Передовая сенсорная технология: высокая отзывчивость и универсальность даже в жидких средах

Эндрю Корселли

Команда разместила датчики, построенные по их новому дизайну полевого транзистора, на печатных платах, как показано на фото, для тестирования точности и чувствительности чувствительности. Они обнаружили, что их подход облегчает датчики, которые не только отзывчивы, но и высоко устойчивы к проблемам дрейфа сигнала, с которыми сталкивались предыдущие дизайны. (Изображение: Джейдин Исимингер / Penn State)

Вызов жидких сред

Точное измерение малых сдвигов в биологических маркерах, таких как белки и нейромедиаторы, или вредных химикатов в водоснабжении может выявить критические проблемы до того, как они повлияют на пациентов или окружающую среду. Хотя некоторые существующие датчики могут мониторить микроскопическую материю за этими проблемами, они часто имеют ограничения. Первичный пример — устройство, известное как полевой транзистор — крошечный компонент, управляющий потоком электрического тока в системе — который борьет оставаться стабильным при воздействии жидкости.

Исследователи Penn State разработали новый тип полевого транзистора, который может обеспечивать отзывчивое и универсальное чувствительное измерение даже в средах, богатых жидкостями, как человеческое тело. Датчики, построенные с транзисторами команды, были до 20 раз более чувствительны к различным химическим и биологическим сигналам, таким как опасные химикаты в воде или уровни дофамина в мозге, чем другие датчики, построенные с сравнимыми дизайнами транзисторов. Команда опубликовала свою работу в npj 2D Materials and Applications.

Вот эксклюзивное интервью Tech Briefs, отредактированное для краткости и ясности, с Аидой Эбрахими и Виная Каммарчеду, корреспондирующим и первым авторами статьи соответственно.

Интервью с разработчиками

Tech Briefs: Какая была самая большая техническая сложность при разработке этой сенсорной технологии?

Эбрахими & Каммарчеду: Основным препятствием, с которым мы столкнулись, была утечка через затвор при погружении двух затворных датчиков в жидкие среды. Хотя использование локальных высоко-k задних затворов успешно уменьшает эффективную толщину оксида и подавляет электрическую утечку в сухих условиях, жидкие среды вводят серьезные осложнения. Площадь заднего затворного электрода должна быть тщательно минимизирована, чтобы избежать фарадейских токов, вызванных дефектами оксида. Микроскопические дефекты обработки, действующие как безвредные изоляторы в воздухе, могут внезапно стать активными путями утечки для ионов при помещении в раствор. Кроме того, сам диэлектрический материал уязвим для электрохимической деградации и водопомогаемого травления под смещением, что приводит к отказу устройства. Мы считаем, что эта серьезная техническая проблема — ключевая причина, почему двухзатворные графеновые полевые транзисторы не были широко приняты в исследованиях или промышленности до сих пор. Чтобы в конечном итоге преодолеть это, мы оптимизировали наш оксидный слой и уточнили протоколы фабрикации для устранения максимально возможного количества микроскопических дефектов. Самое главное, мы успешно минимизировали площадь заднего затвора. Дрastically сокращая этот след, мы эффективно отрезали активные пути утечки для ионов и подавили фарадейские токи, что наконец позволило нам достичь стабильной, надежной работы датчика в жидких средах.

Аида Эбрахими, слева, и Винай Каммарчеду разработали улучшенный дизайн полевого транзистора, который может питать невероятно чувствительные и устойчивые датчики. (Изображение: Джейдин Исимингер / Penn State)

Tech Briefs: Можете ли вы объяснить простыми терминами, как это работает?

Э&К: Представьте стандартный полевой транзистор как кран в раковине. Когда кран — или затвор, как мы называем его в электронике — открыт, электрический ток свободно течет через систему. Когда затвор закрыт, поток останавливается. Для измерений с обычными датчиками вам нужно постоянно регулировать этот кран вверх и вниз, что вызывает нестабильность и приводит к неточным показаниям. Чтобы решить это, мы спроектировали систему с двумя затворами вместо одного, давая нам независимый контроль над количеством тока, текущего через систему. Использование двух затворов позволяет нам держать ток текущим постоянно, что устраняет основную причину дрейфа сигнала. Затем мы добавили систему обратной связи к одному из затворов для точного отслеживания того, как молекулы влияют на напряжение датчика. Поскольку верхний затвор имеет в 10 раз большую электрическую емкость, чем нижний, он невероятно чувствителен к окружающей среде, в то время как нижний затвор действует как жесткая электронная контрвага. Это отношение усиливает сигналы. Если есть крошечное химическое изменение на поверхности датчика, мы видим его, умноженное на 10 в наших измерениях, позволяя четко идентифицировать очень незначительные химические показания.

Tech Briefs: Есть ли обновления, которые вы можете поделиться?

Э&К: Мы успешно протестировали отклик платформы на летучие органические соединения в газовой фазе. Конкретно, мы использовали нашу конфигурацию Differential Mode Fixed (DMF) для обнаружения изопропилового спирта. Что касается коммерциализации, Университет штата Пенсильвания подал предварительную патентную заявку, охватывающую эту платформу двухзатворного сенсирования с обратной связью. Что касается будущих материалов, наше использование масштабируемых материалов и простой электроники делает эту платформу легко адаптируемой к другим 2D материалам вперед. В настоящее время мы работаем над проектированием экспериментов для реализации этого, включая оптимизацию датчиков для идентификации летучих органических соединений, ассоциированных с болезнью Паркинсона, и изучение того, как наша система работает с разными 2D материалами.

Tech Briefs: Есть ли советы для исследователей, стремящихся реализовать свои идеи?

Э&К: Наше исследование — свидетельство силы междисциплинарного сотрудничества и адаптивности. Мы успешно реализовали эту идею, объединив экспертизу в электротехнике, биомедицинской инженерии и материаловедении для преодоления долгих ограничений одно затворных датчиков. Мой самый большой совет — оставайтесь гибкими и думайте нестандартно: изначально мы использовали эти устройства для другого механизма сенсирования, но нам пришлось переключиться на этот новый механизм обратной связи для достижения стабильности и чувствительности, которые нам нужны.

Tech Briefs: Есть ли что-то еще, что вы хотели бы добавить, о чем я не коснулся?

Э&К: Мы бы хотели подчеркнуть, насколько масштабируема и практична наша система. Наша архитектура успешно преодолевает разрыв между наномасштабными материалами и практичными, переносимыми диагностическими инструментами. Мы успешно интегрировали множество датчиков непосредственно в кастомные печатные платы. Мы можем интегрировать десятки датчиков и измерять каждый независимо без какого-либо электрического интерференса. Стакируя массивы этих печатных плат, мы можем легко масштабировать количество датчиков в системе, сохраняя сами устройства невероятно маленькими. Мы также хотим добавить, что десятилетиями федеральная поддержка исследований топлива именно этот тип инноваций, и недавние сокращения федерального финансирования угрожают нашему прогрессу в решении реальных проблем, влияющих на здоровье и безопасность людей.