圓環孔陣列超材料對熱釋電太赫茲探測器性能影響關系研究*

王楊濤 景蔚萱 韓楓 孟慶之 林啟敬 趙立波 蔣莊德

(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,西安 710049)

本文提出了新的基于圓環孔陣列超材料的鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測器,以提高0.1—1 THz 頻段太赫茲波探測性能.仿真分析了內外徑、周期、厚度等特征參數對圓環孔陣列超材料太赫茲波透射帶寬及透射率的定量影響關系,闡明了圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器的不同結合方式對探測器的帶寬及噪聲等效功率的作用機理;制備了兩種圓環孔陣列超材料鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測器;測試了圓環孔陣列超材料的透射特性和兩類熱釋電探測器的噪聲等效功率.結果表明,所制備的圓環孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段透射率大于40%,實現了帶通濾波.當圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器保持足夠間距時,在0.315 THz 點頻其噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,是帶通波段外0.1 THz 噪聲等效功率的6.3%,實現了帶通探測;當圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器貼合時,在0.315 THz 點頻其噪聲等效功率為4.64 μW/Hz0.5,是無圓環孔陣列超材料探測器噪聲等效功率的29.4 %,實現了窄帶探測.上述結論可用于生物成像、大分子探測等領域中特定太赫茲波段的帶通與窄帶探測.

1 引言

熱釋電太赫茲探測器具有體積小、價格低、寬頻帶響應、易陣列化等優勢[1-4],常被應用于生物成像[5]、大分子測量[6]、無損檢測[7]等領域.一般地,熱釋電太赫茲探測器主要由吸收層、上電極、介質層、下電極和絕熱層組成,其探測機理為吸收層將太赫茲波轉化為熱能,該熱能經由上電極傳導至介質層,從而產生熱釋電效應,實現電學量的讀出.吸收層熱吸收效率、上電極和絕熱層導熱效率是影響熱釋電探測器探測帶寬與靈敏度的重要因素[8-10].吸收層(如碳納米管、石墨烯等)主要用于吸收電磁波并轉化為熱能,可調控探測器的探測帶寬.現有熱釋電太赫茲探測器的吸收層對紅外和高頻太赫茲波吸收率高,但對低頻太赫茲波(＜1 THz)的吸收率較差[11,12].超材料是一種人工設計的周期陣列結構[13],可通過改變超材料的形狀、幾何尺寸及表面形貌等參量實現太赫茲波透射[14]、吸收[15]、衍射[16]、偏振[17]等電磁特性的調控.因此,將超材料引入熱釋電探測器來調控太赫茲波的吸收帶寬與吸收率,可進一步提升超材料熱釋電探測器的探測性能.

目前超材料熱釋電探測器的研究主要聚焦于探索超材料與探測器的結合方式,以提升太赫茲波吸收率或抑制環境噪聲,進而提高超材料探測器的探測性能.2016 年,Kuznetsov 等[18]將超薄方形窄帶超材料吸收器貼合在商用紅外熱釋電探測器上電極,實驗驗證了其對0.13—0.15 THz 太赫茲波的吸收增強.2019 年,Liu 等[19]將納米結構金屬膜涂在探測器吸收層上,通過抑制噪聲來提升信噪比,實現了熱釋電探測器在太赫茲波段的高靈敏探測.2020 年,Zhang 等[8]設計了十字形波長選擇紅外探測器,通過將十字陣列超材料沉積到熱釋電探測器上電極,實現了100 THz 紅外波的選擇探測.2022 年,Zhang 等[20]在鉭酸鋰單晶薄膜上沉積Au/SiO2/Au 超材料完美吸收體結構,制備了在80.3 THz 波長選擇探測的紅外熱釋電傳感器.從已發表的相關研究成果中可知[18,20-23],超材料熱釋電探測器的研究主要集中于紅外和深紅外波段,對0.1—1 THz 低頻太赫茲波段的研究較少,且結合方式主要為超材料與吸收層(或上電極)直接貼合,缺乏超材料與探測器之間作用機理的系統性闡述,難以精確調控太赫茲波探測帶寬與降低噪聲等效功率.

為精確調控探測帶寬與提升探測器性能,本文提出了兩種基于圓環孔陣列超材料的鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測器.采用高頻電磁仿真軟件明確了圓環孔陣列超材料的透射特性及其與熱釋電探測器不同結合方式下的探測性能影響關系;利用微納分體加工工藝,研制了基于圓環孔陣列超材料和鉭酸鋰熱釋電太赫茲探測器的兩種超材料熱釋電太赫茲探測器;在圓環孔陣列超材料不同結合方式下,測試了探測器在0.1 THz 和0.315 THz 點頻對應的噪聲等效功率,實現了圓環孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測器的帶通與窄帶探測.

2 實驗部分

2.1 理論分析

熱釋電太赫茲探測器的探測機理為吸收層將一定功率的太赫茲波吸收并轉化為熱能,該熱能經由金上電極傳導至介質層(由熱平衡方程描述),使介質層產生熱釋電效應(用熱釋電方程表征),并通過放大電路實現電壓讀出.當本底噪聲為VN時,通過熱平衡方程和熱釋電方程[24],可得到熱釋電太赫茲探測器的噪聲等效功率(noise equivalent power,NEP)如(1)式所示:

其中,α為探測器太赫茲波吸收率,GT為介質層熱導,ω為斬波頻率,τT為熱時間常數,p為熱釋電系數,K(ω) 為電路放大系數.

由(1)式可知太赫茲波吸收率α是影響探測器噪聲等效功率的重要因素.超材料是人工設計的周期性結構,可通過結構形狀和特征尺寸參數調控其在太赫茲波段的透射率β.將超材料引入熱釋電太赫茲探測器,超材料和吸收層的共同作用可調控超材料探測器對太赫茲波的吸收率α,并進一步改進探測器的性能.

當超材料與熱釋電太赫茲探測器保持足夠距離(＞100 倍入射波長)時,由于近電場作用距離限制,兩者之間不發生近電場耦合[25].太赫茲波先透過超材料,再經由熱釋電太赫茲探測器吸收轉化為熱能.可設計帶通濾波超材料,組合形成帶通超材料探測器.根據(1)式可得到帶通超材料探測器的NEP 為

其中,β為超材料的透射率,αCNTs為熱釋電太赫茲探測器碳納米管吸收層的吸收率.由(2)式可知,超材料的透射率β是影響帶通超材料探測器NEP的關鍵因素,可通過調控其透射帶寬與透射率來改善探測器的探測帶寬與NEP.

當超材料與熱釋電太赫茲探測器保持貼合時,超材料、碳納米管吸收層和金上電極可組成金屬-介質-金屬型窄帶太赫茲吸收器[26],使得超材料探測器對太赫茲波的吸收率變為α′,實現太赫茲波窄帶高效吸收,進而得到窄帶超材料探測器.根據(1)式可得到窄帶超材料探測器的NEP 為

由(3)式可知,窄帶超材料探測器對太赫茲波的吸收 率α′是決定其探測帶寬和NEP 的關鍵因素.

2.2 結構設計

為實現太赫茲波的帶通濾過,設計具有圓環孔陣列結構的超材料,如圖1 所示.圓環孔陣列在x與y平面的陣列周期相同,均為P=200 μm,陣列單元的內徑r=70 μm,外徑R=90 μm.選擇厚度T=170 μm 的光學石英作為基底,在此基底上蒸鍍金圓環孔陣列超材料.其中,金膜厚度t=200 nm,保證金膜厚度大于其太赫茲波趨膚深度[27].

圖1 圓環孔陣列超材料結構設計圖 (a) 俯視圖;(b) 左視圖Fig.1.Diagram of an Au ring hole array metamaterial structure: (a) Top view;(b) left view.

將圓環孔陣列超材料引入熱釋電太赫茲探測器,得到基于圓環孔陣列超材料的熱釋電太赫茲探測器.圖2(a)為保持一定距離的圓環孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測器.當兩者距離大于100 倍太赫茲入射波長時,圓環孔陣列超材料僅發揮自身的帶通濾波特性,形成帶通超材料探測器.圖2(b)為超材料貼合下的熱釋電太赫茲探測器,結構從上到下依次為: 金超材料結構、石英、碳納米管吸收層、金上電極、鉭酸鋰介質層、金下電極、氧化硅絕熱層和硅基底.其中,金超材料結構、石英、碳納米管吸收層和金上電極組成了窄帶太赫茲吸收器,可實現太赫茲波的窄帶耦合吸收,進而成為窄帶超材料探測器.

圖2 不同結合方式的圓環孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測器原理圖 (a) 帶通超材料探測器;(b) 窄帶超材料探測器Fig.2.Schematic diagram of ring hole array metamaterial pyroelectric terahertz detectors with different combinations: (a) Bandpass metamaterial detector;(b) narrowband metamaterial detector.

2.3 仿真計算

當圓環孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測器保持足夠距離時,由(2)式可知圓環孔陣列超材料的透射率是影響超材料探測器NEP 的重要因素,采用高頻電磁仿真軟件(high frequency structure simulator,HFSS)仿真其在垂直入射太赫茲波下的透射特性.金的電磁特性在太赫茲波段遵循Drude 模型,在仿真中采用完美電導體代替計算[24,28].在太赫茲波輻射下,圓環孔陣列超材料主要實現帶通濾波功能[29].仿真建立圓環孔內徑r、圓環孔外徑R、陣列周期P和石英基底厚度T對圓環孔陣列超材料透射性能的影響關系,優化上述特征參數以實現圓環孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波.

當圓環孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測器貼合時,由(3)式可知窄帶超材料探測器的吸收率是決定超材料探測器NEP 的重要因素,需要仿真研究窄帶超材料探測器在不同頻率下的吸收特性,計算得到吸收峰對應的窄帶頻點.本文采用的多壁碳納米管吸收層直徑為20—30 nm,長度為10—20 μm,厚度為1—2 μm.根據30°入射角下碳納米管薄膜吸收率實驗數據,并結合文獻設置碳納米管薄膜的電學參數(吸收層相對介電常數為20,相對磁導率為8,介電損耗正切為0.4),進一步仿真垂直入射太赫茲波下窄帶超材料探測器的吸收特性[30,31].

2.4 器件制備

圖3(a)所示為圓環孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測器的微機電系統(micro electro mechanical system,MEMS)制備工藝過程.在探測器加工過程中,光刻與旋涂、刻蝕等工藝存在相互干擾,本實驗中使用分體加工再鍵合的工藝進行超材料探測器的制備.具體工藝流程包括: 1)采用光刻、蒸鍍、剝離等工藝在170 μm 厚的石英基底上制備了200 nm 厚的圓環孔陣列超材料結構.2)在100 μm厚的鉭酸鋰介質層上下表面均蒸鍍200 nm 厚的金電極,并在上電極旋涂1.5 μm 厚的碳納米管吸收層,用以制備探測部件.3)在500 μm 厚的硅片上生長500 nm 厚的氧化硅膜,并在其表面蒸鍍200 nm 厚的金膜形成絕熱部件,且絕熱部件的尺寸比探測部件的邊緣大1 mm,便于下電極引線.4)將探測部件與絕熱部件鍵合,制備得到熱釋電太赫茲探測器.對圓環孔陣列超材料與熱釋電太赫茲探測器采用分離和貼合的兩種結合方式,分別制備帶通超材料探測器和窄帶超材料探測器,如圖3所示.

圖3 圓環孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測器的制備 (a)制備工藝流程圖;(b) 帶通超材料探測器;(c) 窄帶超材料探測器Fig.3.Fabrication of ring hole array metamaterial pyroelectric terahertz detector: (a) Fabrication process flow chart;(b) bandpass metamaterial detector;(c) narrowband metamaterial detector.

2.5 性能測試

如圖4(a)所示,采用太赫茲時域光譜儀(Advantest TAS7500 TS)測試圓環孔陣列超材料的透射率,并將測試結果與HFSS 仿真結果對比.采用太赫茲時域光譜儀測試30°入射角下的碳納米管薄膜吸收率,便于仿真計算中碳納米管電學參數的選擇.為降低斬波器對探測器噪聲電壓的干擾,搭建了反射式測試光路.如圖4(b)所示,0.1 THz和0.315 THz 商用太赫茲源發射太赫茲波信號,經由光闌、斬波器、離軸拋物面鏡到達待測探測器,由探測器響應并轉化為電信號輸出.在5 Hz 斬波頻率下,記錄熱釋電太赫茲探測器、帶通超材料探測器和窄帶超材料探測器的本底噪聲VN與響應電壓VR,計算探測器在不同頻點的噪聲等效功率.

圖4 實驗測試示意圖 (a) 太赫茲時域光譜儀Advantest TAS7500TS 實驗測量示意圖;(b) 頻域反射式測試光路示意圖Fig.4.Schematic diagram of test: (a) Experimental measurement of terahertz time-domain spectrometer Advantest TAS7500 TS;(b) frequency domain reflectometry test system.

3 結果與討論

3.1 圓環孔陣列超材料帶通濾波的影響研究

分別改變圓環孔陣列超材料的內徑r、外徑R、陣列周期P和基底厚度T,采用HFSS 仿真計算得到不同特征參數下圓環孔陣列超材料的透射特性,如圖5 所示.從圖5 可以發現,隨著內徑r增大,透射峰頻率逐漸紅移,且低頻段透射峰從雙峰透射變成三峰透射,因此內徑尺寸r可以顯著調節圓環孔陣列超材料的透射帶寬和透射峰頻率;隨外徑R增大,圓環孔陣列超材料透射率不斷增大,透射峰頻率輕微紅移,因此選擇更大的外徑更為合理;隨著陣列周期P增加,太赫茲波誘導激發出局域型表面等離子體對應的透射峰2 頻率在0.45 THz 保持不變,激發出傳播型表面等離子體對應的透射峰1 和3 頻率向透射峰2 移動,導致透射帶寬減小,實現了特定透射峰頻點下的帶寬調節[29].此外,透射峰頻率隨基底厚度T的增大改變不明顯,且透射波形未發生改變,因此基底厚度T僅可微調帶通濾波性能.為實現圓環孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波(尤其抑制0.25 THz 以下),且考慮超材料與吸收層、金上電極的耦合作用,本文設計圓環孔陣列超材料的特征參數為r=70 μm,R=90 μm,P=200 μm,T=170 μm.

圖5 不同特征參數下圓環孔陣列超材料HFSS 仿真透射曲線 (a) 內徑r;(b) 外徑R;(c) 周期P;(d) 基底厚度TFig.5.HFSS simulation transmission curve of ring hole array metamaterials under different characteristic parameters: (a) Inner diameter;(b) outer diameter;(c) period;(d) the thickness of the substrate.

3.2 基于圓環孔陣列超材料的熱釋電太赫茲探測器探測性能研究

3.2.1 帶通超材料探測器的探測性能研究

將圓環孔陣列超材料置于反射式測試光路中,保持其與熱釋電探測器間距為30 mm,進行帶通超材料探測器的性能測試.為明確帶通超材料探測器的探測機理,首先對圓環孔陣列超材料的帶通濾波特性進行研究,得到圓環孔陣列超材料的時域光譜透射率實驗結果和HFSS 仿真結果如圖6(a)所示.從仿真結果可知: 圓環孔陣列超材料在0.1 THz的透射率為16%,在0.25—0.65 THz 的透射率均大于50%,特別是0.45 THz 的透射率接近100%,實現了0.25—0.65 THz 的帶通濾波.從太赫茲時域光譜實驗測試結果可知: 圓環孔陣列超材料在0.1 THz 的透射率為3%,在0.25—0.65 THz 的透射率大于40%.與仿真結果相比,圓環孔陣列超材料的透射率有所下降,但帶通濾波特性仍然存在且頻段相同,可用于帶通超材料探測器.此外,引入的帶通濾波圓環孔陣列超材料可以減弱其他頻段電磁波的透過,降低碳納米管的熱吸收響應,進而減小探測器的噪聲電壓.

圖6 圓環孔陣列超材料的性能與表征 (a) 0.1—1.3 THz 波段HFSS 仿真與時域光譜實驗的透射率曲線;(b) 圓環孔陣列超材料光學顯微圖Fig.6.Test properties of the ring hole array metamaterial: (a) 0.1—1.3 THz transmission curve;(b) optical micrograph of the ring hole array metamaterial.

引入的圓環孔陣列超材料可選擇透過0.25—0.65 THz 頻段電磁波,透過的太赫茲波再經過碳納米管吸收層進行太赫茲波-熱能轉換,進而引起介質層的熱釋電效應產生電荷差.由(2)式可知,帶通超材料探測器對太赫茲波的吸收率可被認為是圓環孔陣列超材料的透射率與碳納米管吸收層吸收率的乘積,由于碳納米管吸收層在0.1—1 THz的電磁波均為寬帶寬吸收,即可通過圓環孔陣列超材料的結構設計實現超材料探測器特定頻段帶通探測.

為了驗證超材料探測器的帶通探測特性,選擇帶通波段外的0.1 THz 和帶通波段內的0.315 THz點頻進行帶通超材料探測器性能測試.采用中國計量院標定后的高萊探測器在原位測量入射功率,并通過入射功率計算待測超材料熱釋電太赫茲探測器在0.1 THz 和0.315 THz 點頻的噪聲率,計算公式如下:

其中,Rv為待測探測器電壓響應度,VR為待測探測器響應電壓,Se為待測探測器有效面積,P1為高萊探測器測試功率,S0為高萊探測器有效面積,VN為待測探測器噪聲電壓,Bs為鎖相放大器3 dB帶寬.

通過高萊探測器得到探測器入射功率P1=2.22 mW,高萊盒有效面積S0=95.03 mm2,待測探測器有效面積為直徑8 mm 的圓,即Se=50.27 mm2,鎖相放大器3 dB 帶寬Bs=1 Hz.由圖4(b)頻域反射式光路實驗測試與(5)式NEP理論計算,得熱釋電太赫茲探測器和帶通超材料探測器在0.1 THz 和0.315 THz 的探測性能對比(表1).從表1 可知,引入的圓環孔陣列超材料抑制了其他波段電磁波透過,使得探測器的噪聲電壓大約下降為原來的三分之一,在響應不變的前提下可提升約三倍信噪比.與無超材料熱釋電太赫茲探測器相比,帶通超材料探測器在0.1 THz 的響應電壓降為6.2 μV,為前者的2.8%,在0.315 THz 的響應電壓降為110.3 μV,為前者的50.1%,電壓下降比例與圖6(a)的圓環孔陣列超材料實驗測試透射曲線中0.1 THz 和0.315 THz 頻點透射率基本一致,實現了帶通濾波效果.圓環孔陣列超材料帶通濾波作用下,帶通超材料探測器在0.1 THz 帶阻頻點的噪聲等效功率為179.94 μW/Hz0.5,為無超材料熱釋電太赫茲探測器的11.1 倍,隔絕了0.1 THz頻點的探測;在0.315 THz 帶通頻點的噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,較無超材料熱釋電太赫茲探測器下降了28.5%,探測率有所提升.0.25—0.65 THz頻段帶通超材料探測器在帶通波段外0.1 THz 的噪聲等效功率為帶通波段內0.315 THz 的15.9 倍(抑制比大于10 倍),實現了帶通探測.

表1 熱釋電太赫茲探測器和帶通超材料探測器在0.1 THz 和0.315 THz 頻率下性能對比Table 1.Performance comparison of the pyroelectric terahertz detector and the bandpass metamaterial detector at frequencies of 0.1 THz and 0.315 THz.

3.2.2 窄帶超材料探測器探測性能研究

對太赫茲波的吸收特性是決定探測器探測性能的重要因素.為進一步闡述圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器的不同結合方式對太赫茲波探測帶寬及噪聲等效功率的影響機理,進行窄帶超材料探測器吸收特性研究.由HFSS 軟件仿真和太赫茲時域光譜實驗,得到窄帶超材料探測器與碳納米管吸收層吸收率曲線,如圖7(a)所示.從圖7(a)可以發現,碳納米管吸收層對太赫茲波的吸收率隨其頻率的增大而增大,與文獻[30,31]結論一致,且窄帶超材料探測器在0.32 THz,0.52 THz,0.68 THz,0.86 THz 和1.14 THz 時形成了高吸收率的窄帶太赫茲波吸收峰.與碳納米管吸收層相比,窄帶超材料探測器在特定頻率的太赫茲波實現了數倍甚至數十倍的吸收增強,顯著提升了特定太赫茲頻率的信號探測靈敏度.在器件中的金上電極不僅可以傳導介質層電荷,又作為吸收器底層金屬板與金圓環孔陣列超材料結構感應產生的電偶極子共振實現相互耦合,組成了圓環孔陣列(金)-石英/碳納米管(介質)-上電極(金)新型窄帶太赫茲吸收器,如圖7(b)所示.為進一步探究窄帶太赫茲吸收器的作用機理,仿真石英厚度為125—250 μm 的圓環孔陣列窄帶太赫茲吸收器,如圖7(c)所示.從圖7(d)可以看出,隨著石英厚度的增大,存在2 種類型的吸收峰: 移動頻率吸收峰(峰1、峰2),對應頻率隨著基底厚度增大出現紅移(頻率下降),主要受介質層干涉理論影響;固定頻率吸收峰(峰3),對應頻率不隨基底厚度增大而變化,主要受圓環孔陣列超材料特征參數影響.

圖7 窄帶超材料探測器和碳納米管吸收特性 (a) 窄帶超材料探測器與碳納米管吸收層的吸收率曲線;(b) 窄帶太赫茲吸收器原理圖;(c) 125—250 μm 石英厚度下的窄帶太赫茲吸收器吸收特性;(d) 吸收峰頻率隨石英厚度的變化規律Fig.7.Narrowband terahertz detector and carbon nanotube absorption properties: (a) Absorption curve of narrowband terahertz detector and carbon nanotube absorber;(b) schematic of the Narrowband terahertz absorber;(c) absorption characteristics of narrowband metamaterial absorber at 125—250 μm quartz thickness;(d) variation of absorption peak frequency with quartz thickness.

將圓環孔陣列超材料與碳納米管吸收層緊密貼合并置于反射式測試光路,進行窄帶超材料探測器的性能測試.采用與表1 同樣的測試方法和計算過程,得到熱釋電太赫茲探測器和窄帶超材料探測器在0.1 THz 和0.315 THz 的探測性能對比(表2).窄帶超材料探測器噪聲電壓大約下降為原來的三分之一,說明圓環孔陣列超材料探測器反射了其他波段電磁波,降低了入射信號的噪聲.與無超材料熱釋電太赫茲探測器相比,窄帶超材料探測器在0.1 THz 的響應電壓下降了78%,在0.315 THz 提升了18.5%,與圓環孔陣列超材料在對應點頻的透射率完全不同.該結果與圖7(a)的窄帶超材料探測器吸收曲線相似,即在0.1 THz 的吸收率較低,在0.315 THz 的吸收率大于碳納米管吸收層,這是由窄帶太赫茲吸收器對太赫茲波的窄帶吸收增強導致的.圓環孔陣列超材料貼合熱釋電太赫茲探測器實現窄帶吸收作用下,窄帶超材料探測器在0.315 THz吸收頻點的噪聲等效功率為4.64 μW/Hz0.5,較無超材料熱釋電太赫茲探測器下降了70.6%,探測性能提升了3.5 倍,實現了窄帶高效探測.

表2 熱釋電太赫茲探測器和窄帶超材料探測器在0.1 THz 和0.315 THz 頻率下性能對比Table 2.Performance comparison of the pyroelectric terahertz detector and the narrowband metamaterial detector at frequencies of 0.1 THz and 0.315 THz.

4 結論

本文對新型圓環孔陣列超材料熱釋電太赫茲探測器進行了仿真、制備與性能測試.HFSS 仿真分析結果顯示,隨著內徑增大,太赫茲波的透射峰頻率和透射帶寬均減小;陣列周期增加時,其透射帶寬減小,透射峰頻率不變;內徑70 μm、外徑90 μm、陣列周期200 μm 和基底厚度170 μm 的圓環孔陣列超材料可實現0.25—0.65 THz 頻段的帶通濾波,透射率超過50%.調節圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器的結合方式,基于微納工藝制備了兩種超材料熱釋電探測器,進行時域光譜系統與頻域光學系統測試.測試結果表明,圓環孔陣列超材料在0.25—0.65 THz 頻段的透射率大于40%,與仿真結果基本一致;當圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器保持足夠間距時,圓環孔陣列超材料對太赫茲波實現帶通濾波,濾波后的太赫茲波被碳納米管吸收層吸收,超材料探測器在0.315 THz 時的噪聲等效功率為11.29 μW/Hz0.5,為帶通波段外0.1 THz 的6.3%,探測率比值與對應頻點圓環孔陣列超材料透射率比值一致,實現了帶通探測;當圓環孔陣列超材料與熱釋電探測器貼合時,圓環孔陣列超材料與碳納米管吸收層、金上電極組成了窄帶太赫茲吸收器,其在0.32 THz,0.52 THz 等頻點的太赫茲波吸收率顯著提升,進而使得新型圓環孔陣列超材料熱釋電探測器在0.315 THz 的噪聲等效功率較原探測器從15.80 μW/Hz0.5降低到了4.64 μW/Hz0.5,實現了窄帶高效探測.此研究通過調整圓環孔陣列超材料特征參數及其與熱釋電探測器的結合方式,實現了高靈敏度帶通和窄帶探測,可應用于生物成像、大分子識別等領域的太赫茲信號探測.