光栅耦合的InSb基THz-SPP共振传感方法研究

作     者：陈钇成 张成龙 张丽超 祁志美 

作者机构：中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室 中国科学院大学电子电气与通信工程学院 中国科学院大学材料科学与光电技术学院 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家重点研发计划(批准号:2021YFB3200100) 国家自然科学基金(批准号:62121003,61931018,61871365)资助的课题 

主　　题：太赫兹表面等离激元共振 InSb光栅 生化传感 多孔材料 

摘      要：仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹（THz）表面等离激元（SPP）共振生化传感结构，该结构通过在锑化铟（InSb）基底表面刻蚀亚毫米光栅形成。基于波矢匹配方程的仿真结果表明，当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时，光栅的±射级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP。由于低频SPP易于采用商业THz时域谱（TDS）装置准确测量，本文系统地仿真分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系。仿真结果指出，InSb光栅裸传感芯片不能对酪氨酸单分子吸附层作出可探测的响应，究其原因是，低频SPP的消逝场穿透深度远大于酪氨酸吸附层厚度，致使两者相互作用不足。为了探测生物分子，本文仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法。多孔薄膜具有分子富集作用，能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度，从而提高传感器的生物检测灵敏度。仿真结果表明，以酪氨酸为例，当InSb光栅表面覆盖厚度为120 μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜后，其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数。