聊大宋琦和深大張敏《IEEE SJ》：面向6G技術(shù)的水滴型分頻率太赫茲傳感器

面向6G技術(shù)的高靈敏度多功能太赫茲傳感器，在超高速低時(shí)延空間通信、人工智能、智慧城市的通感一體化平臺等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，展現(xiàn)出其重要性和日益增長的市場需求。開展具有可調(diào)控增益的高效多頻探測技術(shù)，不僅對提升6G頻譜效率具有重要科學(xué)意義，同時(shí)也為智慧城市的建設(shè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，推動城市向更智能、更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。在此背景下，如何實(shí)現(xiàn)室溫下對太赫茲的頻率選擇性探測已經(jīng)成為6G傳感的關(guān)鍵技術(shù)和前沿研究熱點(diǎn)之一。然而，受到材料特性和器件加工成本的限制，高精度、低成本、可調(diào)控的太赫茲功能器件已然成為目前迫切需要解決的問題。

近期，聊城大學(xué)的張丙元教授、宋琦副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合深圳大學(xué)張敏副教授、彭忠澤設(shè)計(jì)了一種水滴型微米芯片覆蓋磁性外爾半金屬和磁性拓?fù)浣^緣體復(fù)合薄膜的太赫茲波傳感器，并實(shí)現(xiàn)了外加微弱磁場增強(qiáng)其傳感性能，并通過THz-TDS驗(yàn)證了其頻率選擇性探測能力。

該團(tuán)隊(duì)利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)，借助nanoArch® S130（精度：2μm)實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)陣列的低成本高精度制備，并在器件上制備高質(zhì)量磁性外爾半金屬和磁性拓?fù)浣^緣體復(fù)合薄膜，獲得具有高靈敏度、低等效噪聲功率和頻率選擇性探測的太赫茲波傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探測器的響應(yīng)度高達(dá)2522 MV/W，靈敏度達(dá)到2.11 pW/Hz0.5，響應(yīng)時(shí)間僅為1.8 ns。該器件所展現(xiàn)的功能和性能，為6G探測器的研究提供了新的思路，有望在未來的通信技術(shù)中取得廣泛發(fā)展。

相關(guān)成果以“Magnet-Enhanced Droplet-Shaped Frequency-Selective Terahertz Detectors for 6G Technologies"為題發(fā)表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上,第一作者為深圳大學(xué)研究生彭忠澤。

本文提出一種室溫下面向6G的水滴型分頻率太赫茲探測器，在實(shí)驗(yàn)中證明了可利用特征頻率相關(guān)的結(jié)構(gòu)化尺寸來實(shí)現(xiàn)分頻率探測的功能，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)特征頻率的探測能力。探測器還結(jié)合磁性外爾半金屬Co3Sn2S2、磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4和Au納米膜三層納米膜結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真得到的最佳局域表面等離激元的局域場增強(qiáng)頻率和THz-TDS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了0.1 THz高貢獻(xiàn)率頻率點(diǎn)，為進(jìn)一步在6G通信中分頻率探測芯片的發(fā)展提供了方向，這種具有高響應(yīng)、高靈敏度、快速響應(yīng)的磁增強(qiáng)6G探測器能夠促進(jìn)6G技術(shù)的發(fā)展。

從圖2中可知，特征頻率表現(xiàn)出特殊的響應(yīng)（0.1 THz，0.14 THz，0.22 THz，0.28 THz）。與非特征頻率相比，選定的特征頻率在整個(gè)峰寬范圍內(nèi)顯示出更大的貢獻(xiàn)。具體來說，0.1 THz的特征頻率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于其他頻率。這一結(jié)果與團(tuán)隊(duì)對電場強(qiáng)度的模擬結(jié)果是一致的，表明器件在0.1 THz時(shí)具有最佳的場局域效應(yīng)，顯著增強(qiáng)太赫茲波與表面活性層之間的光學(xué)響應(yīng)。每個(gè)特征頻率的貢獻(xiàn)在0.2 THz左右達(dá)到峰值，這在一定程度上影響了0.22 THz特征頻率的貢獻(xiàn)，解釋了為什么它的貢獻(xiàn)不如預(yù)期那么顯著。

器件的表面電場強(qiáng)度模擬結(jié)果也從側(cè)面反映了其各個(gè)特征頻率下場聚集效果。根據(jù)模擬場強(qiáng)圖3 (a,b)可知，含有貴金屬納米薄膜的特征結(jié)構(gòu)在特定的太赫茲頻率下激發(fā)時(shí)，可以誘發(fā)局域表面等離子體(LSP)效應(yīng)，導(dǎo)致特征結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)明顯的局域場增強(qiáng)。模擬圖像顯示，在0.1 THz處場增強(qiáng)明顯。基于局域表面等離子體耦合理論，該結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)太赫茲波與探測器中Co3Sn2S2和MnBi2Te4納米薄膜相互作用提供了基礎(chǔ)。模擬還模擬了具有不同程度銳化的單元，如圖3所示，與具有銳化結(jié)構(gòu)的單元相比，邊緣更光滑的單元在局域場增強(qiáng)效應(yīng)中表現(xiàn)出較低的聚集程度。圖3（b）為具有尖銳結(jié)構(gòu)的單元中出現(xiàn)尖聚集效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)更高的表面增強(qiáng)靈敏度，從而改善探測器表面薄膜結(jié)構(gòu)與太赫茲波的相互作用，提高探測效率。

為了驗(yàn)證探測器在0.1 THz下各項(xiàng)性能參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)采用微電流鎢鋼探針平臺測量了探測器的伏安特性，圖4 （a）中亮電流(I-V)曲線顯示了探測器良好的歐姆特性，團(tuán)隊(duì)在0-100 V偏置電壓下測量了探測器在各項(xiàng)外場下的光響應(yīng)。100 V偏置電壓時(shí)，磁場為0.0725和0.145 mT的Rv分別為2522 MV/W和2209 MV/W,相較于無外場的Rv提升了521 MV/W (26.04%)和208 MV/W (10.39%)。探測器的靈敏度也受到磁場的影響在100 V時(shí)低至2.11 pW/Hz0.5 (0.145mT)和2.35pW/Hz0.5 (0.0725mT)，探測率分別增長了17.2% (0.145mt)和7% (0.0725mt)。器件的各項(xiàng)性能在外加磁場下均展現(xiàn)出了增益效果，與參照數(shù)據(jù)相比，受到磁場增益的磁性外爾半金屬和磁性拓?fù)浣^緣在具有局域增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上展現(xiàn)了可觀的進(jìn)步。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

本文的創(chuàng)新點(diǎn)包括兩個(gè)方面:利用面投影微立體光刻技術(shù)制備的亞波長微結(jié)構(gòu)可以有效降低成本，并具有很高的精度。通過磁控濺射制備的三層薄膜，不僅提高了磁場下太赫茲探測器件的性能，還在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。具有特征尺寸的水滴型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對特征頻率的高貢獻(xiàn)響應(yīng)，這為亞波長微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對太赫茲波頻率選擇性探測提供了可行方案。在磁場作用下，0.1 THz太赫茲傳感器的性能得到顯著提高，響應(yīng)率為2522 MV/W，噪聲等效功率為2.11 pW/Hz0.5，響應(yīng)時(shí)間低至1.8 ns。本研究不僅為研究場增強(qiáng)型太赫茲傳感器提供了新的思路，而且加速了6G集成傳感與通信技術(shù)的發(fā)展。

總體而言，這項(xiàng)研究為高性能可調(diào)控薄膜結(jié)合亞波長微結(jié)構(gòu)陣列實(shí)現(xiàn)頻率選擇性探測技術(shù)提供了新的思路，特別是在6G通信技術(shù)中提升頻譜效率的潛在應(yīng)用。最為重要的是，面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)結(jié)合磁控濺射是一項(xiàng)具有成本效益的高效率加工方法，對6G功能器件的研究和發(fā)展起到了積極的推動作用。