Geavanceerde sensortechnologie:zeer responsief en veelzijdig, zelfs in vloeibare omgevingen

Andrew Corselli

Het team heeft sensoren gebouwd met hun nieuwe veldeffecttransistorontwerp op geïntegreerde printplaten, zoals hier afgebeeld, om de detectienauwkeurigheid en gevoeligheid te testen. Ze ontdekten dat hun aanpak sensoren mogelijk maakt die niet alleen responsief zijn, maar ook zeer goed bestand zijn tegen de problemen met signaaldrift waarmee eerdere ontwerpen te maken hadden. (Afbeelding:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Het nauwkeurig meten van kleine verschuivingen in biologische markers, zoals eiwitten en neurotransmitters, of schadelijke chemicaliën in de watervoorziening, kan kritieke problemen identificeren voordat ze de kans krijgen om patiënten of het milieu te beïnvloeden. Hoewel sommige bestaande sensoren de microscopische materie achter deze problemen kunnen monitoren, hebben ze vaak beperkingen. Een belangrijk voorbeeld is een apparaat dat bekend staat als een veldeffecttransistor – een klein onderdeel dat de stroom van elektrische stroom in een systeem regelt – dat moeite heeft om stabiel te blijven wanneer het wordt blootgesteld aan vloeistof.

Onderzoekers van Penn State hebben een nieuw type veldeffecttransistor ontworpen die responsieve en veelzijdige detectie mogelijk maakt, zelfs in vloeistofrijke omgevingen zoals het menselijk lichaam. Sensoren gebouwd met de transistors van het team waren tot twintig keer gevoeliger voor verschillende chemische en biologische signalen, zoals gevaarlijke chemicaliën in water of de niveaus van dopamine in de hersenen, dan andere sensoren gebouwd met vergelijkbare transistorontwerpen. Het team publiceerde hun werk in npj 2D Materials and Applications .

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met respectievelijk Aida Ebrahimi en Vinay Kammarchedu, corresponderende en eerste auteurs op het papier.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens de ontwikkeling van deze sensortechnologie?

Ebrahimi &Kammarchedu :De belangrijkste hindernis die we tegenkwamen was poortlekkage wanneer de sensoren met dubbele poort werden ondergedompeld in vloeibare omgevingen. Terwijl het gebruik van lokale high-k backgates met succes de effectieve oxidedikte vermindert en elektrische lekkage onderdrukt in droge omgevingen, introduceren vloeibare omgevingen ernstige complicaties. Het gebied van de back-gate-elektrode moet zorgvuldig worden geminimaliseerd om faradaïsche stromen veroorzaakt door oxidedefecten te voorkomen. Microscopische verwerkingsfouten die als onschadelijke isolatoren in de lucht fungeren, kunnen plotseling actieve lekwegen worden voor ionen zodra ze in een oplossing zijn geplaatst. Bovendien is het diëlektrische materiaal zelf kwetsbaar voor elektrochemische degradatie en waterondersteund etsen onder voorspanning, wat leidt tot falen van het apparaat. Wij geloven dat deze ernstige technische uitdaging een belangrijke reden is waarom dual-gate grafeen veldeffecttransistors tot nu toe niet op grote schaal zijn toegepast in onderzoek of industrie. Om dit uiteindelijk te ondervangen, hebben we onze oxidelaag geoptimaliseerd en onze fabricageprotocollen verfijnd om zoveel mogelijk microscopische defecten te elimineren. Het allerbelangrijkste is dat we het achterpoortgebied met succes hebben geminimaliseerd. Door deze voetafdruk drastisch te verkleinen, hebben we op effectieve wijze de actieve lekroutes voor ionen afgesloten en de faradaïsche stromen onderdrukt, waardoor we uiteindelijk een stabiele, betrouwbare sensorwerking in vloeibare omgevingen konden bereiken.

Aida Ebrahimi, links, en Vinay Kammarchedu hebben een verbeterd veldeffecttransistorontwerp ontwikkeld dat ongelooflijk gevoelige en veerkrachtige sensoren kan aandrijven. (Afbeelding:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe het werkt?

E&K :Denk aan een standaard veldeffecttransistor, zoals een waterkraan in een gootsteen. Wanneer de kraan (of poort, zoals we dat in de elektronica noemen) open is, stroomt er ongehinderd elektrische stroom door het systeem. Wanneer de poort sluit, stopt de stroom. Om met conventionele sensoren te kunnen meten, moet je die kraan voortdurend op en neer bewegen, wat instabiliteit veroorzaakt en tot onnauwkeurige metingen leidt. Om dit op te lossen hebben we een systeem ontworpen met twee poorten in plaats van één, waardoor we onafhankelijke controle hebben over de hoeveelheid stroom die door het systeem vloeit. Door twee poorten te gebruiken, kunnen we de stroom constant laten lopen, waardoor een belangrijke oorzaak van signaaldrift wordt geëlimineerd. Vervolgens hebben we een feedbacksysteem aan een van de poorten toegevoegd om precies te volgen hoe moleculen de spanning van de sensor beïnvloeden. Omdat de bovenste poort 10 keer de elektrische capaciteit heeft van de onderste poort, is deze ongelooflijk gevoelig voor de omgeving, terwijl de onderste poort fungeert als een stijf elektronisch tegenwicht. Deze relatie versterkt de signalen. Als er een kleine chemische verandering optreedt aan het oppervlak van de sensor, zien we deze in onze metingen vermenigvuldigd met 10, waardoor we zeer kleine chemische metingen duidelijk kunnen identificeren.

Technische slips :Heeft u updates die u kunt delen?

E&K :We hebben met succes de reactie van het platform op vluchtige organische stoffen in de gasfase getest. Concreet hebben we onze Differential Mode Fixed (DMF)-configuratie gebruikt om isopropylalcohol te detecteren. Wat de commercialisering betreft, heeft de Pennsylvania State University een voorlopige patentaanvraag ingediend die betrekking heeft op dit feedbackgestuurde, dual-gated detectieplatform. Wat toekomstige materialen betreft, zorgt ons gebruik van schaalbare materialen en eenvoudige elektronica ervoor dat dit platform in de toekomst gemakkelijk kan worden aangepast aan andere 2D-materialen. Momenteel werken we aan het ontwerpen van experimenten om dit te realiseren, waaronder het optimaliseren van de sensoren om vluchtige organische stoffen te identificeren die verband houden met de ziekte van Parkinson en het onderzoeken hoe ons systeem werkt met verschillende 2D-materialen.

Technische slips :Heb je enig advies voor onderzoekers die hun ideeën willen verwezenlijken?

E&K :Onze studie is een bewijs van de kracht van interdisciplinaire samenwerking en aanpassingsvermogen. We hebben dit idee met succes gerealiseerd door expertise op het gebied van elektrotechniek, biomedische technologie en materiaalkunde samen te voegen om de al lang bestaande beperkingen van sensoren met één poort te overwinnen. Mijn grootste advies is om flexibel te blijven en buiten de gebaande paden te denken:oorspronkelijk gebruikten we deze apparaten voor een ander detectiemechanisme, maar we moesten overstappen op dit nieuwe feedbackmechanisme om de stabiliteit en gevoeligheid te bereiken die we nodig hadden.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb besproken?

E&K :We willen graag benadrukken hoe schaalbaar en praktisch ons systeem is. Onze architectuur overbrugt met succes de kloof tussen materialen op nanoschaal en praktische, draagbare diagnostische hulpmiddelen. We hebben met succes meerdere sensoren rechtstreeks in op maat gemaakte printplaten geïntegreerd. We kunnen tientallen sensoren integreren en ze allemaal onafhankelijk meten, zonder enige elektrische interferentie. Door reeksen van deze printplaten op elkaar te stapelen, kunnen we het aantal sensoren in een systeem eenvoudig opschalen, terwijl de apparaten zelf ongelooflijk klein blijven. We willen hieraan ook toevoegen dat federale steun voor onderzoek decennialang dit exacte type innovatie heeft aangewakkerd, en dat recente federale bezuinigingen onze vooruitgang in het oplossen van echte problemen die van invloed zijn op de menselijke gezondheid en veiligheid bedreigen.