利用中红外氮化硅波导传感器检测挥发性有机化合物

据麦姆斯咨询报道，近日，美国德克萨斯农工大学（Texas A&M University）的一支研究团队在Scientific Reports期刊上发表了利用中红外氮化硅（SiN）波导传感器检测挥发性有机化合物（VOC）的论文，该团队开发的新型波导传感器能够为健康、农业和环境等应用监测多种气体分析物。

图1（a）带有聚二甲基硅氧烷（PDMS）室的SiN波导传感器；（b）SiN波导的SEM顶部图像；（c）来自单个SiN波导的模式图。

VOC检测对于从健康诊断到环境和工业监测的各种应用至关重要。VOC分析通常使用两种通用方法：一种基于气相色谱质谱联用（GC-MS）等分析技术；另一种涉及固态传感器，基于金属氧化物半导体（MOS）、电化学（EC）或光离子化检测（PID）。

GC-MS可以提供准确的气体分析，但系统体积庞大，因此不适合即时使用（POU）和实时应用。反过来，固态化学传感器具有很高的灵敏度和便携性，但在区分VOC方面的选择性较低。作为传统固态传感器的替代品，中红外（mid-IR）传感可以通过测量VOC的特征吸收和指纹振动特征来提供高选择性。

然而，中红外吸收光谱需要台式光学设备，如傅里叶变换红外光谱（FTIR），这对于POU应用是不现实的。为了解决这个问题，研究人员开发了由光波导和其他芯片级光子元件组成的微型光子电路。然而，先前的方法使用了高折射率的波导材料，如Si和Ge，这会导致微弱的倏逝波，因此它们的灵敏度较低。研究人员还使用了硫族化合物材料，它们能够提供更强的倏逝场，但它们在潮湿环境下容易降解，因此需要在干燥的氮气或高真空条件下储存。

为了解决这个问题，本论文对使用SiN作为波导材料进行了研究。相比于Si（nSi = 3.4），SiN具有较低的折射率（nSiN = 1.94），可产生强倏逝波，因此具有更高的灵敏度，还具有优异的化学稳定性，可在环境湿度条件下重复使用。此外，SiN具有宽阔的红外透明窗口、低光学损耗以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的高兼容性。

这些特性使SiN成为波导传感器的理想材料，能够在长期传感操作中实现可重复、可再现的VOC检测。然而，据本论文的作者们所知，先前关于SiN作为波导材料的研究工作主要是理论上的，或者集中在可见光范围内的波长实现传感功能，而不是信息量更丰富的中红外范围。

在本论文中，作者们设计并测试了用于检测VOC的由SiN波导组成的中红外传感器。采用低压化学气相沉积（LPCVD）制备的SiN薄膜具有较宽的中红外透明区和比Si（nSi = 3.4）等传统材料更低的折射率（nSiN = 2.0），这导致更强的倏逝波，因此该传感器具有更高的灵敏度，正如有限差分本征模（FDE）计算所证实的那样。

图2 SiN波导的制造过程及其与PDMS室的组装

图3 VOC检测测量的实验设置

图4（a）SiN和（b）Si波导在厚度T = 1和2 μm时的灵敏度与波长（λ）的关系

此外，通过在波长λ = 3.0–3.6 μm处的特征吸收测量，作者们在实验上证明了对三种VOC（丙酮、乙醇和异戊二烯）的原位监测。由于具有更强的倏逝场，SiN波导的灵敏度比Si波导提高了5倍。据作者们所知，这是第一次使用SiN波导进行片上（on-chip）中红外光谱测量以用于VOC检测。

图5 使用宽度为 10 µm和厚度为1 µm的SiN波导对脉冲VOC的实时中红外监测：（a）λ = 3.375 µm处的丙酮，（b）λ = 3.375 µm处的乙醇，和（c）λ = 3.400 µm处的异戊二烯。

图6 丙酮、乙醇和异戊二烯的中红外吸收光谱；（a–c）SiN波导测量结果；（d–f）NIST WebBook数据库中的光谱。

由于其与CMOS工艺的高兼容性，所提出的中红外SiN波导传感器可以与无线电子器件集成，并有望为健康、农业和环境应用提供一个用于气体分析物传感的紧凑型模块。

论文信息：
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

审核编辑 ：李倩