Перестраиваемый терагерцовый датчик на основе полой гексагональной графеновой метаповерхности

Li Yijia, Peng Yajing, Huang Yongjun, Zhang Jinshun, Guo Qing, Liu Yuhui

Ссылка для цитирования:

Ссылка на англоязычную версию:

Li Yi., Peng Ya., Huang Yo., Zhang J., Guo Q., Liu Yu. A tunable terahertz sensor based on a hollow hexagonal graphene metasurface (Перестраиваемый терагерцовый датчик на основе полой гексагональной графеновой метаповерхности) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 30–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-30-42

Li Yi., Peng Ya., Huang Yo., Zhang J., Guo Q., Liu Yu. A tunable terahertz sensor based on a hollow hexagonal graphene metasurface [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 30–42. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-30-42

Аннотация:

Предмет исследования. Структура и особенности практической реализации перестраиваемого терагерцового датчика на основе полой гексагональной графеновой метаповерхности, конструктивно включающего собственно графеновую метаповерхность, диэлектрическую прокладку из диоксида кремния и отражающий слой золота. Цель работы. Разработка и практическая реализация динамически настраиваемого терагерцового датчика показателя преломления с увеличенным коэффициентом поглощения и увеличенной чувствительностью Метод. Измерение основано на взаимодействии поверхностных плазмон-поляритонов графена и гибридного резонанса, индуцируемого металлическим слоем. Структурная оптимизация и оценка производительности выполнены с использованием моделирования методом конечных элементов. Основные результаты. Установлено, что оптимальное двухрежимное поглощение достигается при частотах 1,33 и 5,17 ТГц с коэффициентом поглощения 99,9 и 99,8% соответственно. В высокочастотном режиме достигается чувствительность 1,5 ТГц на единицу показателя преломления, коэффициент полезного действия 2,73 и добротность 8,85. Благодаря настройке энергии Ферми графена высокочастотный резонансный режим обеспечивает непрерывную настройку в диапазоне от 4,80 до 6,28 ТГц с коэффициентом поглощения, превышающим 99,2%, что обеспечивает возможность точного многодиапазонного зондирования. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют сформировать подход к разработке высокопроизводительного терагерцового зонда с перспективными применениями в биомолекулярной идентификации и медицинской диагностике.

Ключевые слова:

терагерцовый метаматериал, графеновая метаповерхность, настраиваемое зондирование, поверхностные плазмон-поляритоны

Благодарность:

работа частично поддержана Открытым проектом Института океанологических исследований Бохайского университета (№ BDHYYJY2025012) и Фондом образования провинции Ляонин (№ LJKMZ20221495).

Коды OCIS: 280.4788, 160.3918, 240.6680, 300.6495

Список источников:

1. Kotsuka Y. Fundamentals of electromagnetic wave absorbers // Electromagnetic Wave Absorbers: Detailed Theories and Applications. Hoboken: Wiley, 2019. P. 1–15.

2. Li Y., Qin Y., Wang Q., et al. Multi-frequency terahertz coding metasurfaces based on vanadium dioxide // Opt. Eng. 2024. V. 63. № 2. P. 028101. doi: 10.1117/1.OE.63.2.028101.

3. Nowack T.S., Shah Y.D., Grant J.P., et al. Metasurface optics with on-axis polarization control for terahertz sensing applications // IEEE Trans. Terahertz Sci. and Technol. 2023. V. 13. № 4. P. 373–380. doi: 10.1109/TTHZ.2023.3263648.

4. Nath K., Matabbar M.Z.H., Nath B., et al. Polarization-independent and highly sensitive tunable graphene-based THz metamaterial absorber for sensing application // 2024 13th Inter. Conf. Electrical and Computer Eng. (ICECE). Dhaka, Bangladesh, 2024. P. 476–481. doi: 10.1109/ICECE64886.2024.11024811.

5. Bhattarai K., Silva S., Song K., et al. Metamaterial perfect absorber analyzed by a meta-cavity model consisting of multilayer metasurfaces // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 10569. doi: 10.1038/s41598-017-10520-w.

6. Chen C., Dong H.-M., Ma Y.-Q. Research progress on the influence of terahertz waves on neurotransmitter synaptic transmission // Progress in Physics / Wulixue Jinzhan. 2025. V. 45. № 1. P. 32. doi: 10.13725/j.cnki.pip.2025.01.002.

7. Chandaluru M., Gopalan A. Multiband THz antenna for non-invasive oral cancer diagnosis // 2025 3rd Inter. Conf. Integrated Circuits and Commun. Systems (ICICACS). Raichur, India, 2025. P. 1–7. doi: 10.1109/ICICACS65178.2025.10968808.

8. Roh Y., Kim K.H., Lee G., et al. Metasurface-enhanced terahertz imaging for glioblastoma in orthotopic xenograft mouse model combined with neural network decision making // Biosensors & Bioelectronics. 2025. V. 287. P. 117715. doi: 10.1016/j.bios.2025.117715.

9. Bouhenna A., Zeggai O., Ahmed H., et al. High-sensitivity terahertz plasmon resonance biosensor incorporating graphene-perovskite metasurfaces for waterborne bacterial detection // Plasmonics. 2026. V. 21. P. 495–502. doi: 10.1007/s11468-025-02948-y.

10. Molaei A.M., Hu S., Fusco V., et al. Advanced near-field radar imaging approaches in security: an overview on signal processing challenges, opportunities, and future directions // IEEE Signal Proc. Magazine. 2025. V. 42. № 1. P. 126–146. doi: 10.1109/MSP.2024.3486470.

11. Vazquez D.A., Pilozzi L., DelRe E., et al. Terahertz imaging super-resolution for documental heritage diagnostics // IEEE Trans. Terahertz Sci. and Technol. 2024. V. 14. № 4. P. 455–465. doi: 10.1109/TTHZ.2024.3410674.

12. Pham T.S., Nguyen B.T., Dinh T.K.P., et al. Design a graphene-based tunable metamaterial for ultra-wideband absorption in the terahertz range // 2025 Inter. Conf. Advanced Technol. for Commun. (ATC). Hanoi, Vietnam, 2025. P. 1–5. doi: 10.1109/ATC67618.2025.11268705.

13. Jabbar M.A., Naveed M.A., Zubair M., et al. Wideband polarization insensitive tunable graphene-supported terahertz metamaterial absorber // IEEE Photonics J. 2023. V. 15. № 6. P. 1–8. doi: 10.1109/JPHOT.2023.3327124.

14. Jia S., Zhou Z., Meng F., et al. Highly sensitive terahertz metamaterial sensor with enhanced spatial distribution of strong electric field // 2023 48th Inter. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2023). Montreal, QC, Canada, 2023. P. 1–2. doi: 10.1109/IRMMW-THz57677.2023.10298950.

15. Sorathiya V., Lavadiya S. Polarization of THz signals using graphene-based metamaterial structure // Advances in Terahertz Technol. and Its Applications / Ed. by Das S., Anveshkumar N., Dutta J., Biswas A. Singapore: Springer, 2021. P. 221–237. doi: 10.1007/978-981-16-573-3_13.

16. Liu X., Zhang Q., Cui X. Ultra-broadband polarization-independent wide-angle THz absorber based on plasmonic resonances in semiconductor square nut-shaped metamaterials // Plasmonics. 2017. V. 12. № 4. P. 1137–1144. doi: 10.1007/s11468-016-0368-1.

17. Moradiani F., Farmani A., Yavarian M., et al. A multimode graphene plasmonic perfect absorber at terahertz frequencies // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2020. V. 122. P. 114159. doi: 10.1016/j.physe.2020.114159.

18. Veeraselvam A., Mohammed G.N.A., Savarimuthu K., et al. Refractive index-based terahertz sensor using graphene for material characterization // Sensors. 2021. V. 21. № 23. P. 8151. doi: 10.3390/s21238151.

19. Jabbar A., Asgari S., Fabritius T. A graphene metasurface-based narrowband THz biosensor for non-invasive early cancer detection // IEEE Access. 2025. V. 13. P. 158098–158107. doi: 10.1109/ACCESS.2025.3606621.