聊城大学宋琦副教授/深圳大学张敏副教授《IEEE SJ》：面向6G技术的水滴型分频率太赫兹传感器

面向6G技术的高灵敏度多功能太赫兹传感器，在超高速低时延空间通信、人工智能、智慧城市的通感一体化平台等多个关键领域，展现出其重要性和日益增长的市场需求。开展具有可调控增益的高效多频探测技术，不仅对提升6G频谱效率具有重要科学意义，同时也为智慧城市的建设提供了强大的技术支撑，推动城市向更智能、更高效、更可持续的方向发展。在此背景下，如何实现室温下对太赫兹的频率选择性探测已经成为6G传感的关键技术和前沿研究热点之一。然而，受到材料特性和器件加工成本的限制，高精度、低成本、可调控的太赫兹功能器件已然成为目前迫切需要解决的问题。

近期，聊城大学的张丙元教授、宋琦副教授团队联合深圳大学张敏副教授、彭忠泽设计了一种水滴型微米芯片覆盖磁性外尔半金属和磁性拓扑绝缘体复合薄膜的太赫兹波传感器，并实现了外加微弱磁场增强其传感性能，并通过THz-TDS验证了其频率选择性探测能力。

该团队利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术，借助nanoArch® S130（精度：2μm)实现了微结构阵列的低成本高精度制备，并在器件上制备高质量磁性外尔半金属和磁性拓扑绝缘体复合薄膜，获得具有高灵敏度、低等效噪声功率和频率选择性探测的太赫兹波传感器。实验结果表明，该探测器的响应度高达2522 MV/W，灵敏度达到2.11 pW/Hz0.5，响应时间仅为1.8 ns。该器件所展现的功能和性能，为6G探测器的研究提供了新的思路，有望在未来的通信技术中取得广泛发展。

相关成果以“Magnet-Enhanced Droplet-Shaped Frequency-Selective Terahertz Detectors for 6G Technologies”为题发表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上,第一作者为深圳大学研究生彭忠泽。

图1 器件示意图。

本文提出一种室温下面向6G的水滴型分频率太赫兹探测器，在实验中证明了可利用特征频率相关的结构化尺寸来实现分频率探测的功能，实现了多个特征频率的探测能力。探测器还结合磁性外尔半金属Co3Sn2S2、磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4和Au纳米膜三层纳米膜结构，根据仿真得到的最佳局域表面等离激元的局域场增强频率和THz-TDS实验验证了0.1 THz高贡献率频率点，为进一步在6G通信中分频率探测芯片的发展提供了方向，这种具有高响应、高灵敏度、快速响应的磁增强6G探测器能够促进6G技术的发展。

图2 实验中所使用的THz-TDS示意图和频率选择性特征分析（特征频率和非特征频率在频谱中贡献曲线）。

从图2中可知，特征频率表现出特殊的响应（0.1 THz，0.14 THz，0.22 THz，0.28 THz）。与非特征频率相比，选定的特征频率在整个峰宽范围内显示出更大的贡献。具体来说，0.1 THz的特征频率的贡献远高于其他频率。这一结果与团队对电场强度的模拟结果是一致的，表明器件在0.1 THz时具有最佳的场局域效应，显著增强太赫兹波与表面活性层之间的光学响应。每个特征频率的贡献在0.2 THz左右达到峰值，这在一定程度上影响了0.22 THz特征频率的贡献，解释了为什么它的贡献不如预期那么显著。

图3 表面电场强度模拟结果（俯视图，电磁边界条件如图右下角） ；(a)光滑边界模拟结果； (b) 尖端结构边界模拟结果。

器件的表面电场强度模拟结果也从侧面反映了其各个特征频率下场聚集效果。根据模拟场强图3 (a,b)可知，含有贵金属纳米薄膜的特征结构在特定的太赫兹频率下激发时，可以诱发局域表面等离子体(LSP)效应，导致特征结构附近出现明显的局域场增强。模拟图像显示，在0.1 THz处场增强明显。基于局域表面等离子体耦合理论，该结构为增强太赫兹波与探测器中Co3Sn2S2和MnBi2Te4纳米薄膜相互作用提供了基础。模拟还模拟了具有不同程度锐化的单元，如图3所示，与具有锐化结构的单元相比，边缘更光滑的单元在局域场增强效应中表现出较低的聚集程度。图3（b）为具有尖锐结构的单元中出现尖端聚集效应，可以实现更高的表面增强灵敏度，从而改善探测器表面薄膜结构与太赫兹波的相互作用，提高探测效率。

图4 0.1 THz 太赫兹响应(a) 0.0725 mT 和 0.0145 mT 的光电流；(b)总噪声；(c）响应度(Rv)；(d)噪声等效功率(NEP)；(e)NEP(40 V - 100 V)；(f)归一化检测率(D*)。

为了验证探测器在0.1 THz下各项性能参数，研究团队采用微电流钨钢探针平台测量了探测器的伏安特性，图4 （a）中亮电流(I-V)曲线显示了探测器良好的欧姆特性，团队在0-100 V偏置电压下测量了探测器在各项外场下的光响应。100 V偏置电压时，磁场为0.0725和0.145 mT的Rv分别为2522 MV/W和2209 MV/W,相较于无外场的Rv提升了521 MV/W (26.04%)和208 MV/W (10.39%)。探测器的灵敏度也受到磁场的影响在100 V时低至2.11 pW/Hz0.5 (0.145mT)和2.35pW/Hz0.5 (0.0725mT)，探测率分别增长了17.2% (0.145mt)和7% (0.0725mt)。器件的各项性能在外加磁场下均展现出了增益效果，与参照数据相比，受到磁场增益的磁性外尔半金属和磁性拓扑绝缘在具有局域增强的结构上展现了可观的进步。

本文的创新点主要包括以下几个方面：

本文的创新点包括两个方面:利用面投影微立体光刻技术制备的亚波长微结构可以有效降低成本，并具有很高的精度。通过磁控溅射制备的三层薄膜，不仅提高了磁场下太赫兹探测器件的性能，还在实际应用中具有重要意义。具有特征尺寸的水滴型结构实现了对特征频率的高贡献响应，这为亚波长微纳结构实现对太赫兹波频率选择性探测提供了可行方案。在磁场作用下，0.1 THz太赫兹传感器的性能得到显著提高，响应率为2522 MV/W，噪声等效功率为2.11 pW/Hz0.5，响应时间低至1.8 ns。本研究不仅为研究场增强型太赫兹传感器提供了新的思路，而且加速了6G集成传感与通信技术的发展。

总体而言，这项研究为高性能可调控薄膜结合亚波长微结构阵列实现频率选择性探测技术提供了新的思路，特别是在6G通信技术中提升频谱效率的潜在应用。最为重要的是，面投影微立体光刻（PμSL）技术结合磁控溅射是一项具有成本效益的高效率加工方法，对6G功能器件的研究和发展起到了积极的推动作用。

文章链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3446044

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