引用本文:

张雅博,裴广奥,叶云霞,等. 基于激光制备的金纳米颗粒复合THz超材料传感器[J]. 光通信技术,2025,49(2):7-10.

基于激光制备的金纳米颗粒复合THz超材料传感器

张雅博1,裴广奥1,叶云霞1,2*,戴子杰2

(1.江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212013;2.江苏大学 微纳光电子与太赫兹技术研究院,江苏 镇江 212013)

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摘要:为了解决传统农药检测方法复杂预处理和低灵敏度的问题,提出了一种基于激光制备的金纳米颗粒(AuNPs)复合太赫兹(THz)超材料传感器。通过皮秒激光直写和纳秒激光扫描技术,分别制备了周期性双U形超材料阵列和AuNPs,并将两者结合以增强THz波与分析物的相互作用。仿真和实验结果表明,AuNPs诱导的局部电场增强显著提升了传感器的灵敏度,复合传感器的THz谐振强度相比裸传感器提高了12倍以上。实验数据进一步显示,该传感器对百菌清的检测限可达10 μg/mL。

关键词:太赫兹;金纳米颗粒;超材料;农药检测;激光加工

中图分类号:TN253;O436 文献标志码:文章编号:1002-5561(2025)02-0007-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.02.002

1. 研究背景与意义

农药检测的重要性:农药在农业中广泛应用,但过量残留对环境和人类健康构成威胁,因此农药残留检测成为食品安全的关键课题。

传统方法的局限性:传统检测方法如高效液相色谱法、气相色谱法等存在灵敏度不足、操作复杂、实时性差等问题。

太赫兹(THz)波的优势:THz波因其独特的光电特性(如指纹谱性、宽带性、非电离辐射和高穿透性)在物质鉴别等领域有广阔应用前景,特别适用于痕量物质检测。

 

2. 研究目的

提出新方案:为解决传统方法的不足,提出了一种基于激光制备的金纳米颗粒复合THz超材料传感器,旨在提高农药检测的灵敏度和效率。

 

3. 研究方法与过程

结构设计:设计了由双U形微米尺度阵列和纳米尺度金纳米颗粒(AuNPs)组成的复合超材料传感器结构。

电磁模拟:使用CST Microwave Studio软件进行数值模拟,验证传感器在THz波段的电磁响应特性。

制备过程:

材料准备:清洗硅衬底,沉积银膜。

超材料阵列制备:利用皮秒激光直写技术在银层上制备周期性双U形超材料阵列。

金膜沉积与纳米颗粒制备:在超材料层上热蒸发镀金膜,再通过纳秒激光扫描将金膜转化为AuNPs。

 

测试过程:配制不同浓度的百菌清溶液,使用太赫兹时间域光谱系统测量裸传感器和复合超材料传感器的灵敏度。

 

4. 研究结果与分析

仿真结果:

复合超材料传感器在THz波段对环境折射率变化有显著响应,而裸传感器几乎无响应。

复合超材料传感器在共振峰处的电场强度是裸传感器的近3.5倍,表明AuNPs诱导的局部电场增强显著提高了传感器灵敏度。

 

实验结果:

实验数据显示,复合超材料传感器的百菌清检测限为10 μg/mL,相比裸传感器检测效果提升了12倍。

实验结果与仿真结果基本一致,验证了AuNPs对传感器灵敏度的增强作用。

 

 

5. 结论与展望

研究结论:成功设计并制备了一种金纳米颗粒复合超材料传感器,通过激光加工技术实现了THz超材料与AuNPs的多级加工。该传感器在THz波段对百菌清具有高灵敏度检测能力。

应用前景:该传感器有望在环境监测、食品安全和制药领域得到广泛应用,为激光制备超材料农药传感性能的提升提供了新思路。