研究背景
在第五代（5G）技術的基礎上，第六代（6G）網絡的發展正推動無線通信技術邁向更高的數據吞吐量和更低的延遲。6G網絡預計將在太赫茲（THz）頻段運行，這為實現超高速通信和精確傳感提供了巨大潛力。然而，太赫茲傳感技術在實際應用中面臨一系列挑戰，尤其是傳統太赫茲傳感器在頻率選擇性方面的不足，這限制了它們在6G網絡中的有效應用。具體來說，這些傳感器常常受到高噪聲、低響應度和低頻譜效率的限制，這些問題使得它們難以準確檢測和區分太赫茲波段內的信號。此外，現有的頻率選擇性檢測技術往往缺乏設計靈活性，且在大批量制造微米級結構時面臨成本高和可擴展性不足的挑戰。為了克服這些問題，本研究提出了一種新型的太赫茲傳感器，該傳感器利用3D打印技術和拓撲材料MoTe2的特性，通過磁場增強來提升頻率選擇性檢測的性能，旨在為6G通信技術提供一種高靈敏度、高效率的太赫茲傳感解決方案。
文章概述
近日由聊城大學宋琦副教授，深圳大學張敏副教授，南京大學陸延青教授、陳偉研究員聯合科研團隊提出了一種通過3D打印技術和磁場增強的頻率選擇性太赫茲傳感器。該傳感器采用Au增強的MoTe2活性層，實現了在0.145 mT磁場下0.1 THz頻率的顯著性能提升。傳感器在0.1 THz頻率下光學響應率提高了413.23%，噪聲等效功率降低了80.51%，探測率達到3.30 × 1010cm·Hz1/2·W-1，顯示出在6G通信技術中的潛在應用價值。
圖文導讀
三維微結構亞波長陣列（螺旋階梯）的基礎上利用外加磁場和光場提升器件的響應時間。螺旋階梯的加工參數如圖1所示，設計了四個不同高度的螺旋階梯，實現對不同頻率太赫茲波的響應。從圖1的模擬結果可以明顯看出，不同階梯對于頻率為0.28 THz的太赫茲波的表面電場束縛程度不同。這一模擬結果也說明了器件具有分頻率探測的特性。圖2中顯示了3D微結構打印的加工效果，從圖中可以看出，微結構加工的精度較高，成型效果較好，這種加工方案對于制備可重復性高、具有一定工業化加工前景的大面積太赫茲波器件具有明顯的優勢。
圖1.螺旋階梯設計參數示意圖、單元結構電鏡圖及0.28 THz下表面電場分布
圖2.面投影微立體技術加工的三維螺旋階梯微結構陣列CCD圖
圖3.器件在不同外場作用下的響應時間結果
圖3顯示了器件在不同外場作用下的響應時間結果，由于器件是三維結構，在與入射太赫茲波垂直的z方向上具有一定的高度，因此，載流子傳輸過程一定會比平面內的二維結構更長，實驗結果表明，在未施加任何外場的情況下，器件的響應時間長達2.8 s左右，這樣的響應時間對于器件來說沒有應用價值，即便器件的有效面積為20 mm×10 mm。為了解決響應時間長的問題，提出外加磁場或者光場提升器件中載流子的遷移效率，從而提升器件的響應時間。針對這一假設，我們進行了可行性分析的驗證實驗，在施加0.145 mT的磁場之后，器件的響應時間提升至90 ms，在入射532 mn的80 mW的激光之后，器件的響應時間提升至82 ms，當磁場和光場同時施加之后，器件的響應時間進一步減小達到了70 ms左右，由此可見響應時間比無外場時提升了兩個數量級，ms量級的響應時間對于厘米級有效面積的器件來說具有一定的實用價值。
結論
團隊成功開發了一種新型6G太赫茲傳感器，該傳感器采用3D打印的微螺旋階梯陣列結構，并集成了MoTe2活性層，能夠在0.145 mT的磁場下顯著提升光響應度和降低噪聲等效功率，實現高探測率。這種傳感器不僅增強了太赫茲波的頻率選擇性，還提高了對低能量太赫茲光子的感測能力。該研究展示了該傳感器在6G技術中管理超高數據量、實現高精度定位和高分辨率傳感的潛力。其應用預計將顯著提升通信與傳感性能，未來可為構建更加互聯、高效響應的互聯網基礎設施提供技術支持。
期刊簡介
Advanced Optical Materials是一個國際性的、跨學科的論壇，針對材料科學的同行評審論文，重點關注光-物質相互作用的各個方面。致力于光子學、等離子體、超材料等領域的突破性發現和基礎研究。
