七波段太赫兹超构材料吸收器助力生物医学应用

据麦姆斯咨询报道，近日，印度帕鲁尔大学（Parul University）、马来西亚国立大学（Universiti Kebangsaan Malaysia）等科研机构的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Machine learning assisted hepta band THz metamaterial absorber for biomedical applications”的论文，提出了一种传感应用的由沉积在聚酰亚胺上改进的双T形谐振器构成的七波段太赫兹超构材料吸收器（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处具有多个吸收率大于80%的吸收峰，对于葡萄糖检测的最高灵敏度为4.72 THz/RIU。本文提出的基于极端随机树模型的超构材料吸收器传感器具有简单的结构设计、超薄的厚度、紧凑的尺寸和窄线宽等特性，在检测疟疾和葡萄糖等生物医学领域具有良好的应用前景。

图1 论文提出的超构材料吸收器（a）透视图和（b）俯视图

超构材料（Metamaterial，MTM）是一种人造材料，其具有自然界所没有的独特电磁（EM）特性。利用超构材料不寻常的电磁特性，人们对微波至红外频率范围内的天线、太阳能电池、传感器和吸收器进行了大量研究。超构材料吸收器因其优异的吸收特性以及在传感、成像、生物技术、偏振转换和高速太赫兹（THz）通信中的潜在应用而在THz波段受到了广泛关注。自从Landy等人提出了第一个超构材料吸收器以来，各种类型的超构材料吸收器已经被提出，包括双波段、三波段、四波段、五波段、七波段和宽带吸收器等。其中，具有高品质因数（FOM）的多波段超构材料吸收器因其可用于检测材料和有害气体以及光谱成像而受到了广泛关注。

研究人员已经提出了堆叠金属谐振器或将各种尺寸的谐振器集成到单个晶胞中等多种增加吸收峰的方法。最近，Wang等人使用四种不同尺寸的金属谐振器演示了四波段超构材料吸收器。此外，研究人员利用偶极谐振分别提出了基于三方环和四方环的三波段和四波段吸收器。Wang等人开发了一种三波段THz超构材料吸收器，以在0–3 THz下实现多波段吸收。2018年，Janneh等人提出了一种由高品质（Q）因子的聚酰亚胺垫片上的谐振器构成的双波段THz吸收器。

然而，这些方法由于其较大的尺寸和厚度，在较高频率下面临着制造挑战，使其难以在实际应用中实现。此外，T型、环带、洞环和#型超构材料吸收器也通过集成LC和偶极谐振实现了多波段吸收。这些吸收器件的线宽通常非常宽，其范围为吸收频率的十分之一到五分之一。由于吸收峰的线宽太宽，因此它们不能被用于实际的传感器和检测应用。为了获得良好的传感性能，所提出的吸收器件必须具有较窄的谐振线宽，这是分析传感器应用时的一个重要参数。

在本论文中，作者们提出了一种传感应用的由沉积在聚酰亚胺上改进的双T形谐振器构成的七波段超构材料吸收器。所提出的偏振敏感超构材料吸收器在其最低工作频率下具有超薄（0.061λ）的厚度和紧凑（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处具有多个吸收峰。图1（a）、（b）描绘了三层七波段超构材料吸收器的透视图和俯视图。顶部金属层由两个改进的T形谐振器构成，而底部金属层由一个连续的金属平面构成，两层均由导电率为4.09 × 10⁷ S/m的金制成。中间层由介电常数为3(1+j0.06)的聚酰亚胺构成。团队研究了阻抗匹配理论和电场分布，以理解七波段吸收的物理机制。此外，为了研究吸收依赖性，他们使用介电厚度和晶胞尺寸进行了参数化分析。所提出的器件具有简单的结构设计、超薄的厚度、紧凑的尺寸和窄线宽等特性，适用于传感和检测应用。

图2 论文提出的超构材料吸收器的（a）吸收光谱（插图为f6和f7的谐振频率）和（b）实部、虚部归一化阻抗

他们使用折射率在1和1.1之间的环境介质评估其传感功能，得到器件的Q值为117。所提出的传感器对于葡萄糖检测的最高灵敏度为4.72 THz/RIU。极端随机树（ERT）模型被用于预测随晶胞尺寸、衬底厚度、角度和折射率值变化的中频吸收率，以减少模拟时间。他们使用调整后的R²评分来评估ERT模型在预测吸收值方面的有效性，当nmin =2时，该评分接近1.0，证实了其在各种测试用例中的高预测效率。实验结果表明，采用ERT模型模拟吸收器设计可以节省60%的模拟时间和资源。提出的基于ERT模型的超构材料吸收器传感器在检测细菌感染、疟疾和其他疾病等生物医学领域具有良好的应用前景。

图3（a）葡萄糖和（b）疟疾传感对吸收响应的影响

图4 使用各种属性组合的ERT模型的Adj-R²评分热图（nmin在2到10之间变化）

综上所述，对于太赫兹应用，本文提出了一种由沉积在聚酰亚胺上改进的双T形谐振器构成的七波段超构材料吸收器，其在1.89 THz、4.15 THz、5.32 THz、5.84 THz、7.04 THz、8.02 THz和8.13 THz处具有多个吸收率大于80%的吸收峰。金属谐振腔的偶极响应和LC谐振的共同作用是形成七波段吸收的主要原因。该超构材料吸收器的Q值为117，FOM为44，灵敏度为4.72 THz/RIU，适合生物医学应用。此外，基于机器学习的ERT回归模型被用于学习吸收器行为并预测中频的吸收值。当nmin= 2时，调整后的R²评分接近1.0 ，证实了ERT模型在各种测试用例中估计吸收值的高预测效率。本文所提出的采用ERT模型设计的超构材料吸收器传感器适用于检测疟疾和葡萄糖等生物医学应用。

审核编辑：刘清