中国计量大学DexianYan等–基于圆柱形介电超表面耦合的石墨烯带上激发的欺骗表面等离子体激元的折射率传感

文章提出了一种新的太赫兹等离子体传感概念，该概念利用超表面耦合器在石墨烯带上激发欺骗表面等离子体激元(SSPs)模式。介电超表面单元电池由石英衬底上具有不同半径的两个圆柱形硅棒组成。垂直入射的太赫兹波被超表面偏转，导致衬底内的横波矢量与石墨烯带支撑的SSPs波矢量相匹配。这使得在石墨烯带表面有效激发SSPs模式，导致吸收共振在0.420-0.430 THz范围内，高质量(Q)因子为152。将该装置应用于折射率传感，研究结果表明，吸收光谱中的高Q共振随目标物质折射率的变化而发生改变，灵敏度为110 GHz/RIU。本研究设计的结构在痕量物质吸收光谱检测中具有重要的应用潜力。

图1. （a）基于超表面耦合激发石墨烯条带上SSP模式的结构示意图；（b）超表面耦合器的电池结构；（c）石墨烯带的阵列结构；（d）超表面耦合器实现偏转后的电场强度分布。

图2. （a）不同W_g、周期P_g=65μm的石墨烯条带阵列上SSPs的色散关系。（b）某些图表的放大结果。

图3. （a）化学势μ_c=0.15eV时，石墨烯带的吸收量与宽度W_g的关系；（b）吸收量与化学势的关系。

图4. 不同石墨烯条带宽度在 SSP 谐振频率下的电场分布。（a）W_g = 25 μm；（b）W_g = 30 μm；（c）W_g = 35 μm；（d）W_g = 40 μm。

图5. 石墨烯条带宽度 W_g 对不同折射率值 n_d = 1.00–1.05 的吸收光谱的影响。（a）W_g = 25 μm；（b）W_g = 30 μm；（c）W_g = 35 μm；（d）W_g = 40 μm。（e）谐振频率偏移和拟合灵敏度。

图6. 石墨烯条带化学势对不同折射率值 n_d = 1.00–1.05 的吸收光谱的影响。（a）μ_c = 0.05 eV；（b）μ_c = 0.1 eV；（c）μ_c = 0.15 eV；（d）μ_c = 0.2 eV。（e）谐振频率偏移和拟合灵敏度。

相关研究成果由中国计量大学太赫兹技术与应用研究所、中国计量大学信息工程学院电磁波信息技术与计量检测实验室Dexian Yan等人于2024年发表在Results in Physics (https://doi.org/10.1016/j.rinp.2024.107539 )上。原文：Refractive index sensing of spoof surface plasmon polaritons excited on graphene strips based on cylindrical dielectric metasurface coupling