Ultra-wideband terahertz fingerprint enhancement sensing and inversion model supported by single-pixel reconfigurable graphene metasurface

太赫兹辐射 材料科学 宽带 光电子学 石墨烯 像素 指纹(计算) 计算机科学 物理 光学 纳米技术 人工智能
作者
Bingwei Liu,Yan Peng,YuFan Hao,Yiming Zhu,Shengjiang Chang,Songlin Zhuang
出处
期刊:PhotoniX [Springer Nature]
卷期号:5 (1) 被引量:115
标识
DOI:10.1186/s43074-024-00129-4
摘要

Abstract The molecular fingerprint sensing technology based on metasurface has unique attraction in the biomedical field. However, in the terahertz (THz) band, existing metasurface designs based on multi-pixel or angle multiplexing usually require more analyte amount or possess a narrower tuning bandwidth. Here, we propose a novel single-pixel graphene metasurface. Based on the synchronous voltage tuning, this metasurface enables ultra-wideband ( $$\sim$$ 1.5 THz) fingerprint enhancement sensing of trace analytes, including chiral optical isomers, with a limit of detection (LoD) ≤ 0.64 μg/mm 2 . The enhancement of the fingerprint signal ( $$\sim$$ 17.4 dB) originates from the electromagnetically induced transparency (EIT) effect excited by the metasurface, and the ideal overlap between the light field constrained by single-layer graphene (SLG) and ultra-thin analyte. Meanwhile, due to the unique nonlinear enhancement mechanism in graphene tuning, the absorption envelope distortion is inevitable. To solve this problem, a universal fingerprint spectrum inversion model is developed for the first time, and the restoration of standard fingerprints reaches R max 2 ≥ 0.99. In addition, the asynchronous voltage tuning of the metasurface provides an opportunity for realizing the dynamic reconfiguration of EIT resonance and the slow light modulation in the broadband range. This work builds a bridge for ultra-wideband THz fingerprint sensing of trace analytes, and has potential applications in active spatial light modulators, slow light devices and dynamic imaging equipments.
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