Technologie de capteur avancée : hautement réactive et polyvalente, même en environnement liquide

Andrew Corselli

L'équipe a monté des capteurs construits avec leur nouvelle conception de transistor à effet de champ sur des cartes de circuits intégrés, comme celle illustrée ici, afin de tester la précision et la sensibilité de détection. Ils ont découvert que leur approche facilite des capteurs qui sont non seulement réactifs, mais hautement résistants aux problèmes de dérive de signal qui avaient affecté les conceptions précédentes. (Image : Jaydyn Isiminger / Penn State)

Mesure précise des marqueurs biologiques et chimiques

Mesurer avec précision de petits changements dans les marqueurs biologiques, comme les protéines et les neurotransmetteurs, ou les produits chimiques nocifs dans l'approvisionnement en eau peut identifier des problèmes critiques avant qu'ils n'aient la chance d'affecter les patients ou l'environnement. Bien que certains capteurs existants puissent surveiller la matière microscopique derrière ces problèmes, ils ont souvent des limitations. Un exemple principal est un dispositif connu sous le nom de transistor à effet de champ — un minuscule composant qui contrôle le flux de courant électrique dans un système — qui a du mal à rester stable lorsqu'il est exposé à un liquide.

Des chercheurs de Penn State ont conçu un nouveau type de transistor à effet de champ qui peut faciliter une détection réactive et polyvalente, même dans des environnements riches en liquides comme le corps humain. Les capteurs construits avec les transistors de l'équipe étaient jusqu'à 20 fois plus sensibles à divers signaux chimiques et biologiques, comme les produits chimiques dangereux dans l'eau ou les niveaux de dopamine dans le cerveau, que d'autres capteurs construits avec des conceptions de transistors comparables. L'équipe a publié ses travaux dans npj 2D Materials and Applications.

Interview exclusive Tech Briefs

Voici une interview exclusive de Tech Briefs, éditée pour la longueur et la clarté, avec Aida Ebrahimi et Vinay Kammarchedu, auteurs correspondants et premier auteur de l'article, respectivement.

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique lors du développement de cette technologie de détection ?

Ebrahimi & Kammarchedu : L'obstacle principal que nous avons rencontré était la fuite de grille lorsque les capteurs à double grille étaient immergés dans des environnements liquides. Bien que l'utilisation de grilles arrière locales à haut-k réduise efficacement l'épaisseur d'oxyde effective et supprime la fuite électrique dans des conditions sèches, les environnements liquides introduisent de graves complications. La zone de l'électrode de grille arrière doit être soigneusement minimisée pour éviter les courants faradaïques causés par les défauts d'oxyde. Les défauts de traitement microscopiques qui agissent comme des isolants inoffensifs dans l'air peuvent soudainement devenir des voies de fuite actives pour les ions une fois placés en solution. De plus, le matériau diélectrique lui-même est vulnérable à la dégradation électrochimique et à l'attaque assistée par l'eau sous polarisation, ce qui entraîne la défaillance du dispositif. Nous pensons que ce défi technique sévère est une raison clé pour laquelle les transistors à effet de champ à double grille en graphène n'ont pas été largement adoptés dans la recherche ou l'industrie jusqu'à présent. Pour finalement surmonter cela, nous avons optimisé notre couche d'oxyde et affiné nos protocoles de fabrication pour éliminer autant de défauts microscopiques que possible. Plus important encore, nous avons réussi à minimiser la zone de la grille arrière. En réduisant drastiquement cette empreinte, nous avons efficacement coupé les voies de fuite actives pour les ions et supprimé les courants faradaïques, ce qui nous a finalement permis d'obtenir un fonctionnement stable et fiable du capteur dans des environnements liquides.

Aida Ebrahimi, à gauche, et Vinay Kammarchedu ont développé une conception améliorée de transistor à effet de champ qui peut alimenter des capteurs incroyablement sensibles et résilients. (Image : Jaydyn Isiminger / Penn State)

Tech Briefs : Pouvez-vous expliquer en termes simples comment cela fonctionne ?

E&K : Pensez à un transistor à effet de champ standard comme un robinet d'évier. Quand le robinet — ou la grille, comme nous l'appelons en électronique — est ouvert, le courant électrique circule librement dans le système. Quand la grille se ferme, le flux s'arrête. Pour prendre des mesures avec des capteurs conventionnels, vous devez constamment ajuster ce robinet de haut en bas, ce qui cause de l'instabilité et mène à des lectures inexactes. Pour résoudre cela, nous avons conçu un système avec deux grilles au lieu d'une, nous donnant un contrôle indépendant sur la quantité de courant circulant dans le système. L'utilisation de deux grilles nous permet de maintenir le courant en fonctionnement constant, ce qui élimine une cause majeure de dérive du signal. Nous avons ensuite ajouté un système de rétroaction à l'une des grilles pour suivre précisément comment les molécules affectent la tension du capteur. Comme la grille supérieure a 10 fois la capacité électrique de la grille inférieure, elle est incroyablement sensible à l'environnement, tandis que la grille inférieure agit comme un contrepoids électronique rigide. Cette relation amplifie les signaux. S'il y a un minuscule changement chimique à la surface du capteur, nous le voyons multiplié par 10 dans nos mesures, nous permettant d'identifier clairement de très faibles lectures chimiques.

Tech Briefs : Avez-vous des mises à jour à partager ?

E&K : Nous avons testé avec succès la réponse de la plateforme aux composés organiques volatils en phase gazeuse. Plus précisément, nous avons utilisé notre configuration en mode différentiel fixe (DMF) pour détecter l'alcool isopropylique. Concernant la commercialisation, l'Université d'État de Pennsylvanie a déposé une demande de brevet provisoire couvrant cette plateforme de détection à double grille pilotée par rétroaction. Quant aux futurs matériaux, notre utilisation de matériaux évolutifs et d'électronique simple rend cette plateforme facilement adaptable à d'autres matériaux 2D à l'avenir. Actuellement, nous travaillons à la conception d'expériences pour concrétiser cela, ce qui inclut l'optimisation des capteurs pour identifier les composés organiques volatils associés à la maladie de Parkinson et l'exploration du fonctionnement de notre système avec différents matériaux 2D.

Tech Briefs : Avez-vous des conseils pour les chercheurs qui cherchent à concrétiser leurs idées ?

E&K : Notre étude témoigne de la puissance de la collaboration interdisciplinaire et de l'adaptabilité. Nous avons réussi à concrétiser cette idée en fusionnant l'expertise en génie électrique, génie biomédical et science des matériaux pour surmonter les limitations de longue date des capteurs à grille unique. Mon plus grand conseil est de rester flexible et de penser en dehors des sentiers battus : à l'origine, nous utilisions ces dispositifs pour un autre mécanisme de détection, mais nous avons dû pivoter vers ce nouveau mécanisme de rétroaction pour atteindre la stabilité et la sensibilité dont nous avions besoin.

Tech Briefs : Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter ?

E&K : Nous aimerions souligner à quel point notre système est évolutif et pratique. Notre architecture comble avec succès le fossé entre les matériaux à l'échelle nanométrique et les outils de diagnostic pratiques et portables. Nous avons intégré avec succès plusieurs capteurs directement dans des cartes de circuits personnalisées. Nous pouvons intégrer des dizaines de capteurs et mesurer chacun indépendamment sans aucune interférence électrique. En empilant des réseaux de ces cartes de circuits, nous pouvons facilement augmenter le nombre de capteurs dans un système tout en gardant les dispositifs eux-mêmes incroyablement petits. Nous voulons également ajouter que depuis des décennies, le soutien fédéral à la recherche a alimenté ce type exact d'innovation, et les récentes coupes dans le financement fédéral menacent nos progrès dans la résolution de problèmes réels qui affectent la santé et la sécurité humaines.