聊城大学/深圳大学/南京大学，三强联手——太赫兹传感领域再添利器！Advanced Optical Materials

半导体

2025-03-14

研究背景

在第五代（5G）技术的基础上，第六代（6G）网络的发展正推动无线通信技术迈向更高的数据吞吐量和更低的延迟。6G网络预计将在太赫兹（THz）频段运行，这为实现超高速通信和精确传感提供了巨大潜力。然而，太赫兹传感技术在实际应用中面临一系列挑战，尤其是传统太赫兹传感器在频率选择性方面的不足，这限制了它们在6G网络中的有效应用。具体来说，这些传感器常常受到高噪声、低响应度和低频谱效率的限制，这些问题使得它们难以准确检测和区分太赫兹波段内的信号。此外，现有的频率选择性检测技术往往缺乏设计灵活性，且在大批量制造微米级结构时面临成本高和可扩展性不足的挑战。为了克服这些问题，本研究提出了一种新型的太赫兹传感器，该传感器利用3D打印技术和拓扑材料MoTe₂的特性，通过磁场增强来提升频率选择性检测的性能，旨在为6G通信技术提供一种高灵敏度、高效率的太赫兹传感解决方案。

文章概述

近日由聊城大学宋琦副教授，深圳大学张敏副教授，南京大学陆延青教授、陈伟研究员联合科研团队提出了一种通过3D打印技术和磁场增强的频率选择性太赫兹传感器。该传感器采用Au增强的MoTe₂活性层，实现了在0.145 mT磁场下0.1 THz频率的显著性能提升。传感器在0.1 THz频率下光学响应率提高了413.23%，噪声等效功率降低了80.51%，探测率达到3.30 × 10¹⁰cm·Hz^1/2·W^-1，显示出在6G通信技术中的潜在应用价值。

图文导读

三维微结构亚波长阵列（螺旋阶梯）的基础上利用外加磁场和光场提升器件的响应时间。螺旋阶梯的加工参数如图1所示，设计了四个不同高度的螺旋阶梯，实现对不同频率太赫兹波的响应。从图1的模拟结果可以明显看出，不同阶梯对于频率为0.28 THz的太赫兹波的表面电场束缚程度不同。这一模拟结果也说明了器件具有分频率探测的特性。图2中显示了3D微结构打印的加工效果，从图中可以看出，微结构加工的精度较高，成型效果较好，这种加工方案对于制备可重复性高、具有一定工业化加工前景的大面积太赫兹波器件具有明显的优势。

图1.螺旋阶梯设计参数示意图、单元结构电镜图及0.28 THz下表面电场分布

图2.面投影微立体技术加工的三维螺旋阶梯微结构阵列CCD图

图3.器件在不同外场作用下的响应时间结果

图3显示了器件在不同外场作用下的响应时间结果，由于器件是三维结构，在与入射太赫兹波垂直的z方向上具有一定的高度，因此，载流子传输过程一定会比平面内的二维结构更长，实验结果表明，在未施加任何外场的情况下，器件的响应时间长达2.8 s左右，这样的响应时间对于器件来说没有应用价值，即便器件的有效面积为20 mm×10 mm。为了解决响应时间长的问题，提出外加磁场或者光场提升器件中载流子的迁移效率，从而提升器件的响应时间。针对这一假设，我们进行了可行性分析的验证实验，在施加0.145 mT的磁场之后，器件的响应时间提升至90 ms，在入射532 mn的80 mW的激光之后，器件的响应时间提升至82 ms，当磁场和光场同时施加之后，器件的响应时间进一步减小达到了70 ms左右，由此可见响应时间比无外场时提升了两个数量级，ms量级的响应时间对于厘米级有效面积的器件来说具有一定的实用价值。

结论

团队成功开发了一种新型6G太赫兹传感器，该传感器采用3D打印的微螺旋阶梯阵列结构，并集成了MoTe₂活性层，能够在0.145 mT的磁场下显著提升光响应度和降低噪声等效功率，实现高探测率。这种传感器不仅增强了太赫兹波的频率选择性，还提高了对低能量太赫兹光子的感测能力。该研究展示了该传感器在6G技术中管理超高数据量、实现高精度定位和高分辨率传感的潜力。其应用预计将显著提升通信与传感性能，未来可为构建更加互联、高效响应的互联网基础设施提供技术支持。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。