Tecnología de sensores avanzada:altamente receptiva y versátil, incluso en ambientes líquidos

Andrés Corselli

El equipo instaló sensores construidos con su nuevo diseño de transistor de efecto de campo en placas de circuito integrado, como la que se muestra aquí, para probar la precisión y sensibilidad de la detección. Descubrieron que su enfoque facilita sensores que no solo responden, sino que también son altamente resistentes a los problemas de deriva de señal que habían enfrentado diseños anteriores. (Imagen:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Medir con precisión pequeños cambios en marcadores biológicos, como proteínas y neurotransmisores, o sustancias químicas nocivas en el suministro de agua, puede identificar problemas críticos antes de que tengan la posibilidad de afectar a los pacientes o al medio ambiente. Si bien algunos sensores existentes pueden monitorear la materia microscópica detrás de estos problemas, a menudo tienen limitaciones. Un ejemplo principal es un dispositivo conocido como transistor de efecto de campo, un componente diminuto que controla el flujo de corriente eléctrica en un sistema, que lucha por permanecer estable cuando se expone a un líquido.

Investigadores de Penn State han diseñado un nuevo tipo de transistor de efecto de campo que puede facilitar una detección sensible y versátil, incluso en entornos ricos en líquidos como el cuerpo humano. Los sensores construidos con los transistores del equipo eran hasta 20 veces más sensibles a diversas señales químicas y biológicas, como sustancias químicas peligrosas en el agua o los niveles de dopamina en el cerebro, que otros sensores construidos con diseños de transistores comparables. El equipo publicó su trabajo en npj 2D Materials and Applications .

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Aida Ebrahimi y Vinay Kammarchedu, autores correspondientes y primeros autores del artículo, respectivamente.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó al desarrollar esta tecnología de detección?

Ebrahimi y Kammarchedu :El principal obstáculo que encontramos fue la fuga en la puerta cuando los sensores de doble puerta estaban sumergidos en ambientes líquidos. Si bien el uso de puertas traseras locales de alta k reduce con éxito el espesor efectivo del óxido y suprime las fugas eléctricas en ambientes secos, los ambientes líquidos introducen complicaciones graves. El área del electrodo de puerta trasera debe minimizarse cuidadosamente para evitar corrientes faradaicas causadas por defectos de óxido. Los defectos de procesamiento microscópicos que actúan como aislantes inofensivos en el aire pueden convertirse repentinamente en vías de fuga activas para los iones una vez colocados en una solución. Además, el material dieléctrico en sí es vulnerable a la degradación electroquímica y al grabado asistido por agua bajo polarización, lo que provoca fallas en el dispositivo. Creemos que este grave desafío técnico es una razón clave por la que los transistores de efecto de campo de grafeno de doble puerta no se han adoptado ampliamente en la investigación o la industria hasta ahora. Para superar esto en última instancia, optimizamos nuestra capa de óxido y refinamos nuestros protocolos de fabricación para eliminar tantos defectos microscópicos como sea posible. Lo más importante es que minimizamos con éxito el área de la puerta trasera. Al reducir drásticamente esta huella, cortamos de manera efectiva las vías de fuga activas de iones y suprimimos las corrientes faradaicas, lo que finalmente nos permitió lograr un funcionamiento estable y confiable del sensor en ambientes líquidos.

Aida Ebrahimi, izquierda, y Vinay Kammarchedu han desarrollado un diseño mejorado de transistor de efecto de campo que puede alimentar sensores increíblemente sensibles y resistentes. (Imagen:Jaydyn Isiminger / Penn State)

Resúmenes técnicos :¿Puedes explicar en términos sencillos cómo funciona, por favor?

E&K :Piense en un transistor de efecto de campo estándar como un grifo de agua en un fregadero. Cuando el grifo (o compuerta, como lo llamamos en electrónica) está abierto, la corriente eléctrica fluye libremente a través del sistema. Cuando la compuerta se cierra, el flujo se detiene. Para tomar medidas con sensores convencionales, hay que ajustar constantemente ese grifo hacia arriba y hacia abajo, lo que provoca inestabilidad y conduce a lecturas inexactas. Para resolver esto, diseñamos un sistema con dos compuertas en lugar de una, lo que nos brinda control independiente sobre la cantidad de corriente que fluye a través del sistema. El uso de dos puertas nos permite mantener la corriente funcionando constantemente, lo que elimina una de las principales causas de deriva de la señal. Luego agregamos un sistema de retroalimentación a una de las puertas para rastrear con precisión cómo las moléculas impactan el voltaje del sensor. Debido a que la puerta superior tiene 10 veces la capacitancia eléctrica de la puerta inferior, es increíblemente sensible al medio ambiente, mientras que la puerta inferior actúa como un rígido contrapeso electrónico. Esta relación amplifica las señales. Si hay un pequeño cambio químico en la superficie del sensor, lo vemos multiplicado por 10 en nuestras mediciones, lo que nos permite identificar claramente lecturas químicas muy pequeñas.

Resúmenes técnicos :¿Tiene alguna actualización que pueda compartir?

E&K :Hemos probado con éxito la respuesta de la plataforma a compuestos orgánicos volátiles en fase gaseosa. Específicamente, utilizamos nuestra configuración de modo diferencial fijo (DMF) para detectar alcohol isopropílico. En cuanto a la comercialización, la Universidad Estatal de Pensilvania ha presentado una solicitud de patente provisional que cubre esta plataforma de detección de doble puerta impulsada por retroalimentación. En cuanto a los materiales futuros, nuestro uso de materiales escalables y electrónica sencilla hace que esta plataforma se adapte fácilmente a otros materiales 2D en el futuro. Actualmente, estamos trabajando en el diseño de experimentos para llevar esto a buen término, lo que incluye optimizar los sensores para identificar compuestos orgánicos volátiles asociados con la enfermedad de Parkinson y explorar cómo funciona nuestro sistema con diferentes materiales 2D.

Resúmenes técnicos :¿Tiene algún consejo para los investigadores que quieran hacer realidad sus ideas?

E&K :Nuestro estudio es un testimonio del poder de la colaboración interdisciplinaria y la adaptabilidad. Hicimos realidad esta idea con éxito fusionando experiencia en ingeniería eléctrica, ingeniería biomédica y ciencia de materiales para superar las limitaciones de larga data de los sensores de puerta única. Mi mayor consejo es ser flexible y pensar fuera de lo común:originalmente, usábamos estos dispositivos para otro mecanismo de detección, pero tuvimos que recurrir a este novedoso mecanismo de retroalimentación para lograr la estabilidad y sensibilidad que necesitábamos.

Resúmenes técnicos :¿Hay algo más que le gustaría agregar que no mencioné?

E&K :Nos encantaría destacar lo escalable y práctico que es nuestro sistema. Nuestra arquitectura cierra con éxito la brecha entre los materiales a nanoescala y las herramientas de diagnóstico prácticas y portátiles. Hemos integrado con éxito múltiples sensores directamente en placas de circuito personalizadas. Podemos integrar decenas de sensores y medir cada uno de ellos de forma independiente sin ningún tipo de interferencia eléctrica. Al apilar conjuntos de estas placas de circuito, podemos aumentar fácilmente la cantidad de sensores en un sistema manteniendo los dispositivos increíblemente pequeños. También queremos agregar que durante décadas, el apoyo federal a la investigación ha impulsado exactamente este tipo de innovación, y los recientes recortes de fondos federales amenazan nuestro progreso en la solución de problemas reales que afectan la salud y la seguridad humanas.