos教授团队、德国锡根大学Peter Haring Bolívar教授团队以及荷兰埃因霍温理工大学Shihab Al-Daffaie教授团队的合作研究成果，即可用于纳米薄膜检测的超高灵敏交叉指形超材料太赫兹传感器。这项研究工作被期刊编辑推荐，并在“爱光学”公众号平台宣传（https://mp.weixin.qq.com/s/xtB8kIUN56Zt2YF_3vctpA）。

团队基于介质微扰理论，设计并实现了一种具有交叉指形结构的太赫兹超材料传感器（Interdigitated electric split ring resonator, ID-eSRR），可实现对纳米级厚度分析物的高灵敏、高品质传感，对推动超材料传感器的发展具有重要意义。相关研究成果以“Interdigitated terahertz metamaterial sensors: design with the dielectric perturbation theory”为题发表于《Photonics Research》2024年第6期，曹磊副教授为第一作者，Hartmut G. Roskos教授团队的Fanqi Meng副研究员为通讯作者。

到目前为止，超材料传感器领域仍缺乏一个系统且实用的优化策略，能够统一考虑超材料传感器的所有性能参数，以便进行理性设计（与试错法相比）。该类型传感器研究的另一个不足之处是其通常采用的性能评价参数只适用于分析物的种类、位置和数量相同的情况。为解决上述问题，团队通过将交叉指形结构与电开口环超材料谐振器（eSRR）完美结合，形成新型ID-eSRR超材料传感器（如图1所示），有效提升了传感灵敏度。此外对于均匀薄膜形式放置在传感器上的介质分析物，研究团队建议将传统FOM对薄膜厚度进行归一化得到厚度归一化FOM（TN-FOM），以求更加合理比较传感器性能。

为了证明所提出的交叉指形超材料传感器的优势，研究团队制造了工作在同一谐振频率（280 GHz）的基于ID-eSRR和eSRR超材料结构的两种传感器。相比于eSRR结构，ID-eSRR结构的谐振Q值得到极大提高，实验与仿真结果一致。

团队测量得到了不同厚度SiO2薄膜分析物情况下的ID-eSRR和eSRR传感器的透射光谱，如图2所示。理论和实验结果均证明了ID-eSRR传感器的超高灵敏度。当SiO2厚度为150 nm时，ID-eSRR传感器的Q值、灵敏度和FOM（TN-FOM）值分别是eSRR传感器的6.6倍、8.4倍和55.3倍。

交叉指形超材料谐振器为太赫兹传感提供了一个新的高性能平台，能够实现对微量分析物的无标记和无需放大检测，特别是对DNA和蛋白质等生物分子。曹磊感谢华中科技大学优秀青年教师培养计划的支持。实验研究工作由德国DFG项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/PRJ.516228