Projekta vadītājs Andrejs Ogurcovs
Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001
Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/4/20/590
Šī projekta ietvaros tiks izpētīti dažādi 2D materiāli, lai atrastu labākās kombinācijas starp: sulfīdu materiāliem - MoS2, WS2, ReS2, TaS2, VS2, TiS2, SnS2, CuS; un oksīdu materiāliem - MoO3, WO3, V2O5, MnO2 utt., ar nolūku izstrādāt sensoru elementus laukefekta tranzistora (FET) veidā. Papildus FET konfigurācijai tiks izveidota izveidot p-n pārēju, nevis vienkāršu S-D kanālu, kura pamatā ir 2D materiāli, tas var ievērojami paplašināt šāda veida elementu funkcionālās iespējas. Lai panāktu noteiktu sensora selektivitātes līmeni, ir nepieciešama iegūto elementu darba virmas funkcionalizācija ar noteikta veida organiskām un neorganiskām ķīmiskām vielām (linkeriem), tiks izpētīti šadu elementu atbildes līmeni uz ķīmiskās reakcijas norisi uz to virsmām. Elementi tiks apvienoti masīvā, katram jutīgajam elementam ir unikāli jāreaģē uz katru interesējošo vielu. Tomēr tā vietā, lai tiektos pie masīva atsevišķu sensoru elementu jutīguma un selektivitāts paaugstināšanai, ko var būt grūti sasniegt, ir iespējams variants ar mazāk selektīvu komponentu izmantošanu, izveidojot tā saukto “krusteniski- reaģējošo” sensoru matricu. Šāda veida, individuālo sensoru elementu atbildes signālu apstrāde notiks izmantojot mašīnmācīšanas algoritmus, iegūstot unikālu reakcijas paternu vai “pirkstu nospiedumu”. Šis izaicinošs uzdevums tiks risināts, izmantojot modernās eksperimentālās metodes t.sk. arī impulsa lāzera uzputināšanu (PLD), atomspēka mikroskopiju (AFM), skenējošo elektronu mikroskopija (SEM). Projekta multidisciplinārie aspekti atspoguļo tā sarežģīto raksturu, kas ietver dažādas sensoru izgatavošanas ķīmiskās un fizikālās metodes, plaša spektra eksperimentālo metožu izmantošanu sensoru testēšanai, kā arī elektronikas un datorprogrammēšanas izmantošanu sensoru veiktspējas analīzei.
Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā no 01.01.2021. līdz 30.06.2023. Projekta kopējās izmaksas ir 111 504.90 EUR.
01.07.2023.
Projekta beigu posmā tika nolemts izpētīt deģenerētus pusvadītāju materiālus kā lauka efekta tranzistora kanālu. Par šādu pusvadītāju tika izvēlēts ITO. Šo materiālu plaši izmanto mūsdienu pusvadītāju rūpniecībā, lai iegūtu caurspīdīgus vadošus elektrodus. Uz 8x8 sensora matricas tika izgatavota virkne paraugu ar ITO biezumu no 2 līdz 10 nm, izmantojot magnetronu izsmidzināšanu no ITO mērķa. Elektriskie pētījumi ir parādījuši, ka optimālākais ITO slāņa biezums pie tranzistora kanāla garuma 100 mikrometri ir 3,3 nanometri. Iegūtajiem paraugiem ir daudz labākas transportīpašības un tie ir ķīmiski stabilāki, salīdzinot ar iepriekš pētītajiem ZnO, CuO un NiO. Attēlā Nr. 1. parādīti ITO paraugu strāvas-sprieguma raksturlielumi. Pie augstākiem avota-noteces spriegumiem ierīce sāk uzvesties kā vadāms Šotkija lauka efekta tranzistors, kas paplašina iegūto paraugu praktiskās pielietošanas iespējas.
 |  |
Attēls 1. ITO plāno kārtiņu laukefekta tranzistora voltampēru raksturlīknes.
Tika pabeigta prototipa izstrāde, kas paredzēts 8x8 sensoru matricas automatizētai datu savākšanai un analīzei. Attēlā Nr 2 parādīts ierīces mātesplates trīsdimensiju modelis.
Attēls 2. Prototipa mātesplates 3D modelis.
02.05.2023.
Metāla oksīdu nanostruktūru izgatavošana ar elektroķīmiskās nogulsnēšanas metodi ir bijusi veiksmīga, tomēr iegūto plāno kārtiņu elektrisko parametru lielā izkliede uzliek būtiskus ierobežojumus to izmantošanai kā tranzistora kanālus. Saistībā ar šo apstākli tika veikta atgriešanās pie plānu kārtiņu iegūšanas ar magnetrona uzputināšanas metodi.
Tajā pašā laikā elektroķīmiskās pārklāšanas metode ļauj ātri un efektīvi iegūt nanostrukturētus pārklājumus relatīvi liela laukuma paraugiem. Tiek veikta multisensoru sistēmas izstrāde uz lauka efekta tranzistoriem ar ārējiem vārstiem. Sistēma satāv no pieciem IRF740N sērijas tranzistoriem un pieciem mikroskopa priekšmetstikliem, kuru izmērs ir 26x76 mm. Lai izveidotu vadošu slāni, uz priekšmetstikliem tika uzklāts 250 nm biezs ITO slānis, kam sekoja atkvelināšana atmosfēras spiedienā 450 oC temperatūrā. Tālākais solis bija anodoksidēšanas ceļā tika iegūti dažādu metālu oksīdi, piemēram, NiO, CuO, ZnO. CoO, Fe3O4 no atbilstošiem buferšķīdumiem. Iegūtie paraugi tiek uzstādīti īpašos turētājos un savienoti ar tranzistora komplekta vārstu elektrodiem.
Norisinās arī prototipa izstrādes beigu posms, kas nodrošinās korektu mijiedarbību ar iepriekš minēto sensoru matricu, kas satur 64 elementus.
Pētījuma rezultāti tika prezentēti divos referātos “The 65th International Scientific Conference of Daugavpils University” konferencē.
16.01.2023.
Pašlaik tiek veikta eksperimentu sērija, kuru mēŗķis ir izmantojot elektroķīmiskās metodes, izveidot p-n pārēju, kuras elektriskie parametri var tikt mainīti analīta iedarbības rezultātā. Rezultāts tiek panākts ar tā saucāmo anodisko oksidēšanu. Uz viena no elektrodiem no vara acetāta (0,05 M Cu(CH3COO)2) elektrolīzes ceļā tiek nogulsnēts metāliska vara slānis ar tālāko oksidēšanu koncentrētā KOH (0.5 M) šķīdumā. Šī pati procedūra tiek atkārtota uz otra elektroda, bet tikai ar cinka acetātu (0,05 M Zn(O₂CCH₃)₂). Sintēze notiek glavanostāta režīmā (konstant strāva) pie strāvas blīvuma - 150 µA/mm2 15 min garumā. Laterālā augšana nodrošinā starpelektrožu attāluma samazināšanos, kas nodrošina kontāktu starp dažāda tipa nogulsnētiem materiāliem. Sintēzes reultāti ir attēloti zemāk.
Attēls 1. Eltroķīmiskās sintēzes rezultāti priekš CuO (pa kreisi) un priekš ZnO (pa labi).
Iepriekš iegūtie eksperimentālie dati darbā ar glifosātu tika nopublicēti MDPI žurnālā “Sensors”. Raksta nosaukums: Glyphosate Sensor Based on Nanostructured Water-Gated CuO Field-Effect Transistor”, DOI: 10.3390/s22228744.
14.09.2022.
Pamatojoties uz ptjuma laikā uzkrātiem eksperimentāliem datiem, tika izstrādāta multisensora konfigurācija, kas apvieno 64 elementus uz vinas pamatnes. Pavisam ir izgatavotas 255 šādas pamatnes (Attēls 1.). Pamatnes poliamīda biezums - 200 mikroni, garums – 60 mm, platums – 10 mm. Sensora elektrodi ir pārklāti ar 80 nm biezu zelta slāni, kas nodrošina elementu augstu ķīmisku noturību. Viena elementa kanāla garums ir 50 mikroni un garums – 2000 mikroni, kas nodrošina tranzistora kanāla platums/garums attiecību vienādu ar 40. Sensoru masīva reālu attēlu var redzēt attēlā Nr. 2. Izstrādes stadijā atrodas specializētās iekārtas prototips STM32F103T6 (ARM Cortex-M3, 72 Mhz) mikroprocessora pamatā, kas nodrošinās ātru un efektīvu sensora masīva signālu apstrādi.
Attēls 1. Sensoru masīvs uz poliamīda pamatnes. a) skats no apakšpuses, b) skats no augšpuses, c) palielināts sensora elementu apgabals.
Attēls 2. Sensoru masīva reāls attēls.
29.04.2022.
Pēc veiksmīgiem eksperimentiem ar Al:ZnO pusvadītāju materiālu, nākamais posms ir CuO (vara oksīda) izmantošana par tranzistora kanāla pusvadītāju. Šim nolūkam tika izgatavotas 6 poliamīda pamatnes pēc iepriekšminētās shēmas. Uz trijām pamatnēm tika uzputināts 50 nm biezs CuO slānis ar reaktīvās magnetrona uzputināšanas metodi. Uz pārējām pamatnēm bija uzputināts 3 nm biezs CuO prekursora slānis. Pamatnes ar prekursoru tika izmantotas selektīvai CuO nostruktūru audzēšanai ar hidrotermālās sintēzes metodi, lai palielināto efektīvo virsmas laukumu, kas savukārt nodrošinās lielāku transiztora vārsta elektrisko kapacitāti. Par analīta materiālu tika izvēlēts glifosāta (herbicīds) sāls ūdēns šķīdums dažādās koncentrācijās.
Pamatnes ar plānās kārtiņas tranzistoriem ar 80 nm biezu gludu CuO kanālu.
Pamatnes ar tranzitoriem ar nanostruktūrētu CuO kanālu iegūtu ar hidrotermālās sintēzes metodi.
 |  |
Nanostruktūrētās CuO kārtiņas SEM uzņēmumi pie 1 mikrona un 200 nanometru palielinājumiem.
 |  |
CuO tranzistoru voltampēru raksturlīknes priekš gludas kārtņas (pa kreisi) un nanostruktūrētas (pa labi). Nanostruktūras ievērojami uzlabo tranzistoru darba parametrus salīdzninot ar gludu kārtiņu.
Glifosāta ūdens šķīduma reakcijas aina ar CuO tranzistora virsmu. Nanostruktūrētā virsma demonstrē ievērojami lielāku atbildes līmeni salīdzinot ar gludu CuO virsmu.
Eksperimentālie rezultāti ar plānu kārtiņu Al:ZnO tranzistoriem tika publicēti MDPI “Sensors” žurnālā. Raksta nosaukums: “Effect of DNA Aptamer Concentration on the Conductivity of a Water-Gated Al:ZnO Thin-Film Transistor-Based Biosensor” .
Pētījumu rezultāti tika prezentēti konferencē: 38th Annual Scientific Conference at ISSP UL ar ziņojumu “Water-gated Al:ZnO thin film transistor for biosensing applications”
10.01.2022.
Veicot darbus saistītus ar MoS2 plānu kārtiņu tranzistoru izgatavošanas uz silīcija pamatnes, tika konstatēti vairāki būtiski ierobežojumi, kas apgrūtina efektīvu ierīču izveidi. Šajā sakarā tika uzsākts darbs ar metāla oksīdu pusvadītāju materiāliem. Ņemot vērā to, ka biosensori galvenokārt tiek izmantoti šķidriem analītiem, tika izstrādāts jauns optimizēts elektrolītiska vārsta laukefekta tranzistora dizains. Šīs klases pusvadītāju ierīces par izolatoru starp vārsta elektrodu un kanālu kalpo elektriskais dubultslānis, kas veidojas, virsmai saskaroties ar šķidru elektrolītu. Atkarībā no elektrolīta sastāva elektriskā dubultslāņa biezums var būt diapazonā no 0,1 līdz 10 nm, un tas nodrošina sistēmas elektrisko kapacitāti robežās no simtiem pF līdz desmitiem µF uz kvadrātcentimetru, kas, savukārt, ievērojami samazina vārsta elektrodam pieliktos vadības sprieguma līmeņus. Tranzistoru masīvs tika izgatavots uz 0, 25 mm biezas poliamīda pamatnes, izmantojot magnetrona uzputināšanas metodi. Kanāla biezums ir 45 nm, garums - 175 µm, platums - 2100 µm.
 |  |  |
Elektrolītiskā vārsta laukefekta tranzistoru masīva reāls attēls (pa kreisi), vienas vienības 3D koncepts (pa vidu), tranzistora izejošā raksturlīkne (pa labi).
Par analītu tika izmantoti vienpavedienu DNS praimeri no “BIONEER” OPE-01 ar garumu 10 bāzes (CCC AAG GTC C) un molāro masu 2972,9 g/mol, atšķaidīti ar dejonizētu ūdeni piecās dažādās koncentrācijās. Palielinoties aptamēra koncentrācijai, tiek novērots tranzistora kanāla vadītspējas pieaugums pie vārsta sprieguma +0,7 V. Turpmākais darbs ir vērsts uz tranzistora darbības optimizēšanu.
26.07.2021.
Modificējot PLD iekārtu un rūpīgi pielāgojot uzputināšanas parametrus, tika izgatavoti vairāki MoS2 paraugi. Rāmana spektroskopija uzrādīja augstu paraugu stehihiometrijas atbilstību PLD uzputināšanas mēŗķa stehiometrijai. Paraugu AFM virsmas morfoloģijas analīzes rezultātā tika konstatēta homogēna polikristāliska 11 nm bieza kārtiņa ar videjo virsmas raupjumu - 0,7 nm, kristalīta izmēriem - 10-25 nm platumā un 5 nm augstumā. Fotoelektriskie mērījumi uzrādīja salīdzinoši augstu jutību pret gaismu. Mainoties apgaismojuma līmeim no 0 līdz 100000 lx (saules spektra simulators), paraugu elektriskā pretestība (foto-FET konfigurācija) samazinājās 10 reizēs 0,3 sekunžu intervālā. Kārtiņām, kuru biezums ir mazāks par 6 nm, virsmas struktūra nav homogēna, ko var izskaidrot ar iepriekš minēto kristalīta izmēra ierobežojošo faktoru. Turpmākais darbs ir saistīts ar materiāla īpašību uzlabošanu, samazinot kristalītu lielumu un nodrošinot kārtiņas epitaksiālo augšanu tālākai virsmas funkcionalizācijai ar biomolekulām (DNS praimeri). Šis mērķis tiks sasniegts, izmantojot GaN pamatnes H2S gāzes klātbūtnē.
09.04.2021
Projekta sākotnējā posmā tika veikts plašs literatūras apskats par divdimensiju materiālu tēmu, kuru pamatā ir pārejas metāla dihalkogenīdi (2D TMD), lai noteiktu optimālāko stratēģiju projekta mērķu sasniegšanai. Pamatojoties uz iepriekšminēto analīzi, sadarbībā ar partnerorganizāciju (Daugavpils Universitāti) tika izstrādāts un izgatavots metāla kontaktmasku komplekts, izmantojot lāzera demetalizācijas tehniku. Paraugi tika iegūti ar impulsa lāzera nogulsnēšanas (PLD) metodi pie pamatnes temperatūras no 400 ° C līdz 700 ° C. Paraugu analīzes kopsavilkums, kas veikts ar SEM, AFM un XRD, uzrādīja iegūto plāno kārtiņu augstu virsmas kvalitāti; tomēr daži no pārklājumiem izrādījās nestehiometriski sēra trūkuma paraugu sintēzes procesā. Šī problēma tiks novērsta, uzstādot PLD blokā sulfurizācijas līniju. Elektrisko īpašību mērīšanai, tika izstrādāts programmatūras un aparatūras komplekss Keithley 2450 SMU mēraparāta pamatā, kas tika iegādāts par projekta līdzekļiem. Izmēģinājuma mērījumi ir parādījuši mēriekārtas augstu jutīgumu un izšķirtspēju. Iegūtie rezultāti tiks prezentēti konferencē aprīļa vidū.