Tay Tkacik, Pensilvaniya Dövlət Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

(a) Hər iki interfeysdən tutum modulyasiyasına imkan verən, müstəqil üst qapı və bərk hallı HfO2 dielektrikli lokal naxışlı arxa qapıya malik ikiqat qapılı GFET-in sxemi _. Əlavə: hazırlanmış cihazın optik mikroqrafı (miqyas zolağı: 30 μm). (b) Qalın SiO2 dielektrikli ənənəvi qlobal arxa qapılı GFET-in müqayisə sxemi _. Kredit: npj 2D Materials and Applications (2026). DOI: 10.1038/s41699-026-00674-5

Zülallar və neyrotransmitterlər kimi bioloji markerlərdəki kiçik dəyişiklikləri və ya su təchizatındakı zərərli kimyəvi maddələri dəqiq ölçmək, xəstələrə və ya ətraf mühitə təsir etmə ehtimalı yaranmazdan əvvəl kritik problemləri müəyyən edə bilər. Bəzi mövcud sensorlar bu problemlərin arxasındakı mikroskopik maddəni izləyə bilsə də, onların çox vaxt məhdudiyyətləri olur. Əsas nümunə, mayeyə məruz qaldıqda sabit qalmaq üçün mübarizə aparan sahə effektli tranzistor – sistemdə elektrik cərəyanının axınını idarə edən kiçik bir komponent – kimi tanınan bir cihazdır.

Penn State Universitetinin tədqiqatçıları, insan bədəni kimi maye ilə zəngin mühitlərdə belə, həssas və çox yönlü sensorları asanlaşdıra bilən yeni bir sahə effektli tranzistor növü hazırlayıblar. Komandanın tranzistorları ilə qurulmuş sensorlar, oxşar tranzistor dizaynları ilə qurulmuş digər sensorlardan fərqli olaraq, suda təhlükəli kimyəvi maddələr və ya beyində dopamin səviyyələri kimi müxtəlif kimyəvi və bioloji siqnallara 20 dəfəyə qədər daha həssas idi. Komanda öz işlərini npj 2D Materials and Applications jurnalında dərc edib .

Qrafen tranzistorları siqnal sürüşməsinin qarşısını alır

Texnologiya, cəmi bir neçə atom qalınlığında olmasına baxmayaraq, keçirici və ətraf mühitə yüksək həssas olan ikiölçülü (2D) material olan qrafenə əsaslanır. Biosensorlarda istifadə olunan sahə effektli tranzistorlar ənənəvi olaraq silikondan hazırlanırdı, lakin getdikcə qrafen kimi 2D materiallardan hazırlanır. Lakin, Aida Ebrahimi, Tomas və Şeyla Roellin sözlərinə görə, Elektrik Mühəndisliyi üzrə Erkən Karyera Dosenti və məqalənin müvafiq müəllifi olan Şeyla Roell mayeyə batırıldıqda, bu sahə effektli tranzistorlar siqnal sürüşməsi ilə qarşılaşırlar – sensorun oxunuşları zamanla tədricən dəyişir, hətta ölçülən girişlər eyni qaldıqda belə, nəticədə dəqiqliyi azaldır.Aida Ebrahimi (solda) və Vinay Kammarchedu inanılmaz dərəcədə həssas və davamlı sensorları gücləndirə bilən təkmilləşdirilmiş sahə effektli tranzistor dizaynı hazırlayıblar. Müəllif: Jaydyn Isiminger/Penn State

Biotibbi mühəndislik, materialşünaslıq və mühəndislik sahələrində də vəzifə tutan Ebrahimi bildirib ki, “Siqnal sürüşməsindən başqa, bu cihazlar elektrik sızması və süpürmənin yaratdığı qeyri-sabitlik ilə mübarizə aparır ki, bu da zamanla onların etibarlılığına əhəmiyyətli dərəcədə təsir edən ümumi ölçmə texnikasıdır. Bu, bu tranzistorların implantasiya edilə bilən cihazlar kimi biointerfeyslərdə və ya maye ilə qarşılıqlı təsirdə tətbiqini çətinləşdirir.”

Elektrik mühəndisliyi üzrə doktorluq namizədi və məqalənin ilk müəllifi Vinay Kammarçedu izah edir ki, sahə effektli tranzistorlar mahiyyət etibarilə lavabodakı kran kimi işləyir. Kran — elektronika dilində desək, qapı — açıq olduqda, sahə effektli tranzistor cərəyanın sistemdən sərbəst axmasına imkan verir. Kran və ya qapı bağlandıqda axın dayanır. Lakin, ənənəvi sensorlarla ölçmə aparmaq üçün həmin kran daim yuxarı və aşağı tənzimlənməlidir. Kammarçeduya görə, bu daimi dəyişiklik sistemdə qeyri-sabitliyə səbəb olur və bu da qeyri-dəqiq oxunuşlara səbəb olur.

İkiqat qapılar və geribildirim sabitliyi artırır

Kammarçedu dedi: “Biz dizaynı bir deyil, iki qapıya uyğunlaşdırdıq və bu da sistemdən axan cərəyanın miqdarı üzərində müstəqil nəzarətə imkan verdi. İki qapıdan istifadə edərək, sistemdən axan cərəyanı sabit saxlaya və siqnal sürüşməsinin əsas səbəbini aradan qaldıra bilərik. Bundan əlavə, molekulların sensorun gərginliyinə təsirini daha dəqiq izləmək üçün qapılardan birinə geribildirim sistemi əlavə etdik.”

Kammarçedu izah etdi ki, geribildirim sistemi hər bir qapının fərqli elektrik tutumundan istifadə etməklə işləyir — üst qapının tutumu alt qapının tutumundan 10 dəfə çoxdur, yəni ətraf mühitə çox həssasdır, alt qapı isə sərt elektron əks-tarazlıq rolunu oynayır. Qapılar arasındakı bu əlaqə tranzistordan gələn siqnalları gücləndirir və sensorun ümumi cavabdehliyini əhəmiyyətli dərəcədə artırır.

Kammarçedu dedi: “Sensorun səthindəki yükdə kiçik bir kimyəvi dəyişiklik olarsa, bu geribildirim sistemi sayəsində ölçmələrimizdə onun 10-a vurulduğunu görürük. Bu, kimyəvi göstəricilərdə çox kiçik dəyişiklikləri aydın şəkildə görməyə imkan verir.”

Nano istehsal laboratoriyasından sınaq lövhələrinə qədər

Komanda, Penn State-in Nanofabrikasiya Laboratoriyasından istifadə edərək, ultra nazik metallar, izolyasiyaedici oksid və çip istehsalında əsas material kimi xidmət edən cilalanmış silisium disklərindən hazırlanmış əsas təbəqənin üstünə tək atom qalınlığında qrafen təbəqəsi qoyaraq tranzistorlarını yaratdı. Daha sonra onlar bir neçə sensoru birbaşa bir sıra xüsusi dövrə lövhələrinə birləşdirdilər və onları bir-birinə bağladılar. Dizaynlarını sınaqdan keçirmək üçün komanda, sensorlar lövhələrə qoşulduqdan sonra onlara müxtəlif bioloji və kimyəvi birləşmələr ehtiva edən maye məhlullar əlavə etdi və sensorların hər bir nümunənin tərkibini nə dərəcədə yaxşı izləyə biləcəyini ölçdü.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Kammarçedu dedi: “Biz 32-yə qədər sensoru inteqrasiya edə və hər birini elektrik müdaxiləsi olmadan müstəqil şəkildə ölçə bilərik. Bu dövrə lövhələrinin massivlərini bir yerə yığmaqla, sensorların özlərini çox kiçik saxlayaraq sistemdəki sensorların sayını artıra bilərik.”

Komandanın sensorları digər ənənəvi tək qapılı sahə effektli tranzistorlara nisbətən 20 dəfəyə qədər daha çox həssaslıq və 15 dəfəyə qədər daha az siqnal sürüşməsi nümayiş etdirib. Ebrahiminin sözlərinə görə, sensorların digər əsas xüsusiyyəti odur ki, onlar beyində dopamin və serotonin kimi neyrotransmitterlər; iltihaba əsasən cavabdeh olan protein agenti olan IL-6; və digər mühitlərlə yanaşı, çirklənmiş suda qalan zərərli sintetik kimyəvi maddələr olan PFAS da daxil olmaqla müxtəlif kimyəvi və bioloji hədəfləri effektiv şəkildə izləyə bilirlər.

Ebrahimi bildirib ki, “Tranzistorlar təkcə elektrik səs-küyünə və siqnal sürüşməsinə qarşı yüksək dərəcədə davamlı deyil, həm də tətbiq etdiyimiz mühəndislik təkmilləşdirmələri onların həssaslığını əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Bu, sensor tətbiqlərini olduqca geniş edir. Onlar səhiyyə tətbiqlərində, kənd təsərrüfatı və ətraf mühitin monitorinqi üçün aşağı konsentrasiyalarda kimyəvi maddələri və biomolekulları effektiv şəkildə aşkar edə bilirlər.”

Real həyatda diaqnostikaya doğru növbəti addımlar

Komanda sensor arxitekturasını inkişaf etdirməyə davam etməyi və texnologiyanı kommersiya məqsədli istifadəyə hazırlamağı planlaşdırır. Hazırda onlar Parkinson xəstəliyi ilə əlaqəli uçucu üzvi birləşmələri müəyyən etmək üçün sensorları optimallaşdırırlar. Ebrahimi bildirib ki, markerləri daha erkən aşkar etməklə klinisyenlər erkən müdaxilələri potensial olaraq yaxşılaşdıra bilərlər. Tədqiqatçılar həmçinin cihazlarının sensor qabiliyyətlərini artırmaq üçün arxitekturalarında müxtəlif 2D materiallardan istifadə etməyi araşdırırlar.

“Penn State materiallar sahəsində liderdir, ona görə də sistemimizin müxtəlif 2D materiallarla necə işlədiyini və qrafen xaricində materiallarla performansı optimallaşdıra biləcəyimizi araşdırmağa davam etməkdən həqiqətən həyəcanlıyıq”, – deyə Ebrahimi bildirib. “Kompakt sistemimiz nanoskallı materiallarla praktik portativ diaqnostika alətləri arasındakı boşluğu aradan qaldırır. Bu arxitektura artıq miniatürləşdirilib, daha böyük miqyasda tətbiq oluna bilər və birbaşa ənənəvi dövrə lövhələrinə və inteqrasiya olunmuş dövrə formatlarına inteqrasiya edilə bilər.”