面向6G技術(shù)的高靈敏度多功能太赫茲傳感器，在超高速低時延空間通信、人工智能、智慧城市的通感一體化平臺等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，展現(xiàn)出其重要性和日益增長的市場需求。開展具有可調(diào)控增益的高效多頻探測技術(shù)，不僅對提升6G頻譜效率具有重要科學(xué)意義，同時也為智慧城市的建設(shè)提供了強大的技術(shù)支撐，推動城市向更智能、更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。在此背景下，如何實現(xiàn)室溫下對太赫茲的頻率選擇性探測已經(jīng)成為6G傳感的關(guān)鍵技術(shù)和前沿研究熱點之一。然而，受到材料特性和器件加工成本的限制，高精度、低成本、可調(diào)控的太赫茲功能器件已然成為目前迫切需要解決的問題。

近期，聊城大學(xué)的張丙元教授、宋琦副教授團隊聯(lián)合深圳大學(xué)張敏副教授、彭忠澤設(shè)計了一種水滴型微米芯片覆蓋磁性外爾半金屬和磁性拓撲絕緣體復(fù)合薄膜的太赫茲波傳感器，并實現(xiàn)了外加微弱磁場增強其傳感性能，并通過THz-TDS驗證了其頻率選擇性探測能力。

該團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)，借助nanoArch® S130（精度：2μm)實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)陣列的低成本高精度制備，并在器件上制備高質(zhì)量磁性外爾半金屬和磁性拓撲絕緣體復(fù)合薄膜，獲得具有高靈敏度、低等效噪聲功率和頻率選擇性探測的太赫茲波傳感器。實驗結(jié)果表明，該探測器的響應(yīng)度高達2522 MV/W，靈敏度達到2.11 pW/Hz0.5，響應(yīng)時間僅為1.8 ns。該器件所展現(xiàn)的功能和性能，為6G探測器的研究提供了新的思路，有望在未來的通信技術(shù)中取得廣泛發(fā)展。

相關(guān)成果以“Magnet-Enhanced Droplet-Shaped Frequency-Selective Terahertz Detectors for 6G Technologies"為題發(fā)表在《IEEE SENSORS JOURNAL》期刊上,第一作者為深圳大學(xué)研究生彭忠澤。

本文提出一種室溫下面向6G的水滴型分頻率太赫茲探測器，在實驗中證明了可利用特征頻率相關(guān)的結(jié)構(gòu)化尺寸來實現(xiàn)分頻率探測的功能，實現(xiàn)了多個特征頻率的探測能力。探測器還結(jié)合磁性外爾半金屬Co3Sn2S2、磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4和Au納米膜三層納米膜結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真得到的最佳局域表面等離激元的局域場增強頻率和THz-TDS實驗驗證了0.1 THz高貢獻率頻率點，為進一步在6G通信中分頻率探測芯片的發(fā)展提供了方向，這種具有高響應(yīng)、高靈敏度、快速響應(yīng)的磁增強6G探測器能夠促進6G技術(shù)的發(fā)展。

從圖2中可知，特征頻率表現(xiàn)出特殊的響應(yīng)（0.1 THz，0.14 THz，0.22 THz，0.28 THz）。與非特征頻率相比，選定的特征頻率在整個峰寬范圍內(nèi)顯示出更大的貢獻。具體來說，0.1 THz的特征頻率的貢獻遠高于其他頻率。這一結(jié)果與團隊對電場強度的模擬結(jié)果是一致的，表明器件在0.1 THz時具有最佳的場局域效應(yīng)，顯著增強太赫茲波與表面活性層之間的光學(xué)響應(yīng)。每個特征頻率的貢獻在0.2 THz左右達到峰值，這在一定程度上影響了0.22 THz特征頻率的貢獻，解釋了為什么它的貢獻不如預(yù)期那么顯著。

器件的表面電場強度模擬結(jié)果也從側(cè)面反映了其各個特征頻率下場聚集效果。根據(jù)模擬場強圖3 (a,b)可知，含有貴金屬納米薄膜的特征結(jié)構(gòu)在特定的太赫茲頻率下激發(fā)時，可以誘發(fā)局域表面等離子體(LSP)效應(yīng)，導(dǎo)致特征結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)明顯的局域場增強。模擬圖像顯示，在0.1 THz處場增強明顯。基于局域表面等離子體耦合理論，該結(jié)構(gòu)為增強太赫茲波與探測器中Co3Sn2S2和MnBi2Te4納米薄膜相互作用提供了基礎(chǔ)。模擬還模擬了具有不同程度銳化的單元，如圖3所示，與具有銳化結(jié)構(gòu)的單元相比，邊緣更光滑的單元在局域場增強效應(yīng)中表現(xiàn)出較低的聚集程度。圖3（b）為具有尖銳結(jié)構(gòu)的單元中出現(xiàn)尖聚集效應(yīng)，可以實現(xiàn)更高的表面增強靈敏度，從而改善探測器表面薄膜結(jié)構(gòu)與太赫茲波的相互作用，提高探測效率。

為了驗證探測器在0.1 THz下各項性能參數(shù)，研究團隊采用微電流鎢鋼探針平臺測量了探測器的伏安特性，圖4 （a）中亮電流(I-V)曲線顯示了探測器良好的歐姆特性，團隊在0-100 V偏置電壓下測量了探測器在各項外場下的光響應(yīng)。100 V偏置電壓時，磁場為0.0725和0.145 mT的Rv分別為2522 MV/W和2209 MV/W,相較于無外場的Rv提升了521 MV/W (26.04%)和208 MV/W (10.39%)。探測器的靈敏度也受到磁場的影響在100 V時低至2.11 pW/Hz0.5 (0.145mT)和2.35pW/Hz0.5 (0.0725mT)，探測率分別增長了17.2% (0.145mt)和7% (0.0725mt)。器件的各項性能在外加磁場下均展現(xiàn)出了增益效果，與參照數(shù)據(jù)相比，受到磁場增益的磁性外爾半金屬和磁性拓撲絕緣在具有局域增強的結(jié)構(gòu)上展現(xiàn)了可觀的進步。

本文的創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面：

本文的創(chuàng)新點包括兩個方面:利用面投影微立體光刻技術(shù)制備的亞波長微結(jié)構(gòu)可以有效降低成本，并具有很高的精度。通過磁控濺射制備的三層薄膜，不僅提高了磁場下太赫茲探測器件的性能，還在實際應(yīng)用中具有重要意義。具有特征尺寸的水滴型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對特征頻率的高貢獻響應(yīng)，這為亞波長微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對太赫茲波頻率選擇性探測提供了可行方案。在磁場作用下，0.1 THz太赫茲傳感器的性能得到顯著提高，響應(yīng)率為2522 MV/W，噪聲等效功率為2.11 pW/Hz0.5，響應(yīng)時間低至1.8 ns。本研究不僅為研究場增強型太赫茲傳感器提供了新的思路，而且加速了6G集成傳感與通信技術(shù)的發(fā)展。

總體而言，這項研究為高性能可調(diào)控薄膜結(jié)合亞波長微結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)頻率選擇性探測技術(shù)提供了新的思路，特別是在6G通信技術(shù)中提升頻譜效率的潛在應(yīng)用。最為重要的是，面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)結(jié)合磁控濺射是一項具有成本效益的高效率加工方法，對6G功能器件的研究和發(fā)展起到了積極的推動作用。