Technologie de capteur avancée :hautement réactive et polyvalente, même dans des environnements liquides

Andrew Corselli L'équipe a installé 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 la détection. Ils ont constaté que leur approche permettait de créer des capteurs non seulement réactifs, mais également très résistants aux problèmes de dérive du signal rencontrés dans les conceptions précédentes. (Image :Jaydyn Isiminger / Penn State)

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 les problèmes critiques avant qu'ils n'aient la possibilité d'avoir un impact sur les patients ou l'environnement. Même si certains capteurs existants peuvent surveiller la matière microscopique à l’origine de ces problèmes, ils présentent souvent des limites. 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 capable de 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 .

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Aida Ebrahimi et Vinay Kammarchedu, respectivement correspondants et premiers auteurs du journal.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors du développement de cette technologie de détection ?

Ebrahimi et Kammarchédu :Le principal obstacle que nous avons rencontré était les fuites de grille lorsque les capteurs à double grille étaient immergés dans des environnements liquides. Bien que l'utilisation de portes arrière locales à haute k réussisse à réduire l'épaisseur effective de l'oxyde et à supprimer les fuites électriques dans les environnements secs, les environnements liquides introduisent de graves complications. La zone de l'électrode de porte arrière doit être soigneusement minimisée pour éviter les courants faradiques provoqués par des 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 dans une solution. De plus, le matériau diélectrique lui-même est vulnérable à la dégradation électrochimique et à la gravure assistée par l'eau sous polarisation, ce qui entraîne une défaillance du dispositif. Nous pensons que ce défi technique majeur est l’une des principales raisons pour lesquelles les transistors à effet de champ en graphène à double grille n’ont pas été largement adoptés jusqu’à présent dans la recherche ou l’industrie. Pour finalement surmonter ce problème, 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 porte arrière. En réduisant considérablement cette empreinte, nous avons effectivement coupé les voies de fuite actives des ions et supprimé les courants faradiques, 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 capable d'alimenter des capteurs incroyablement sensibles et résilients. (Image :Jaydyn Isiminger / Penn State)

Notes techniques :Pouvez-vous expliquer en termes simples comment cela fonctionne s'il vous plaît ?

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

Notes techniques  :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 DMF (Différentiel Mode Fixe) pour détecter l’alcool isopropylique. En ce qui concerne la commercialisation, l'Université d'État de Pennsylvanie a déposé une demande de brevet provisoire couvrant cette plate-forme de détection à double porte et pilotée par rétroaction. En ce qui concerne les matériaux du futur, notre utilisation de matériaux évolutifs et d’une électronique simple rend cette plate-forme facilement adaptable à d’autres matériaux 2D à l’avenir. Actuellement, nous travaillons sur la conception d'expériences pour mener à bien ce projet, 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.

Notes techniques :Avez-vous des conseils à donner aux chercheurs souhaitant concrétiser leurs idées ?

E&K :Notre étude témoigne du pouvoir de la collaboration interdisciplinaire et de l’adaptabilité. Nous avons réussi à concrétiser cette idée en fusionnant nos expertises en génie électrique, en génie biomédical et en science des matériaux pour surmonter les limites de longue date des capteurs à porte unique. Mon plus grand conseil est de rester flexible et de sortir des sentiers battus :à l'origine, nous utilisions ces appareils pour un autre mécanisme de détection, mais nous avons dû nous tourner vers ce nouveau mécanisme de rétroaction pour obtenir la stabilité et la sensibilité dont nous avions besoin.

Notes techniques :Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter et que je n'ai pas abordé ?

E&K :Nous serions ravis de 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 circuits imprimés personnalisés. Nous pouvons intégrer des dizaines de capteurs et mesurer chacun indépendamment sans aucune interférence électrique. En empilant des réseaux de ces circuits imprimés, nous pouvons facilement augmenter le nombre de capteurs dans un système tout en gardant les appareils eux-mêmes incroyablement petits. Nous souhaitons également ajouter que depuis des décennies, le soutien fédéral à la recherche a alimenté ce type précis d'innovation, et que les récentes réductions du financement fédéral menacent nos progrès dans la résolution de problèmes réels ayant un impact sur la santé et la sécurité humaines.