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期刊上發表了利用中紅外氮化硅（SiN）波導傳感器檢測揮發性有機化合物（VOC）的論文，該團隊開發的新型波導傳感器能夠為健康、農業和環境等應用監測多種氣體分析物。

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境和工業監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用（GC-MS）等分析技術；另一種涉及固態傳感器，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，但系統體積龐大，因此不適合即時使用（POU）和實時應用。反過來，固態化學傳感器具有很高的靈敏度和便攜性，但在區分VOC方面的選擇性較低。作為傳統固態傳感器的替代品，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應用是不現實的。為了解決這個問題，研究人員開發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，還具有優異的化學穩定性，可在環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可重復、可再現的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和比Si（nSi?=?3.4）等傳統材料更低的折射率（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、農業和環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