Наноантенная решетка для обнаружения терагерцового диапазона: применение, конструкция и область применения

Наноантенная решетка для обнаружения терагерцового диапазона обладает огромным потенциалом в продвижении научных исследований и инноваций, что подтверждается ее способностью улучшать прием терагерцового сигнала, преодолевать ограничения традиционных методов обнаружения и открывать новые возможности для многих отраслей. Однако проблемы, связанные с масштабируемостью, экономической эффективностью и потенциальными опасностями для здоровья, подчеркивают необходимость обширных исследований и регулирования для обеспечения безопасного и адекватного внедрения этой технологии. Благодаря своим прекрасным характеристикам терагерцовое (ТГц) пространство электромагнитного диапазона имеет благоприятные перспективы для развития различных приложений, например удаленной переписки, визуализации, неразрушающего контроля, защитной фильтрации и управления процессами. Терагерцовые волны безошибочно узнаваемы благодаря своему неионизирующему излучению, более развитой цели, чем у микроволн, беспрецедентной дальности проникновения и способности проходить через диэлектрические материалы. В данной статье дается краткий обзор последних достижений в разработке ТГц антенн для различных приложений и исследуются возможные проблемы, связанные с этими ТГц системами. Особое внимание уделено терагерцовым источникам и детекторам, а также их применению в различных областях, различным методам терагерцового обнаружения, ограничениям обычных терагерцовых детекторов, параметрам при проектировании наноантенны, материалам, используемым для проектирования наноантенной решетки, различным методам изготовления, параметрам, позволяющим оценить работоспособность и потенциальные характеристики наноантенной решетки при обнаружении в тетрагерцовом диапазоне.

1. Adak S., Tripathi L. N. (2019) Nanoantenna Enhanced Terahertz Interaction of Biomolecules. Analyst, 144 (21), 6172–6192. https://doi.org/10.1039/c9an00798a.

2. Al Hadi R., Grzyb J., Heinemann B. Pfeiffer U.R. (2013) A Terahertz Detector Array in a SiGe HBT Technology. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 48 (9), 2002–2010. https://doi.org/10.1109/jssc.2013.2265493.

3. Bareib M., Tiwari B. N., Hochmeister A., Jegert G., Zschieschang U., Klauk H., Fabel B., Scarpa G., Koblmuller G., Bernstein G. H., Porod W. (2011) Nanoantenna Array For Terahertz Detection. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 59 (10), 2751–2757. https://doi.org/10.1109/tmtt.2011.2160200.

4. Boppel S., Lisauskas A., Mundt M., Seliuta D., Minkevicius L., Kasalynas I., Valusis G., Mittendorff M., Winnerl S., Krozer V., Roskos, H. G. (2012) CMOS Integrated Antenna-Coupled Field-Effect Transistors for the Detection of Radiation From 0.2 to 4.3 THz. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 60 (12), 3834–3843. https://doi.org/10.1109/tmtt.2012.2221732.

5. Cai Y., Brener I., Lopata J., Wynn J., Pfeiffer L., Stark J. B., Wu Q., Zhang X. C., Federici J. F. (1998) Coherent Terahertz Radiation Detection: Direct Comparison Between Free-Space Electro-Optic Sampling and Antenna Detection. Applied Physics Letters, 73 (4), 444–446. https://doi.org/10.1063/1.121894.

6. Malhotra I., Jha K. R., Singh G. (2018) Terahertz Antenna Technology for Imaging Applications: a Technical Review. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 10 (3), 271–290.

7. Yun-Shik Lee (2009) Principles of Terahertz Science and Technology. New York, Springer. 66. https://doi.org/10.1007/978-0-387-09540-0.

8. Sizov F., Rogalski A. (2010) THz Detectors. Progress in Quantum Electronics, 34 (5), 278–347. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2010.06.002.

9. Hu B. B., Nuss M. C. (1995) Imaging With Terahertz Waves. Optics Letters, 20 (16), 1716–1718. https://doi.org/10.1364/ol.20.001716.

10. Taday P. F., Pepper M., Arnone D. D. (2022) Selected Applications of Terahertz Pulses in Medicine and Industry. Applied Science, 12 (12), 1–18. https://doi.org/10.3390/app12126169.

11. Akyildiz I. F., Jornet J. M., Han C. (2014) Terahertz Band: Next Frontier for Wireless Communications. Physical Communication, 12, 16–32. https://doi.org/10.1016/j.phycom.2014.01.006.

12. Dhillon S. S., Vitiello M. S., Linfield E. H., Davies A. G., Hoffmann M. C., [et.al.] (2017) The 2017 Terahertz Science and Technology Roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics, 50 (4), 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/4/043001.

13. Huang S., Deng H., Wei X., Zhang J. (2023) Progress in the Application of Terahertz Time-Domain Spectroscopy for Pharmaceutical Analyses. Front Bioeng Biotechnology, 11, 1219042. https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1219042.

14. Hou H., Liu Z., Teng J., Palacios T., Chua S. J. (2016) A Sub-terahertz Broadband Detector Based on a GaN High-Electron-Mobility Transistor with Nanoantennas. Applied Physics Express, 10 (1), 014101. https://doi.org/10.7567/apex.10.014101.

15. Lepeshov S., Gorodetsky A., Krasnok A., Rafailov E., Belov P. (2017) Enhancement of Terahertz Photoconductive Antenna Operation by Optical Nanoantennas. Laser & Photonics Reviews, 11 (1), 1600199. https://doi.org/10.1002/lpor.201600199.

16. Peter F., Winnerl S., Nitsche S., Dreyhaupt A., Schneider H., Helm M. (2007) Coherent Terahertz Detection with a Large-Area Photoconductive Antenna. Applied Physics Letters, 91 (8), 081109. https://doi.org/10.1063/1.2772783.

17. Jepsen P. U., Jacobsen R. H., Keiding S. R. (1996) Generation and Detection of Terahertz Pulses From Biased Semiconductor Antennas. Journal of the Optical Society of America B, 13 (11), 2424–2436. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-5897-2_142.

18. Mitrofanov O., Brener I., Luk T. S., Reno J. L. (2015) Photoconductive Terahertz Near-Field Detector with a Hybrid Nanoantenna Array Cavity. ACS Photonics, 2 (12), 1763–1768. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00475.

19. McKinley A., White T. P, Catchpole K. (2013) Theory of the Circular Closed Loop Antenna in the Terahertz, Infrared, and Optical Regions. Journal of Applied Physics, 114 (4), 044317. https://doi.org/10.1063/1.4816619.

20. Choudhury B., Sonde A. R., Jha R. M., Choudhury B., Sonde A. R., Jha R. M. (2016). Terahertz Antenna Technology for Space Applications. Springer Briefs in Electrical and Computer Engineering. Springer, Singapore, 3–33. https://doi.org/10.1007/978-981-287-799-4_1.

21. Samanta D., Karthikeyan M. P., Banerjee A., Inokawa H. (2021) Tunable Graphene Nanopatch Antenna Design for On-chip Integrated Terahertz Detector Arrays with Potential Application in Cancer Imaging. Nanomedicine,16 (12), 1035–1047. https://doi.org/10.2217/nnm-2020-0386.

22. Suzuki M., Tonouchi M. (2005) Fe-Implanted InGaAs Photoconductive Terahertz Detectors Triggered by 1.56 μm Femtosecond Optical Pulses. Applied Physics Letters,86 (16), 163504. https://doi.org/10.1063/1.1901817.

23. Hasan M.R., Helles O. G. (2021) Dielectric Optical Nanoantennas. Nanotechnology, 32 (20), 202001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdceb.

24. Bragas A. V., Maier S. A., Boggiano H. D., Grinblat G., Berté R., de S. Menezes L., Cortés E. (2023) Nanomechanics with Plasmonic Nanoantennas: Ultrafast and Local Exchange Between Electromagnetic and Mechanical Energy. Journal of the Optical Society of America B, 40 (5), 1196–1211. https://doi.org/10.1364/JOSAB.482384.

25. Neu J., Schmuttenmaer C. A. (2018) Tutorial: An Introduction to Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS). Journal of Applied Physics, 124, 231101. https://doi.org/10.1063/1.5047659.

26. D’Arco A., Fabrizio M. D., Dolci V., Petrarca M., Lupi S. (2020) THz Pulsed Imaging in Biomedical Applications. Condensed Matter, 5 (2), 25. https://doi.org/10.3390/condmat5020025.

27. Sun Y., Sy M. Y., Wang Y. X. J., Ahuja A. T., Zhang Y. T., Pickwell-MacPherson E. (2011) A Promising Diagnostic Method: Terahertz Pulsed Imaging and Spectroscopy. World Journal of Radiology, 3 (3), 55–65. https://doi.org/10.4329/wjr.v3.i3.55.

28. Fischer B. M., Hoffmann M., Helm H., Wilk R., Rutz F., Ostmann T. K., Koch M., Jepsen P. U. (2005) Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Imaging of Artificial RNA. Optics Express, 13 (14), 5205–5215. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.005205.

29. Liu Yu, Liu Hao, Tang Meiqiong, Huang Jiaoqi, Liu Wei, Dong Jinying, Chen Xueping, Fu Weiling, Zhang Yang (2019) The Medical Application of Terahertz Technology in Non-Invasive Detection of Cells and Tissues: Opportunities and Challenges. RSC Advances, 9, 9354–9363. https://doi.org/10.1039/C8RA10605C.

30. Li C., Zhang Y., Hirakawa K. (2023) Terahertz Detectors Using Microelectromechanical System Resonators. Sensors, 23 (13), 5938. https://doi.org/10.3390/s23135938.

31. Fu X., Liu Y., Chen Q., Fu Y., Cui T. J. (2022) Applications of Terahertz Spectroscopy in the Detection and Recognition of Substances Frontiers in Physics, 10, 869537. https://doi.org/10.3389/fphy.2022.869537.

32. Chen X., Lindley-Hatcher H., Stantchev R. I., Wang J., Li K., Hernandez Serrano A., Taylor Z. D., Castro-Camus E., Pickwell-MacPherson E. (2022) Terahertz (THz) Biophotonics Technology: Instrumentation, Techniques, and Biomedical Applications. Chemical Physics Reviews, 3, 011311. https://doi.org/10.1063/5.0068979.

33. Piccoli R., Rovere A., Toma A., Morandotti R., Razzari L. (2017) Terahertz Nanoantennas for Enhanced Spectroscopy. Terahertz Spectroscopy - A Cutting Edge Technology. https://doi.org/10.5772/66349.

34. Anwar R. S., Ning H., Mao L. (2018) Recent Advancements in Surface Plasmon Polaritons-Plasmonics in Subwavelength Structures at Microwave and Terahertz Regime Digital Communications and Networks, 4 (4), 244–257. https://doi.org/10.1016/j.dcan.2017.08.004.

35. Božanić M., Sinha S. (2019) Emerging Transistor Technologies Capable of Terahertz Amplification: A Way to Re-Engineer Terahertz Radar Sensors Sensors, 19 (11), 2454. https://doi.org/10.3390/s19112454.

36. Parinaz Emami (2015) Electron Beam Lithography for nano-antenna Fabrication [thesis]. Master of Science University of Missouri-Columbia. Available at: https://mospace.umsystem.edu/xmlui/handle/10355/50185.

37. Koch M., Mittleman D. M. , Ornik J., Camus E. C. (2023) Terahertz Time-Domain Spectroscopy. Nature Reviews Methods Primers, 3, 48. https://doi.org/10.1038/s43586-023-00232-z.