太赫兹波谱技术作为21世纪新兴产业技术,在高速通信、生化传感与安全检查等领域具有广阔的应用前景。其中,得益于太赫兹波的宽带性、低能性与生物大分子指纹谱等电磁特性,使得太赫兹功能器件的研究受到广大专家和学者关注。然而,由于天然材料与太赫兹波之间相互作用较弱,致使太赫兹波的高效调制难以实现。同时,天然材料也不易与太赫兹波产生强烈的共振响应。因此,太赫兹波谱技术的发展仍然面临巨大挑战。近年来,二维超材料即超表面,具有天然材料不具备的独特电磁特性,在太赫兹调制、生物传感等领域呈现出巨大的应用前景。但是,在上述应用领域中,一方面,基于亚波长单元结构的超表面调制器存在损耗大以及难以实现超灵敏动态调制等问题,使得低损耗超灵敏太赫兹调制器成为目前急需深入研究的课题;另一方面,在太赫兹波传感的应用中,虽然可以直接利用太赫兹波与生物大分子共振吸收谱进行生物传感,但该方法的灵敏度非常低,存在难以实现超灵敏生物传感的问题。此外,由于太赫兹波的波长远大于生物小分子物质,致使难以发生共振吸收,因而将太赫兹波直接用于检测生物小分子物质存在亟需解决的问题,总之,如何提高太赫兹生物传感器的灵敏度与检测范围也是目前急需深入研究的课题。因此,为了探索性能优良的太赫兹超表面功能器件,本论文利用太赫兹时域波谱技术手段,以超表面作为对象,结合新兴光电材料（石墨烯和钙钛矿）研究了低欧姆损耗、超灵敏动态调制器以及超灵敏生物传感器。主要内容如下:1.基于超表面的太赫兹调制器研究（1）设计、提出并制备了基于高阻硅全介质编码超表面的调制器,该器件可调制900 GHz带宽的太赫兹波远场散射,实现了低损耗调制,且不同的编码序列具有不同调制效果。（2）通过石墨烯与基于亚波长单元结构的超表面结合,研究了三种不同的石墨烯超表面太赫兹调制器件。首先,设计了基于石墨烯-高阻硅复合Fano共振超表面调制器,该器件表现出卓越的慢光效应,其最大群延迟为9.73 ps,自由空间传播对应的群延迟为2.92 mm。此外,修改了高斯模型用作群延迟的控制方程。相关系数高达0.99998,进而说明修正后的高斯模型能够有效地描述群延迟变化趋势。该石墨烯-高阻硅复合Fano共振超表面为设计低损耗慢光调制器件方面提供了借鉴。其次,提出了基于石墨烯桥接的总线拓扑网络结构超表面调制器,该器件具有优异的太赫兹波调制性能,其谐振频率的蓝移高达1075 GHz且调制灵敏度为1027 GHz/FLU。并且,利用抛物线、单指数与渐近线模型拟合谐振频率的调制趋势。同时,该调制器还可在500 GHz带宽内实现动态隐身,在太赫兹超灵敏动态调制与隐身领域存在潜在应用价值。最后,提出并制备了基于石墨烯高阶Fano共振超表面的调制器,该器件可实现高阶Fano共振在狄拉克点的调制行为:随着费米能级穿过狄拉克点,即从价带移动到导带,高阶Fano共振呈现出消失、出现、再消失的奇异光学现象。在此过程中,偏置电压变化0.05 V或激光功率密度改变7.5 m W/cm~2,其太赫兹响应调制深度便可达90%,该器件为设计超灵敏太赫兹超光子器件开辟了一条道路。（3）设计并制备了一种新型石墨烯钙钛矿的复合超表面光电双控调制器,该器件具有良好的太赫兹响应调制性能,其调幅深度可达200%,总共振频率偏移可以达到800 GHz,最大相位调制达到346°,为双光电材料复合的超灵敏超表面光学器件的发展提供了新思路。2.基于超表面的太赫兹生物传感器研究（1）将肺癌细胞和口腔上皮细胞培养在超表面上,设计并研究了三种基于不同类型电磁共振超表面生物传感器。首先,提出并制备了类电磁感应透明超表面生物传感器。该器件由于具有低损耗和强局域电场的存在,其理论灵敏度高达248.8 GHz/RIU。当肺癌细胞作为分析物培养在该器件上时,随细胞浓度从0.5×10~5cells/m L增加到5×10~5cells/m L,共振频率偏移从20 GHz增加到96 GHz,可用于细胞高灵敏检测。其次,设计、提出并制备了Fano共振超表面生物传感器,该器件可应用于正常上皮细胞的传感,其最低检测浓度约2×10~4cells/m L,对应共振频率偏移为25 GHz,具有高灵敏检测性能。最后,设计、提出并制备了一种多共振模式集成的生物传感器,通过利用不同共振模式的频率偏移构成的雷达图,可直观地检测肺癌细胞浓度。同时,还观察到了共振频率偏移的异常响应:随细胞浓度的增加,在共振谷频率处,频率偏移经历了增加、减少与重新增加的频率偏移阶段。并且,通过引入新的介电常数εf,修正了微扰理论进而解释了异常频率偏移形成的原因:随着共振模式阶数的改变,εf从-2.78增加到0.75,这意味着负介电常数εf导致了异常频率偏移的现象。上述多共振模式集成的生物传感器丰富了生物细胞检测的思路。（2）设计、提出并制备了基于图案化石墨烯与钙钛矿集成的超表面生物传感器,用于定性检测丝胶蛋白,其检测机制理论上为:丝胶蛋白可以使石墨烯n掺杂,从而驱动费米能级显着变化。该器件在检测丝胶蛋白时检测限为780 pg/m L,实现了超灵敏检测。