石墨烯辅助太赫兹超宽带偏振转换与化学传感一体化平台研究

　　本综述系统介绍了一种基于石墨烯的可调谐超宽带太赫兹传感器，该器件在6.3-14.36 THz频段实现线性至交叉偏振转换（PCR），平均效率达96.88%，峰值超99.99%。通过静电调控石墨烯费米能级（EF）实现光谱动态重构，最大传感灵敏度达1.53 THz/RIU，可检测葡萄糖、乙醇、血红蛋白及农药残留等生物化学物质，为太赫兹诊断与光子技术提供了创新解决方案。

　　

设计理论与框架

该创新设计采用周期为13 μm × 13 μm的多层单元结构（图1）。架构包含底层铝反射层、聚酰亚胺介质层以及整合铝与中心石墨烯贴片的图案化顶层。具有3.56×10⁷ S/m高电导率的铝反射层可有效抑制透射，增强反射式操作性能。

制造流程与尺寸容差

该器件的制造可通过标准微加工工艺实现（图3），包括介质处理与金属沉积。首先通过旋涂并在平坦基板上热固化聚酰亚胺薄膜形成低损耗介质层，随后采用电子束蒸发或射频溅射沉积铝反射层。通过光刻与刻蚀工艺定义顶层铝图案，最后通过化学气相沉积（CVD）转移单层石墨烯并图案化形成活性元件。制造过程中需严格控制尺寸公差（±0.1 μm）和石墨烯质量以确保性能一致性。

偏振转换性能与讨论

通过5-15 THz全波电磁仿真评估该石墨烯超表面的偏振操控性能。分析显示在x和y偏振入射下，偏振转换比率（PCR）在6.3-14.36 THz范围内超过90%，相对带宽达80%，平均效率96.88%，多个共振点超99.99%。该器件展现出卓越的宽频带正交偏振转换能力。

偏振调制性能评估

如表2所示，13×13×3.9 μm³的单元尺寸在工作波长范围内均满足亚波长条件。性能对比显示：既往研究带宽限于0.80-6.48 THz，转换效率通常刚超80%；而本设计不仅实现8.06 THz超宽带操作，还保持近完美的转换效率与20°入射角下的稳定性（＞96.6%），彰显其显著优势。

生物传感与化学检测机制

通过在图14所示的传感器顶部沉积分析物薄膜评估其化学传感性能。y偏振太赫兹波入射后，光电探测器收集反射信号。这种反射式配置可实时检测分析物引起的局部介电环境变化，通过共振频移（Δf）与折射率变化（Δn）的线性关系实现定量检测，灵敏度达1.53 THz/RIU。

现有生物传感平台对比评估

如表6所示，与既往超表面传感器件相比，本设计采用低成本材料组合与紧凑单元结构，实现1.53 THz/RIU的高灵敏度，同时集成偏振转换与传感双功能，在太赫兹化学生物传感领域具有显著竞争力。

结论

本研究开发的石墨烯辅助反射器件在太赫兹波段同步实现了宽带偏振转换与高灵敏度化学生物传感。该设计在6.3–14.36 THz范围内偏振转换效率超90%，平均96.88%，多共振点峰值超99.99%。其20°入射角稳定性与费米能级电调谐特性为实时自适应检测提供了全新平台。