DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36617-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673113
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Maira Khafagy وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات المواد الميتامادية والأسطح الميتامادية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مستشعرًا جديدًا لمؤشر الانكسار البلازمي باستخدام بنية ميتا السطح المعدنية-العازلة-العازلة-المعدنية (MDDM)، مصممة خصيصًا للعمل في منطقة التيراهيرتز (THz). يتميز المستشعر بنمط كسري قائم على الجرافين مدمج مع طبقة عازلة، وركيزة سيليكون، وقاعدة من الألمنيوم، باستخدام مواد متاحة بسهولة. يسهل هذا التصميم متعدد الطبقات الرنينات البلازمونية القوية والامتصاص المعزز، محققًا حساسية لمؤشر الانكسار ثلاثية النطاقات تبلغ 10 ميكرومتر/RIU، 3 ميكرومتر/RIU، و2.75 ميكرومتر/RIU عبر ثلاثة أوضاع رنين متميزة: وضع ثنائي القطب عند حوالي 7.69 THz، وضع رباعي القطب بالقرب من 25.4 THz، ووضع مختلط من الدرجة الأعلى حول 30.2 THz. يحسن التكوين الثنائي العازل بشكل كبير من توطين المجال وينتج “نقاط ساخنة” كهرومغناطيسية موضعية شديدة، مما يعزز الاستجابة الطيفية للمستشعر.
تؤكد النتائج على الأداء القوي والقابل للتعديل للمستشعر تحت ظروف بيئية متغيرة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات العملية في التشخيصات الطبية الحيوية، واستشعار الغاز، ومراقبة الجلوكوز. تبرز القدرة على اكتشاف عدة مواد تحليلية في وقت واحد أو توسيع نطاق الاستشعار من خلال الأوضاع الرنانة المختلفة الإمكانات الكبيرة للميتا السطوح البلازمونية في تقدم تقنيات استشعار مؤشر الانكسار.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة لاشتقاق موصلية سطح الجرافين من خلال صيغة كوبا، التي تشمل كل من المساهمات داخل النطاق وبين النطاق. يتم التعبير عن الموصلية السطحية، التي يشار إليها بـ $\sigma(\omega)$، كمجموع لمكونات داخل النطاق $\sigma_{\text{intra}}(\omega)$ وبين النطاق $\sigma_{\text{inter}}(\omega)$. بالنسبة لترددات التيراهيرتز (THz) المنخفضة، تكون الانتقالات بين النطاقات وإصدارات الفونونات الضوئية غير ملحوظة، خاصة عندما يتجاوز مستوى فيرمي ($E_F$) الطاقة الحرارية ($k_B T$). تحت هذه الظروف، يتم استخدام نموذج درود داخل النطاق لتقريب الموصلية، مما يؤدي إلى التعبير $\sigma(\omega) = \frac{e^2}{\pi \hbar^2} \frac{i \omega}{i/\tau}$، حيث تمثل $\tau$ زمن الاسترخاء المتأثر بتشتت الحاملات.
تستكشف الدراسة أيضًا توليد البلازمونات السطحية، التي تتطلب جزءًا حقيقيًا سالبًا من السماحية ($\text{Re}(\epsilon)$) لتقييد المجال الكهرومغناطيسي بشكل فعال. تشير النتائج إلى أنه مع زيادة الطول الموجي في نظام THz، يصبح $\text{Re}(\epsilon)$ سالبًا بشكل متزايد، مما يؤكد قدرة الجرافين على دعم الإثارات البلازمونية. التوازن بين $\text{Re}(\epsilon)$ السالب والجزء التخيلي ($\text{Im}(\epsilon)$)، الذي يتعلق بخسائر الامتصاص، أمر حاسم لتحسين انتشار البلازما وأداء المستشعر. يدمج تصميم المستشعر المقترح، المسمى MDDM، طبقة عازلة من نيتريد السيليكون (Si₃N₄) ومستوى أرضي معدني لتعزيز سلوك الرنين، وتقييد المجال، والحساسية، مما يسهل في النهاية تطبيقات الكشف الحيوي متعددة النطاقات عالية الأداء.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج مستشعرهم المحسن للكشف الحيوي، الذي يظهر حساسية كبيرة للتغيرات في مؤشر الانكسار (RI) تتراوح من 1.0 إلى 1.3. يظهر المستشعر ثلاثة قمم رنينية متميزة، حيث تحقق القمة الرئيسية حساسية تبلغ 10 ميكرومتر/RIU، بينما تظهر القمم الثانوية حساسية تبلغ 3 ميكرومتر/RIU و2.75 ميكرومتر/RIU. تعزز هذه الخاصية متعددة الرنين دقة الكشف وتسمح بمراقبة متعددة الاستخدامات للتفاعلات الجزيئية الحيوية، مما يجعل المستشعر مناسبًا بشكل خاص لتطبيقات الكشف بدون علامات.
تكشف التحليلات الإضافية عن علاقة خطية بين تحولات التردد ($\Delta f$) وتغيرات مؤشر الانكسار ($\Delta n$) عبر الأوضاع الرنانة الثلاثة، مما يؤكد قدرة المستشعر الموثوقة على الكشف. قيم العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) للأوضاع هي 0.9 THz، 1.6 THz، و0.1 THz، مما يتوافق مع عوامل الجودة (Q-factors) تبلغ 7.66، 15.88، و302، على التوالي. القيم المعيارية (FOMs) المحسوبة لهذه الأوضاع هي 11.11 RIU$^{-1}$، 1.875 RIU$^{-1}$، و27.50 RIU$^{-1}$. تشير هذه النتائج إلى أن الحساسية العالية للمستشعر تنبع من رنيناته الضيقة وعالية الجودة، مما يضعه كمنصة تنافسية للتشخيصات الطبية الحيوية في الوقت الحقيقي وعالية الدقة مقارنةً بالتصاميم المبلغ عنها سابقًا.
نقاش
يتميز المستشعر الحيوي المقترح بهيكل مزدوج من حلقات نانوية متعددة الطبقات يتكون من مصفوفات دورية من شرائط حلقات نانوية من الجرافين على ركيزة معدنية-عازلة-معدنية (MDM). يتضمن التصميم طبقة عازلة بمؤشر انكسار (RI) يبلغ 2، وطبقة سيليكون (Si) متوسطة، وركيزة من الألمنيوم (Al). تعزز طبقة السيليكون حصر الضوء وتوطين المجال، مما يحسن الاستجابة الضوئية بشكل كبير. تكوين الهيكل، بما في ذلك نواة سداسية مركزية محاطة بحلقات نانوية متحدة المركز، يحسن الاستجابة البلازمونية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في كاشفات الضوء والمستشعرات الضوئية. تكشف النمذجة العددية باستخدام تقنية فرق الزمن المحدد (FDTD) عن الاستجابة الطيفية للمستشعر، مع تقييم مقاييس الأداء الرئيسية مثل الحساسية، وعامل الجودة (Q-factor)، والقيمة المعيارية (FOM).
تستكشف الدراسة أيضًا تأثير التكوينات الهندسية المختلفة لطبقة الجرافين على أداء المستشعر. تم تحليل ثلاثة هياكل متميزة، مع دمج التصميم النهائي لرقع دائرية إضافية لتعزيز حصر المجال وخصائص الامتصاص. تشير النتائج إلى أن الهيكل المحسن يحقق قمم امتصاص متفوقة، مما يدل على تعزيز تفاعل الضوء مع المادة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر اختيار مادة الركيزة، وخاصة استخدام الألمنيوم منخفض التكلفة، والإدماج الاستراتيجي لطبقة السيليكون بشكل كبير على أداء المستشعر من خلال تحسين معالجة الموجات الكهرومغناطيسية وكفاءة الامتصاص. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تحسين الهيكل واختيار المواد في تطوير مستشعرات حيوية فعالة في نطاق التيراهيرتز.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36617-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673113
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Maira Khafagy et al.
Primary Topic: Metamaterials and Metasurfaces Applications
Overview
This research introduces a novel plasmonic refractive index sensor utilizing a metal-dielectric-dielectric-metal (MDDM) metasurface architecture, specifically designed for operation in the Terahertz (THz) region. The sensor features a graphene-based fractal pattern integrated with a dielectric layer, silicon substrate, and aluminum base, employing readily available materials. This multilayer design facilitates strong plasmonic resonances and enhanced absorption, achieving triple-band refractive index sensitivities of 10 μm/RIU, 3 μm/RIU, and 2.75 μm/RIU across three distinct resonance modes: a dipolar mode at approximately 7.69 THz, a quadrupolar mode near 25.4 THz, and a hybridized higher-order mode around 30.2 THz. The dual-dielectric configuration significantly improves field localization and generates intense localized electromagnetic “hot spots,” which amplify the sensor’s spectral response.
The findings underscore the sensor’s robust and tunable performance under varying environmental conditions, making it suitable for practical applications in biomedical diagnostics, gas sensing, and glucose monitoring. The ability to detect multiple analytes simultaneously or extend the sensing range through the various resonant modes highlights the significant potential of THz plasmonic metasurfaces in advancing refractive index sensing technologies.
Methods
In this section, the authors detail the methods used to derive graphene’s surface conductivity through the Kubo formula, which incorporates both intraband and interband contributions. The surface conductivity, denoted as $\sigma(\omega)$, is expressed as the sum of intraband $\sigma_{\text{intra}}(\omega)$ and interband $\sigma_{\text{inter}}(\omega)$ components. For lower terahertz (THz) frequencies, interband transitions and optical phonon emissions are negligible, particularly when the Fermi level ($E_F$) exceeds thermal energy ($k_B T$). Under these conditions, the intraband Drude model is employed to approximate conductivity, leading to the expression $\sigma(\omega) = \frac{e^2}{\pi \hbar^2} \frac{i \omega}{i/\tau}$, where $\tau$ represents the relaxation time influenced by carrier scattering.
The study also explores the generation of surface plasmons, which necessitate a negative real part of the permittivity ($\text{Re}(\epsilon)$) for effective electromagnetic field confinement. The findings indicate that as the wavelength increases in the THz regime, $\text{Re}(\epsilon)$ becomes increasingly negative, confirming graphene’s capability to support plasmonic excitations. The balance between the negative $\text{Re}(\epsilon)$ and the imaginary part ($\text{Im}(\epsilon)$), which relates to absorption losses, is crucial for optimizing plasmon propagation and sensor performance. The proposed sensor design, termed MDDM, integrates a dielectric layer of silicon nitride (Si₃N₄) and a metallic ground plane to enhance resonance behavior, field confinement, and sensitivity, ultimately facilitating high-performance multi-band biosensing applications.
Results
In this section, the authors present the results of their optimized biosensing sensor, which demonstrates significant sensitivity to changes in refractive index (RI) ranging from 1.0 to 1.3. The sensor exhibits three distinct resonant peaks, with the primary peak achieving a sensitivity of 10 μm/RIU, while the secondary peaks show sensitivities of 3 μm/RIU and 2.75 μm/RIU. This multi-resonance characteristic enhances detection accuracy and allows for versatile monitoring of biomolecular interactions, making the sensor particularly suitable for label-free detection applications.
Further analysis reveals a linear correlation between frequency shifts ($\Delta f$) and refractive index variations ($\Delta n$) across the three resonant modes, confirming the sensor’s reliable detection capability. The full-width at half maximum (FWHM) values for the modes are 0.9 THz, 1.6 THz, and 0.1 THz, corresponding to quality factors (Q-factors) of 7.66, 15.88, and 302, respectively. The figures of merit (FOMs) calculated for these modes are 11.11 RIU$^{-1}$, 1.875 RIU$^{-1}$, and 27.50 RIU$^{-1}$. These results indicate that the sensor’s high sensitivities stem from its narrow and high-quality resonances, positioning it as a competitive platform for real-time, high-precision biomedical diagnostics compared to previously reported designs.
Discussion
The proposed biosensor features a multilayer double nanoring-strip structure composed of periodic arrays of graphene nanoring-strips on a metal-dielectric-metal (MDM) substrate. The design incorporates a dielectric layer with a refractive index (RI) of 2, an intermediate silicon (Si) layer, and an aluminum (Al) substrate. The Si layer enhances light confinement and field localization, significantly improving the optical response. The structure’s configuration, including a central hexagonal core surrounded by concentric nanorings, optimizes the plasmonic response, making it suitable for applications in photodetectors and optical sensors. Numerical modeling using the finite-difference time-domain (FDTD) technique reveals the sensor’s spectral response, with key performance metrics such as sensitivity, quality factor (Q-factor), and figure of merit (FOM) being evaluated.
The study further explores the impact of various geometrical configurations of the graphene layer on the sensor’s performance. Three distinct structures were analyzed, with the final design incorporating additional circular patches to enhance field confinement and absorption characteristics. The results indicate that the optimized structure achieves superior absorption peaks, indicating enhanced light-matter interaction. Additionally, the choice of substrate material, particularly the use of low-cost Al, and the strategic incorporation of a Si layer significantly influence the sensor’s performance by improving electromagnetic wave manipulation and absorption efficiency. Overall, the findings underscore the importance of structural optimization and material selection in developing effective terahertz biosensors.