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

Эндрю Корселли

Команда установила датчики, построенные на основе их новой конструкции полевых транзисторов, на интегральные платы, подобные той, что изображена здесь, чтобы проверить точность и чувствительность датчиков. Они обнаружили, что их подход позволяет создавать датчики, которые не только быстро реагируют, но и обладают высокой устойчивостью к проблемам дрейфа сигнала, с которыми сталкивались предыдущие разработки. (Изображение:Джейдин Исимингер / Penn State)

Точное измерение небольших изменений в биологических маркерах, таких как белки и нейротрансмиттеры, или вредных химических веществах в воде, может выявить критические проблемы до того, как они смогут повлиять на пациентов или окружающую среду. Хотя некоторые существующие датчики могут отслеживать микроскопические вещества, вызывающие эти проблемы, они часто имеют ограничения. Основной пример – устройство, известное как полевой транзистор — крошечный компонент, который контролирует поток электрического тока в системе — который с трудом сохраняет стабильность при воздействии жидкости.

Исследователи из Пенсильванского университета разработали новый тип полевого транзистора, который может обеспечить быстрое и универсальное считывание даже в средах с большим количеством жидкости, таких как человеческое тело. Датчики, созданные на основе транзисторов команды, были в 20 раз более чувствительны к различным химическим и биологическим сигналам, таким как опасные химические вещества в воде или уровень дофамина в мозге, чем другие датчики, созданные на основе транзисторов аналогичной конструкции. Команда опубликовала свою работу в npj 2D Materials and Applications. .

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью, отредактированное для обеспечения длины и ясности, с Аидой Эбрахими и Винаем Каммарчеду, корреспондентами и первыми авторами статьи соответственно.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при разработке этой сенсорной технологии?

Эбрахими и Каммарчеду :Основным препятствием, с которым мы столкнулись, была утечка через затвор, когда датчики с двойным затвором были погружены в жидкую среду. В то время как использование локальных задних затворов с высоким коэффициентом k успешно снижает эффективную толщину оксида и подавляет утечку тока в сухих условиях, жидкая среда создает серьезные осложнения. Площадь электрода заднего затвора необходимо тщательно минимизировать, чтобы избежать фарадеевских токов, вызванных оксидными дефектами. Микроскопические дефекты обработки, которые действуют как безвредные изоляторы в воздухе, могут внезапно стать активными путями утечки ионов, помещенных в раствор. Кроме того, сам диэлектрический материал уязвим для электрохимической деградации и травления под действием воды под напряжением, что приводит к выходу устройства из строя. Мы считаем, что эта серьезная техническая проблема является ключевой причиной того, что графеновые полевые транзисторы с двойным затвором до сих пор не получили широкого распространения в исследованиях и промышленности. Чтобы в конечном итоге преодолеть эту проблему, мы оптимизировали наш оксидный слой и усовершенствовали протоколы изготовления, чтобы устранить как можно больше микроскопических дефектов. Самое главное, мы успешно минимизировали зону задних ворот. Значительно сократив это воздействие, мы эффективно отсекли активные пути утечки ионов и подавили фарадеевские токи, что, наконец, позволило нам добиться стабильной и надежной работы датчиков в жидких средах.

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

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как это работает?

Э&К :Представьте себе стандартный полевой транзистор как водопроводный кран в раковине. Когда кран — или затвор, как мы называем его в электронике — открыт, электрический ток свободно течет через систему. Когда ворота закрываются, поток прекращается. Для проведения измерений обычными датчиками приходится постоянно регулировать этот отвод вверх и вниз, что вызывает нестабильность и приводит к неточным показаниям. Чтобы решить эту проблему, мы разработали систему с двумя вентилями вместо одного, что дает нам независимый контроль над величиной тока, протекающего через систему. Использование двух вентилей позволяет нам поддерживать постоянный ток, что устраняет основную причину дрейфа сигнала. Затем мы добавили к одному из вентилей систему обратной связи, чтобы точно отслеживать, как молекулы влияют на напряжение датчика. Поскольку электрическая емкость верхнего затвора в 10 раз превышает электрическую емкость нижнего затвора, он невероятно чувствителен к окружающей среде, а нижний затвор действует как жесткий электронный противовес. Эта связь усиливает сигналы. Если на поверхности датчика происходит небольшое химическое изменение, в наших измерениях мы видим его, умноженное на 10, что позволяет нам четко идентифицировать очень незначительные химические показания.

Технические обзоры :Есть ли у вас какие-либо новости, которыми вы можете поделиться?

Э&К :Мы успешно протестировали реакцию платформы на летучие органические соединения в газовой фазе. В частности, мы использовали нашу конфигурацию с фиксированным дифференциальным режимом (DMF) для обнаружения изопропилового спирта. Что касается коммерциализации, Государственный университет Пенсильвании подал предварительную заявку на патент, которая охватывает эту сенсорную платформу с двойным затвором, управляемую обратной связью. Что касается будущих материалов, то использование нами масштабируемых материалов и простой электроники делает эту платформу легко адаптируемой к другим 2D-материалам в будущем. В настоящее время мы работаем над разработкой экспериментов, которые позволят воплотить эту идею в жизнь, включая оптимизацию датчиков для выявления летучих органических соединений, связанных с болезнью Паркинсона, и изучение того, как наша система работает с различными 2D-материалами.

Технические обзоры :Есть ли у вас какой-нибудь совет исследователям, желающим воплотить свои идеи в жизнь?

Э&К :Наше исследование является свидетельством силы междисциплинарного сотрудничества и адаптивности. Мы успешно воплотили эту идею в жизнь, объединив опыт электротехники, биомедицинской инженерии и материаловедения, чтобы преодолеть давние ограничения датчиков с одним затвором. Мой главный совет — сохранять гибкость и мыслить нестандартно:изначально мы использовали эти устройства для другого механизма восприятия, но нам пришлось перейти на этот новый механизм обратной связи, чтобы добиться необходимой нам стабильности и чувствительности.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Э&К :Мы хотели бы подчеркнуть, насколько масштабируема и практична наша система. Наша архитектура успешно устраняет разрыв между наноразмерными материалами и практичными портативными диагностическими инструментами. Мы успешно интегрировали несколько датчиков непосредственно в специальные печатные платы. Мы можем объединить десятки датчиков и измерять каждый из них независимо, без каких-либо электрических помех. Собирая массивы этих плат, мы можем легко увеличить количество датчиков в системе, сохраняя при этом сами устройства невероятно маленькими. Мы также хотим добавить, что на протяжении десятилетий федеральная поддержка исследований способствовала именно этому типу инноваций, а недавнее сокращение федерального финансирования ставит под угрозу наш прогресс в решении реальных проблем, влияющих на здоровье и безопасность человека.