利用中紅外氮化硅波導傳感器檢測揮發(fā)性有機化合物

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國德克薩斯農工大學（Texas A&M University）的一支研究團隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了利用中紅外氮化硅（SiN）波導傳感器檢測揮發(fā)性有機化合物（VOC）的論文，該團隊開發(fā)的新型波導傳感器能夠為健康、農業(yè)和環(huán)境等應用監(jiān)測多種氣體分析物。

圖1（a）帶有聚二甲基硅氧烷（PDMS）室的SiN波導傳感器；（b）SiN波導的SEM頂部圖像；（c）來自單個SiN波導的模式圖。

VOC檢測對于從健康診斷到環(huán)境和工業(yè)監(jiān)測的各種應用至關重要。VOC分析通常使用兩種通用方法：一種基于氣相色譜質譜聯(lián)用（GC-MS）等分析技術；另一種涉及固態(tài)傳感器，基于金屬氧化物半導體（MOS）、電化學（EC）或光離子化檢測（PID）。

GC-MS可以提供準確的氣體分析，但系統(tǒng)體積龐大，因此不適合即時使用（POU）和實時應用。反過來，固態(tài)化學傳感器具有很高的靈敏度和便攜性，但在區(qū)分VOC方面的選擇性較低。作為傳統(tǒng)固態(tài)傳感器的替代品，中紅外（mid-IR）傳感可以通過測量VOC的特征吸收和指紋振動特征來提供高選擇性。

然而，中紅外吸收光譜需要臺式光學設備，如傅里葉變換紅外光譜（FTIR），這對于POU應用是不現(xiàn)實的。為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了由光波導和其他芯片級光子元件組成的微型光子電路。然而，先前的方法使用了高折射率的波導材料，如Si和Ge，這會導致微弱的倏逝波，因此它們的靈敏度較低。研究人員還使用了硫族化合物材料，它們能夠提供更強的倏逝場，但它們在潮濕環(huán)境下容易降解，因此需要在干燥的氮氣或高真空條件下儲存。

為了解決這個問題，本論文對使用SiN作為波導材料進行了研究。相比于Si（nSi?=?3.4），SiN具有較低的折射率（nSiN?=?1.94），可產生強倏逝波，因此具有更高的靈敏度，還具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，可在環(huán)境濕度條件下重復使用。此外，SiN具有寬闊的紅外透明窗口、低光學損耗以及與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的高兼容性。

這些特性使SiN成為波導傳感器的理想材料，能夠在長期傳感操作中實現(xiàn)可重復、可再現(xiàn)的VOC檢測。然而，據本論文的作者們所知，先前關于SiN作為波導材料的研究工作主要是理論上的，或者集中在可見光范圍內的波長實現(xiàn)傳感功能，而不是信息量更豐富的中紅外范圍。

在本論文中，作者們設計并測試了用于檢測VOC的由SiN波導組成的中紅外傳感器。采用低壓化學氣相沉積（LPCVD）制備的SiN薄膜具有較寬的中紅外透明區(qū)和比Si（nSi?=?3.4）等傳統(tǒng)材料更低的折射率（nSiN?=?2.0），這導致更強的倏逝波，因此該傳感器具有更高的靈敏度，正如有限差分本征模（FDE）計算所證實的那樣。

圖2 SiN波導的制造過程及其與PDMS室的組裝

圖3 VOC檢測測量的實驗設置

圖4（a）SiN和（b）Si波導在厚度T = 1和2 μm時的靈敏度與波長（λ）的關系

此外，通過在波長λ?=?3.0–3.6 μm處的特征吸收測量，作者們在實驗上證明了對三種VOC（丙酮、乙醇和異戊二烯）的原位監(jiān)測。由于具有更強的倏逝場，SiN波導的靈敏度比Si波導提高了5倍。據作者們所知，這是第一次使用SiN波導進行片上（on-chip）中紅外光譜測量以用于VOC檢測。

圖5 使用寬度為?10 μm和厚度為1 μm的SiN波導對脈沖VOC的實時中紅外監(jiān)測：（a）λ?=?3.375 μm處的丙酮，（b）λ?=?3.375 μm處的乙醇，和（c）λ?=?3.400 μm處的異戊二烯。

圖6 丙酮、乙醇和異戊二烯的中紅外吸收光譜；（a–c）SiN波導測量結果；（d–f）NIST WebBook數(shù)據庫中的光譜。

由于其與CMOS工藝的高兼容性，所提出的中紅外SiN波導傳感器可以與無線電子器件集成，并有望為健康、農業(yè)和環(huán)境應用提供一個用于氣體分析物傳感的緊湊型模塊。

論文信息：
Zhou, J., Al Husseini, D., Li, J. et al. Detection of volatile organic compounds using mid-infrared silicon nitride waveguide sensors. Sci Rep 12, 5572 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41598-022-09597-9

審核編輯 ：李倩