Abstract

We demonstrate a novel method to spectroscopically detect and identify trace gases. Micromechanical photothermal spectroscopy (MPS) with functionalized sorbent materials provides trace gas spectra in an optical interaction length of only a few micrometers. We use microcavity interferometry to read out displacements as low as 25fm/Hz, heating as low as 200pW/Hz, and analyte concentrations as low as 65 parts-per-billion for the nerve agent simulant DMMP. MPS integrated with functional materials represents an important new tool in chip-scale optical sensing.

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
    [CrossRef]
  2. P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
    [CrossRef]
  3. A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
    [CrossRef]
  4. A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
    [CrossRef]
  5. R. T. Howe and R. S. Muller, IEEE Trans. Electron Devices 33, 499 (1986).
    [CrossRef]
  6. N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
    [CrossRef]
  7. T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
    [CrossRef]
  8. T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
    [CrossRef]
  9. B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
    [CrossRef]
  10. T. B. Gabrielson, IEEE Trans. Electron Devices 40, 903 (1993).
    [CrossRef]
  11. T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
    [CrossRef]
  12. I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
    [CrossRef]

2010 (1)

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

2006 (2)

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

2004 (1)

N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
[CrossRef]

2003 (1)

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

1994 (1)

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

1993 (1)

T. B. Gabrielson, IEEE Trans. Electron Devices 40, 903 (1993).
[CrossRef]

1986 (1)

R. T. Howe and R. S. Muller, IEEE Trans. Electron Devices 33, 499 (1986).
[CrossRef]

Abell, J.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Arakawa, E.

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Barnes, J. R.

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

Bewley, W. W.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Boos, J. B.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

Canedy, C. L.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Datskos, P. G.

N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
[CrossRef]

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Datskou, I.

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Ebel, J. L.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

Ferraro, M. S.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

Ferrell, T.

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Finot, E.

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

Gabrielson, T. B.

T. B. Gabrielson, IEEE Trans. Electron Devices 40, 903 (1993).
[CrossRef]

Gerber, C.

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

Gimzewski, J. K.

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

Goetz, P. G.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

Higgins, B. A.

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

Houser, E. J.

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

Howe, R. T.

R. T. Howe and R. S. Muller, IEEE Trans. Electron Devices 33, 499 (1986).
[CrossRef]

Kim, C. S.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Kim, M.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Kohl, J. G.

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

Krause, A. R.

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

Lavrik, N.

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Lavrik, N. V.

N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
[CrossRef]

Lindle, J. R.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Mahon, R.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

McGee, D.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

McGee, D. J.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

Mcgill, R. A.

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

Meyer, J. R.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Muller, R. S.

R. T. Howe and R. S. Muller, IEEE Trans. Electron Devices 33, 499 (1986).
[CrossRef]

Neste, C. V.

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

Newman, H. S.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

Papanicolaou, N. A.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

Passian, A.

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Rabinovich, W. S.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

Rajic, S.

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Senesac, L.

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

Senesac, L. R.

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Sepaniak, M. J.

N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
[CrossRef]

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Simonson, D. L.

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

Stephenson, R. J.

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

Stepnowski, J. L.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

Stievater, T. H.

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

Thundat, T.

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Tipple, C. A.

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Vurgaftman, I.

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Welland, M. E.

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

Wig, A.

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, M. S. Ferraro, N. A. Papanicolaou, J. B. Boos, R. A. McGill, and J. L. Stepnowski, Appl. Phys. Lett. 89, 091125 (2006).
[CrossRef]

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, R. Mahon, D. McGee, and P. G. Goetz, Appl. Phys. Lett. 81, 1779 (2002).
[CrossRef]

IEEE Trans. Electron Devices (2)

T. B. Gabrielson, IEEE Trans. Electron Devices 40, 903 (1993).
[CrossRef]

R. T. Howe and R. S. Muller, IEEE Trans. Electron Devices 33, 499 (1986).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

A. R. Krause, C. V. Neste, L. Senesac, T. Thundat, and E. Finot, J. Appl. Phys. 103, 094906 (2008).
[CrossRef]

J. Microelectromech. Syst. (1)

T. H. Stievater, W. S. Rabinovich, H. S. Newman, J. L. Ebel, R. Mahon, D. J. McGee, and P. G. Goetz, J. Microelectromech. Syst. 12, 109 (2003).
[CrossRef]

J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. (1)

B. A. Higgins, D. L. Simonson, E. J. Houser, J. G. Kohl, and R. A. Mcgill, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 48, 3000 (2010).
[CrossRef]

J. Vac. Sci. Technol. B (1)

P. G. Datskos, S. Rajic, M. J. Sepaniak, N. Lavrik, C. A. Tipple, L. R. Senesac, and I. Datskou, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 1173 (2001).
[CrossRef]

Nature (1)

J. R. Barnes, R. J. Stephenson, M. E. Welland, C. Gerber, and J. K. Gimzewski, Nature 372, 79 (1994).
[CrossRef]

New J. Phys. (1)

I. Vurgaftman, C. L. Canedy, C. S. Kim, M. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, J. Abell, and J. R. Meyer, New J. Phys. 11, 125015 (2009).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

N. V. Lavrik, M. J. Sepaniak, and P. G. Datskos, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229 (2004).
[CrossRef]

Sens. Actuators B (1)

A. Wig, E. Arakawa, A. Passian, T. Ferrell, and T. Thundat, Sens. Actuators B 114, 206 (2006).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) The microbridges are fabricated from gold and benzocyclobutene (BCB) and coated with a functionalized sorbent polymer. (b) A top-down photograph of a microbridge following polymer deposition. (c) Near-infrared readout light incident on and reflected from the microcavity is sent via a fiber-optic focuser (FOF) and a fiber-optic circulator (FOC) to a photodetector (PD) and a lock-in amplifier. The tunable midinfrared (MIR) source is coupled to the sample via an off-axis parabolic mirror (OAPM) and a 36× Schwarzschild reflective objective (SRO). Inset: the measured readout Fabry–Perot reflectivity spectrum.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Micromechanical photothermal displacement spectrum obtained from a HCSFA2-coated bridge, both before and during exposure to DMMP vapor. (b) Absorption spectrum of HCSFA2 obtained from a coated KBr plate placed in an FTIR spectrometer.

Fig. 3.
Fig. 3.

Matrix of photothermal difference spectra obtained from the HCSFA2-coated and the PEI-coated microbridges in the presence of four different analytes.

Metrics