Węglowy tranzystor polowy bramkowany elektrolitycznie jako czujnik i interfejs bioelektroniczny

W Instytucie Fizyki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy podjęto badania nad konstrukcją tranzystorów polowych bramkowanych elektrolitycznie (SGFET), w których kanał przewodzący wykonany jest z materiałów węglowych. Pod uwagę brane są zarówno węgle o hybrydyzacji sp3 (diament), jak też węgle o strukturze plastra miodu (nanorurki, grafen, tlenek grafenu, etc.). Jak dotąd udało się zrealizować czujnik pH oparty o cienką warstwę diamentu wodorowanego oraz papier z jednościennych nanorurek węglowych (bucky-paper).

Na tranzystor polowy bramkowany elektrolitycznie (SGFET) składają się trzy elektrody (źródło, dren i bramka) oraz cienki kanał przewodnictwa, który stanowi materiał półprzewodzący. Źródło jest uziemione, podczas gdy do drenu i bramki przyłożone są dwa różne napięcia. Kanał przewodzący i bramka są oddzielone od siebie poprzez elektrolit, który zastępuje warstwę dielektryczną stosowaną w tradycyjnych tranzystorach polowych. Za pomocą napięcia bramki steruje się przewodnictwem warstwy półprzewodzącej poprzez zmianę koncentracji nośników prądu w kanale przewodnictwa.

Ponieważ koncentracja nośników prądu zmienia się również pod wpływem jonów elektroaktywnych z roztworu zaadsorbowanych na powierzchni półprzewodnika, SGFET wykorzystywany jest jako czujnik chemiczny i biologiczny do pomiaru pH roztworu, jonów Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Pb2+ oraz analitów biologicznych [Feng Yan, Meng Zhang, and Jinhua Li. Adv. Healthcare Mater. 2014, DOI: 10.1002/adhm.201300221]. Rozważa się również zastosowanie tego typu tranzystora w bioelektronice. Urządzenie to może odgrywać role interfejsu (neuroprotezy) pomiędzy układem biologicznym, np. siatkówką w oku, i standardowymi mikroprocesorami [Lucas H. Hess, Max Seifert, Jose A. Garrido. Proceedings of the IEEE. 2013, 101, 1780, DOI: 10.1109/JPROC.2013.2261031].

Materiały stosowane jako kanał przewodzący w tranzystorze są często niestabilne w roztworach wodnych, co przyczynia się do spadku czułości czujników SGFET w tkankach żywych. W celu zapewnienia dobrego współczynnika sygnału do szumu należy stosować materiały odporne chemicznie, które jednocześnie wykazują się dużą ruchliwością ładunków. Materiały węglowe w dużym stopniu spełniają te oczekiwania, są biokompatybilne oraz stabilne chemicznie w elektrolitach wodnych. Problemem, nad którym pracujemy, jest określenie wpływu (1) struktury elektronowej materiałów węglowych o hybrydyzacji sp3 i sp2, (2) ruchliwości elektronów i dziur oraz (3) struktury powierzchni międzyfazowej elektrolitu i kanału przewodzącego SGFET. Zapraszamy do współpracy.

Kontakt: Paweł Szroeder, e-mail: psz@ukw.edu.pl
Instytut Fizyki, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy