金刚石薄膜基光波导中红外液相传感器研究

The detection sensor for liquid food is the core component to on-line measure the food safety. Attenuated total reflectance (ATR) liquid sensors based on silicon and germanium materials show relatively poor chemical resistance with a low sensitivity and a bulk size. Diamond has very attractive properties, such as high chemical and mechanical stability, high thermal conductivity, good biocompatibility and a wide optical transparency window. The sensitivity can be improved by replacing a classical ATR element by a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) measurement configuration where one arm is doped by ion implantation to make a phase shifter. In this project, advantages of both diamond and MZI will be taken to realize a novel mid infrared sensor for liquid sensing with high sensitivity. The research contents include: The influence of grain size on the refractive index, transmittance, surface roughness of diamond films; The influences of the structure of rib waveguides, the arm length and the distance between the arms on the propagation properties of MZI; The influences of implantation dose, implantation energy and annealing temperature on the thermo-optic effects of the doped arm on MZI; The performance of MZI sensor on the food liquid sensing. The research outcomes will provide a non-toxic, durable and highly sensitive sensor to ensure the food safety, which will strongly support the developments on the food industry and environmental monitoring of Zhejiang Province.

液相传感器是线上实时监测食品安全的核心部件。针对硅、锗基中红外衰减全反射(ATR)液相传感器存在灵敏度不高、体积庞大和易腐蚀失效等问题，本项目拟结合金刚石光透过范围宽、耐腐蚀、硬度高、热导率高、生物相容性好的特点和马赫-曾德干涉仪(MZI)检测灵敏度高的优势，以金刚石替代硅、锗，研制金刚石薄膜基光波导MZI，并对MZI的一臂进行离子注入掺杂，制备单边掺杂型移相器，获得高灵敏的新型中红外液相传感器。研究内容涉及金刚石薄膜的晶粒尺寸对折射率、透光率、刻蚀抛光后的表面粗糙度等的影响；脊形波导结构、MZI臂长、两臂间距等对其光传输性能的影响；离子注入剂量、能量和退火温度对掺杂臂的热光性能的影响和MZI对液体食品的传感性能研究。研究结果将为食品检测提供无毒耐用的高灵敏传感器，对于保障食品安全具有重要意义，将为推动浙江省在食品工业等重要领域的发展提供重要的技术支持。

本项目面向社会民生领域，着力解决现有基于ATR的液相传感器的灵敏度和精确度不高、体积庞大和易腐蚀失效的核心技术问题，研发可用于食品检测的金刚石薄膜基光波导MZI中红外传感器，实现食品的实时在线监测，保障食品安全，推动全国及浙江省在食品工业等领域的发展。本项目拟解决的三个关键科学问题及完成情况如下：.1..金刚石薄膜的成分和表面状态调控是获得高质量波导拟解决的关键科学问题。.已完成金刚石波导在中红外波段的尺寸优化；系统研究了Si，Si3N4，SiO2，AlN等材料作为金刚石波导的基底材料及包层材料时，金刚石波导的光传输特性，筛选出AlN作为优质基底与包层材料；获得了多次形核工艺以及循环沉积气压工艺，实现了在AlN上制备高质量、低粗糙度、光学性能良好的金刚石薄膜；获得了金刚石晶粒尺寸对微晶金刚石薄膜光学性能的影响规律；发展了旋涂种晶生长密堆积金刚石薄膜的新工艺，研究了旋涂工艺以及不同金刚石晶种粉体对密堆积金刚石薄膜的性能及结构的影响；获得了密堆积结构的纳米金刚石薄膜，钽原子终止于纳米金刚石表面获得高迁移率n型电导；发展了高迁移率高电导率的n型金刚石薄膜的掺杂新方法；为高质量波导的制备提供了关键材料，具有重要的科学价值。.2..金刚石薄膜的掺杂对其热光特性的影响规律是获得高灵敏度MZI的关键科学问题。.采用硼离子注入制备p型金刚石薄膜，已获得退火温度对硼离子注入金刚石薄膜的光学性能的影响规律；获得了硼离子注入剂量对金刚石薄膜的光电性能的影响规律；发现了纳米金刚石薄膜中石墨相转化为金刚石相的转化机制，获得n型密堆积纳米金刚石薄膜；设计优化基于载流子色散效应以及热光效应的金刚石移相器，得到了最佳的移相参数；研究结果为获得高灵敏度的MZI奠定了良好的实验和理论基础。.3..MZI构型设计及其对红外检测性能的影响规律是本项目拟解决的关键科学问题。.已开展金刚石MZI各个部分拆分模拟与优化，得到了最优的结构设计；MZI整体结构仿真与优化，观察所设计MZI结构的可行性，完成液相检测的模拟仿真。研究结果为实验上制备MZI构型提供了重要的理论依据。.以上研究解决了金刚石薄膜基光波导MZI中红外液相传感器研制中的若干关键科学问题，为器件的研制奠定了扎实的实验和理论基础，在PNAS，Carbon，ACS AMI，APL等本领域重要期刊发表论文33篇，授权专利17件，其中国际专利1件。