Fortschrittliche Sensortechnologie:Äußerst reaktionsschnell und vielseitig, auch in flüssigen Umgebungen

Andrew Corselli

Das Team montierte Sensoren, die mit ihrem neuen Feldeffekttransistor-Design gebaut wurden, wie die hier abgebildete auf integrierten Leiterplatten, um die Erfassungsgenauigkeit und -empfindlichkeit zu testen. Sie fanden heraus, dass ihr Ansatz Sensoren ermöglicht, die nicht nur reagieren, sondern auch äußerst resistent gegenüber Signaldriftproblemen sind, mit denen frühere Designs konfrontiert waren. (Bild:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Durch die genaue Messung kleiner Veränderungen biologischer Marker wie Proteine und Neurotransmitter oder schädlicher Chemikalien in der Wasserversorgung können kritische Probleme erkannt werden, bevor sie sich auf Patienten oder die Umwelt auswirken können. Während einige vorhandene Sensoren die mikroskopische Materie hinter diesen Problemen überwachen können, weisen sie häufig Einschränkungen auf. Ein Paradebeispiel ist ein Gerät, das als Feldeffekttransistor bekannt ist – eine winzige Komponente, die den Stromfluss in einem System steuert –, die Schwierigkeiten hat, stabil zu bleiben, wenn sie Flüssigkeiten ausgesetzt wird.

Forscher an der Penn State University haben einen neuen Feldeffekttransistortyp entwickelt, der eine reaktionsfähige und vielseitige Erfassung selbst in flüssigkeitsreichen Umgebungen wie dem menschlichen Körper ermöglichen kann. Sensoren, die mit den Transistoren des Teams gebaut wurden, reagierten bis zu 20-mal empfindlicher auf verschiedene chemische und biologische Signale, wie gefährliche Chemikalien im Wasser oder den Dopaminspiegel im Gehirn, als andere Sensoren, die mit vergleichbaren Transistordesigns gebaut wurden. Das Team veröffentlichte seine Arbeit in npj 2D Materials and Applications .

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Aida Ebrahimi und Vinay Kammarchedu, Korrespondenten bzw. Erstautoren des Artikels.

Technische Kurzinformationen :Was war die größte technische Herausforderung für Sie bei der Entwicklung dieser Sensortechnologie?

Ebrahimi &Kammarchedu :Die größte Hürde, auf die wir stießen, war die Gate-Leckage, wenn die Dual-Gate-Sensoren in flüssige Umgebungen eingetaucht wurden. Während die Verwendung lokaler High-k-Backgates die effektive Oxiddicke erfolgreich reduziert und elektrische Leckagen in trockenen Umgebungen unterdrückt, führen flüssige Umgebungen zu schwerwiegenden Komplikationen. Die Fläche der Back-Gate-Elektrode muss sorgfältig minimiert werden, um durch Oxiddefekte verursachte Faraday-Ströme zu vermeiden. Mikroskopische Verarbeitungsfehler, die als harmlose Isolatoren in der Luft wirken, können plötzlich zu aktiven Leckpfaden für Ionen werden, sobald sie in eine Lösung gelangen. Darüber hinaus ist das dielektrische Material selbst anfällig für elektrochemischen Abbau und wasserunterstütztes Ätzen unter Vorspannung, was zum Ausfall des Geräts führt. Wir glauben, dass diese große technische Herausforderung ein Hauptgrund dafür ist, dass Dual-Gate-Graphen-Feldeffekttransistoren bisher in Forschung und Industrie keine breite Anwendung gefunden haben. Um dieses Problem letztendlich zu überwinden, haben wir unsere Oxidschicht optimiert und unsere Herstellungsprotokolle verfeinert, um so viele mikroskopische Defekte wie möglich zu beseitigen. Am wichtigsten ist, dass wir den Back-Gate-Bereich erfolgreich minimiert haben. Durch die drastische Reduzierung dieses Platzbedarfs haben wir die aktiven Leckpfade für Ionen effektiv abgeschnitten und die Faraday-Ströme unterdrückt, was uns schließlich einen stabilen, zuverlässigen Sensorbetrieb in flüssigen Umgebungen ermöglichte.

Aida Ebrahimi (links) und Vinay Kammarchedu haben ein verbessertes Feldeffekttransistordesign entwickelt, das unglaublich empfindliche und belastbare Sensoren mit Strom versorgen kann. (Bild:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Technische Kurzinformationen :Können Sie bitte in einfachen Worten erklären, wie es funktioniert?

E&K :Stellen Sie sich einen Standard-Feldeffekttransistor wie einen Wasserhahn in einem Waschbecken vor. Wenn der Hahn – oder Tor, wie wir es in der Elektronik nennen – geöffnet ist, fließt elektrischer Strom ungehindert durch das System. Wenn sich das Tor schließt, stoppt der Durchfluss. Um Messungen mit herkömmlichen Sensoren durchzuführen, muss man den Hahn ständig nach oben und unten verstellen, was zu Instabilität und ungenauen Messwerten führt. Um dieses Problem zu lösen, haben wir ein System mit zwei Toren statt einem entwickelt, das uns eine unabhängige Kontrolle über die Strommenge gibt, die durch das System fließt. Durch die Verwendung von zwei Toren können wir den Strom konstant aufrechterhalten, wodurch eine der Hauptursachen für Signaldrift beseitigt wird. Anschließend haben wir einem der Tore ein Rückkopplungssystem hinzugefügt, um genau zu verfolgen, wie Moleküle die Spannung des Sensors beeinflussen. Da das obere Tor eine zehnmal höhere elektrische Kapazität als das untere Tor hat, ist es äußerst empfindlich gegenüber der Umgebung, während das untere Tor als steifes elektronisches Gegengewicht fungiert. Diese Beziehung verstärkt die Signale. Wenn es an der Oberfläche des Sensors zu einer winzigen chemischen Veränderung kommt, sehen wir diese in unseren Messungen mit dem Faktor 10 multipliziert, sodass wir auch sehr geringfügige chemische Messwerte eindeutig identifizieren können.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie Updates, die Sie teilen können?

E&K :Wir haben die Reaktion der Plattform auf flüchtige organische Verbindungen in der Gasphase erfolgreich getestet. Konkret nutzten wir unsere DMF-Konfiguration (Differential Mode Fixed) zur Erkennung von Isopropylalkohol. Im Hinblick auf die Kommerzialisierung hat die Pennsylvania State University einen vorläufigen Patentantrag eingereicht, der diese rückkopplungsgesteuerte Sensorplattform mit zwei Gattern abdeckt. Was zukünftige Materialien betrifft, so ermöglicht unsere Verwendung skalierbarer Materialien und unkomplizierter Elektronik, dass diese Plattform in Zukunft problemlos an andere 2D-Materialien angepasst werden kann. Derzeit arbeiten wir an der Gestaltung von Experimenten, um dies zu verwirklichen. Dazu gehört die Optimierung der Sensoren zur Identifizierung flüchtiger organischer Verbindungen, die mit der Parkinson-Krankheit in Zusammenhang stehen, und die Untersuchung, wie unser System mit verschiedenen 2D-Materialien funktioniert.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie einen Rat für Forscher, die ihre Ideen verwirklichen möchten?

E&K :Unsere Studie ist ein Beweis für die Kraft interdisziplinärer Zusammenarbeit und Anpassungsfähigkeit. Wir haben diese Idee erfolgreich verwirklicht, indem wir Fachwissen aus Elektrotechnik, Biomedizintechnik und Materialwissenschaften zusammengeführt haben, um die langjährigen Einschränkungen von Single-Gate-Sensoren zu überwinden. Mein wichtigster Rat ist, flexibel zu bleiben und über den Tellerrand zu schauen:Ursprünglich verwendeten wir diese Geräte für einen anderen Sensormechanismus, aber wir mussten auf diesen neuartigen Feedback-Mechanismus umsteigen, um die Stabilität und Empfindlichkeit zu erreichen, die wir brauchten.

Technische Kurzinformationen :Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das ich nicht angesprochen habe?

E&K :Wir würden gerne hervorheben, wie skalierbar und praktisch unser System ist. Unsere Architektur schließt erfolgreich die Lücke zwischen nanoskaligen Materialien und praktischen, tragbaren Diagnosewerkzeugen. Wir haben mehrere Sensoren erfolgreich direkt in kundenspezifische Leiterplatten integriert. Wir können Dutzende Sensoren integrieren und jeden einzelnen unabhängig messen, ohne dass es zu elektrischen Störungen kommt. Durch das Stapeln von Arrays dieser Leiterplatten können wir die Anzahl der Sensoren in einem System problemlos erhöhen und gleichzeitig die Geräte selbst unglaublich klein halten. Wir möchten auch hinzufügen, dass die staatliche Forschungsförderung seit Jahrzehnten genau diese Art von Innovation vorantreibt und die jüngsten Kürzungen der Bundesmittel unseren Fortschritt bei der Lösung realer Probleme gefährden, die sich auf die menschliche Gesundheit und Sicherheit auswirken.