Projekta vadītājs Thomas Yager
Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001
Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/4/20/740
Universālais sensors sola revolucionizēt kā ierīces mijiedarbojas ar apkārtni tajā skaitā viedās mājas automatizācija, apkārtējās vides monitorings un medicīniskā diagnostika uz vietas. Vienlaicīga sensoru sistēmas kombinācija ir spējīgāka kā atsevišķo daļu summa, par cik mašīnmācīšanās algoritmi var atšķirt korelāciju starp paralēliem mērījumiem. Tomēr vairāku sensoru funkciju integrēšana vienā mikroshēmā ir izaicinājums no ierīču integrācijas viedokļa.
Grafēns ir unikāli daudzpusīgu nanomateriālu sensoru platforma, kas samazina laboratorijas uz mikroshēmas izmaksas un sarežģītību, vienlaikus nodrošinot funkcionalitāti ko nevar nodrošināt silīcijs. Šī pētījuma projekta mērķis ir identificēt, izpētīt un pārvarēt galvenās vājās vietas, lai izveidotu universālu laboratorijas mikroshēmas grafēna sensoru.
Šis nanoinženierijas izaicinājums prasīs kombinēt attiecīgu ierīces dizainu, nanoizgatavošanu, selektīvu funkcionalizēšanu un pasivāciju. Jaunu nanoinženierijas metožu attīstība un vairāku līdzpastāvošu un paralēlu sensoru funkcionalitātes demonstrācija var pavērt ceļu nākamās paaudzes viedo sensoru un laboratorijas uz čipa tehnoloģijām.
Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā no 01.01.2021. līdz 30.06.2023. Projekta kopējās izmaksas ir 111 504.90 EUR.
Jaunumi par projektu
30.06.2023.
Projekta beigu posmā tika tālāk izstrādāti, raksturoti un pārbaudīti grafēna sensoru prototipi. Lai iespējotu vairākas funkcijas, tika izmantotas ierīces ģeometrijas, selektīvās iekapsulēšanas un funkcionalizācijas kombinācijas. Trīs apskatītie sensoru veidi var tikt grupēti kā ķīmiskie, fizikālie un fotoniskie sensori. Tika konstatēts, ka fizikālajiem un fotoniskajiem sensoriem ir laba savietojamība ar līdzīgām prasībām attiecībā uz pasīvām vai stabili kontrolētām virsmām.
Savukārt, elektroķīmiskiem sensoriem ir pretējas darbības prasības, un tie var ietvert piesārņojošu vai traucējošu molekulu un vielu ieviešanu. Tomēr, izmantojot piemērotas tehnoloģiskās pieejas, tika demonstrēta arī saderība ar šo trešo sensora veidu. Piemēram, to var panākt ar selektīvas iekapsulēšanas un pasivizācijas, kā arī precīzas mērķa ķīmiskās vielas atrašanās vietas un plūsmas kontrolēšanu, iedvesmojoties no mūsdienu mikrofluidikas inženierijas. Vēl viena problēma, ar ko var nākties saskarties ierīces konstruēšanā, ir dažādu sensoru veidu iespējamās vai plānotās atkārtotas izmantošanas un kalpošanas laika atšķirības. Šī problēma piemīt elektroķīmiskajām un it īpaši bioloģiskajām sensoru ierīcēm, kur atkārtota izmantošana un atkopšana ir grūtāka nekā fizikālo un fotonisko sensoru ierīcēm.
Grafēna bioloģiskās detektēšanas jomā sadarbība turpinājās ar Fizikālo zinātņu un tehnoloģiju centru FTMC (Lietuva). Grafēna ierīces tika funkcionalizētas ar PBASE un antivielām, iekļautas PDMS mikrofluidiskajos kanālos un analizētas, izmantojot neitralizējošā vārtu sprieguma maiņas.
Molekulārai detektēšanai un termiskai attēlveidošanai kopā ar Zviedrijas RISE pētniecības institūtiem un Halmstades universitāti (Zviedrija) tika izstrādāti grafēna hibrīda metavirsmas sensori. Tika iesniegts brīvpieejas zinātniskais raksts, kurā aprakstītas un analizētas grafēna sensoru ierīces; "Grafēna hibrīda metavirsmas sensori vidējā infrasarkanā diapazona molekulārajiem sensoriem" (“Graphene hybrid metasurfaces for mid-infrared molecular sensors”).
Rezumējot, projekta rezultāti ir:
- Divi zinātniskie raksti.
- Viens tehnoloģijas prototips.
- Vairākas projektu rezultātu prezentācijas vadošās starptautiskās konferencēs un semināros, tostarp Graphene Week 2022 (Vācija), ISNTT (Japāna) un SIO Sensors with Graphene (Zviedrija), EuroNanoLab.
- Rezultātu izplatīšana dažādām zinātnieku, nozares un sabiedrības auditorijām.
- Tehnisko projektu datu bāzes, izgatavošanas protokolu un recepšu izstrāde.
- Starptautiskās mobilitātes vizītes un prakses, kas ietver Zviedriju, Lietuvu un Igauniju.
- Vadošo pētnieku no Zviedrijas RISE pētniecības institūtiem, Čalmera Tehnoloģiju universitātes (Zviedrija) un Kembridžas Universitātes (Apvienotā Karaliste) organizētas vizītes un ekskursijas.
- Veidota jauna un ciešāka starptautiskā sadarbība starp CFI LU un Zviedrijas Pētniecības institūtiem (RISE), Čalmersas Tehnoloģijas universitāti (Zviedrija), Kembridžas universitāti (Apvienotā Karaliste), Halmstades universitāti (Zviedrija), SenseairAB (Zviedrija), Fizisko zinātņu un tehnoloģiju centru FTMC (Lietuva), Tartu universitāti (Igaunija), Photonics Sweden un Photonics Finland.
- Divu jaunu pētījumu projektu pieteikumu iesniegšana.
Dalība Ziemeļvalstu Optikas un Fotonikas konferences industriālās un akadēmiskās komiteju darbā Latvijas reģionā (augšā). Pārskats par grafēna sensoru prototipa izgatavošanu un raksturošanu (apakšā).
31.01.2023.
Tika izveidota datubāze ar nanoierīču izgatavošanas procesu aprakstiem CFI tīrās telpas iekārtas lietotājiem. Tika izstrādātas un izplatītas elektronu staru litogrāfijas un grafēna sensoru ierīču izgatavošanas receptes.
Prakses laikā Zviedrijas Pētniecības Institūtu (RISE) Electrum, Kista, tika pārbaudīti jaunākie grafēna universālo sensoru prototipi. Tika apmeklēta Norkopingas "Printed Electronics Arena" piedaloties diskusijās par sinerģiskām pieejām un potenciālām sadarbības iespējām.
SIO Grafen darbnīcas "Sensori ar grafēnu" (Stokholma) semināra ietvaros veikta uzaicinātā uzstāšanās akadēmiskās un industrijas vides pārstāvju auditorijas priekšā. Sīkāku informāciju var atrast CAMART ziņu rakstā: https://www.camart2.eu/en/news/participation-in-%E2%80%9Csensors-with-graphene%E2%80%9D-workshop.html
SIO Grafen "Sensori ar grafēnu" seminārs (Stokholma)
30.09.2022.
Uz grafēna bāzes izgatavotu sensoru ierīču prototipi ar vairākām līdzāspastāvošām un paralēlām ierīču arhitektūrām ir izgatavoti uz 1cm substrātiem. Ierīču sākotnējā elektroniskā mērīšana un raksturojums apstiprināja izstrādāto ražošanas metožu un tehnisko konstrukciju efektivitāti
Par projekta rezultātiem tika ziņots Grafēna Nedēļā 2022. — Eiropas vadošajā grafēna un 2D materiālu konferencē, tostarp plakātu prezentācijā, tīklošanā un diskusijās ar pētniekiem un nozari. https://graphene-flagship.eu/events/graphene-week-2022/
Grafēna prototipa ierīces elektroniskais raksturojums
30.06.2022.
Lai stiprinātu sadarbību attiecībā uz grafēna sensoriem pētniecībai un rūpnieciskiem lietojumiem, tika organizēti vairāki starptautiski mobilitātes pasākumi Zviedrijā, Igaunijā un Lietuvā.
Kista, Stokholmā, notika stažēšanās Zviedrijas Pētniecības Institūtu (RISE), kas ietvēra nanoapstrādi Electrum laboratorijas tīrās telpas objektā un sensoru ierīču optisko un elektronisko raksturojumu Viedās aparatūras nodaļā RISE. Notika sanāksmes un diskusijas ar akadēmiskajiem un rūpnieciskajiem partneriem, tostarp SenseAir AB apmeklējums (attēlā zemāk). Gēteborgā Čalmersa Tehnoloģiju Universitātē tika pasniegts seminārs, un tika apmeklēta Ziemeļvalstu Nanolab lietotāju sanāksme 2022, kā arī turpmākas diskusijas ar sadarbības akadēmiķiem un nozari.
Atkārtotajā vizītē Tartu Universitātē, Physicum, tika izmantota atomu spēka mikroskopija, lai raksturotu CFI tīrā telpā izgatavoto sensoru ierīču nanomēroga ģeometrijas.
Apmeklējot Fizikālo zinātņu un tehnoloģiju centru (FTMC), Viļņā, tika apspriestas potenciālās sadarbības iespējas ar centra pētniekiem, lai atrisinātu problēmas, saistītas ar grafēna biosensoru COVID uztveršanas lietojumiem.
Dr Tom Yager (ISSP) un Dr Qin Wang (RISE) (pa labi) tikšanās ar SenseAir komandu (pa kreisi)
31.03.2022.
CFI tīrā telpā ir izgatavotas pirmās uz grafēna bāzes balstītās elektroniskās ierīces. Vienslāņa grafēna paraugi, audzēti ar ķīmisko tvaiku nogulsnēšanas metodi, tika veidoti ar skābekļa plazmas kodināšanu un savienoti ar zelta mikroelektrodiem trīs soļu elektronu staru litogrāfijas procesā.
Elektronisko sensoru ierīču prototipu optiskās mikroskopijas attēli, kuros redzams veidots grafēns (zils), metālisks kontakts (zelts) un SiO2 substrāts ar nost nokodinātu grafēnu (sarkans/rozā). Pa kreisi: Optoelektronisks platjoslas tauriņa antenas sensors. Pa labi: Holla elektroniskais sensors ar astoņām zondēm. Atomslāņa izskats un atomu defekti grafēna materiālā tika vizualizēti, izmantojot reāllaika kontrasta uzlabošanas metodi, kas balstīta uz LUT.
Šo ierīču ražošanu nodrošināja vairāku apstrādes procedūru un recepšu izstrāde un optimizācija, tostarp, piemēram, elektronu staru litogrāfijas rakstīšana, devas pārbaude, šuvums (stitching) un izlīdzināšana; alternatīvi rezisti uzlabotam lift-off procesam; plazmas kodināšanas receptes un selektīva kodināšanas ātruma noteikšana; termiskās iztvaikošanas materiāli un protokoli; ķīmiskās apstrādes receptes un hronometrāžas.
Plaša intervija ar pēcdoktorantūras pētnieku par pētniecības projektu, institūtu un darbu Latvijā atrodama šeit:
https://www.cfi.lu.lv/par-mums/ne-tik-zinatniski/zinatnieku-personibas#c122424
31.12.2021.
Tika izstrādāti multifunkcionāli grafēna bāzes sensori, kuri tiek tālāk izmantoti nanoierīču izgatavošanai uz CFI tīrtelpu laboratorijās esošajām iekārtām. Šiem sākotnējiem nanoierīču demonstrējumiem un procesa optimizācijai tiek izmantots viena atomārā slāņa grafēns, ko audzē ar ķīmisko tvaiku nogulsnēšanās metodi (CVD). Turpinās darbs pie grafēna bāzes biosensoru pielietojumiem, tostarp notikusi darba vizīte Latvijas Biomedicīnas pētījumu un studiju centrā (BMC), norisinās projekta plānošana sadarbībā ar biologu Dr. Artūru Ābolu.
Projekta rezultāti tika ziņoti starptautiskās konferencēs, sanāksmēs un simpozijos:
1. “Grafēna bāzes hibrīda metavirsmas vidējā infrasarkanā starojuma gāzes sensoriem” Starptautiskajā simpozijā par jauniem materiāliem un kvantu tehnoloģijām, ISNTT 2021, Japāna. [https://www.brl.ntt.co.jp/event/isntt2021]
2. "Stitching, Proximity and Alignment", ROUME 2021, Raith, Vācija.
3. “Infrasarkanais detektors uz CVD grafēna bāzes”, SIO Graphene Forum 2021, Zviedrija.
4. CFI Zinātniskais seminārs, “Elektronika Sensori” 2021, Latvija.
5. Industriālās partnerības sanāksme starp CFI, Materize un Sensair AB, Zviedrija.
Laimīgu un veiksmīgu Jauno 2022. gadu!
30.09.2021.
Tika publicēts zinātnisks raksts brīvpieejas žurnālā MDPI Sensors "Time-Resolved FDTD and Experimental FTIR Study of Gold Micropatch Arrays for Wavelength-Selective Mid-Infrared Optical Coupling". [https://www.mdpi.com/1424-8220/21/15/5203]
Iegūtie rezultāti ir daļa no starptautiskas sadarbības starp CFI un pētniekiem no Zviedrijas Pētniecības institūta (RISE), Halmstadas universitātes un SensairAB. [https://www.camart2.eu/en/news/the-joint-effort-of-rix-sto-collaboration-platform-results-in-an-article-in-open-access-scientific-journal-sensors.html]
Tika noorganizēta darba vizīte Tartu Universitātē, Physicum. Vizītes ietvaros tika apmeklētas vietējās laboratorijas, notika pieredzes apmaiņa par sensoru nanoierīču dizainu, izveidi un raksturošanu.
Oficiālā premjerministra vizītē CFI tika demonstrētas nanosensoru ierīces un to izgatavošanas tehnoloģijas. [https://www.cfi.lu.lv/par-mums/zinas/zina/t/67720/]
Tika apmeklētas divas zinātniskas konferences par sensoriem: MetaMaterials2021 un EuroSensors2021 (tiešsaistē). [https://congress.metamorphose-vi.org/]
30.06.2021.
Tika uzdizainēti un izgatavoti vidējā infrasarkanā starojuma fotodetektora prototipi. Zelta nanostruktūru masīvi, kas satur vairāk nekā 10 miljonus atsevišķa mikrostruktūras un nano-spraugas, tika izgatavoti ISSP tīrtelpās, izmantojot elektronu staru kūļa litogrāfiju (redzams attēlā, dažādos mērogos). Šo struktūru maksimālo fotojutības viļņa garumu var tieši regulēt ar struktūras ģeometriju. Šī pieeja ir piemērota lietošanai optiskajos gāzes sensoros oglekļa dioksīda vai alkohola noteikšanai.
Manuskripts, kurā aprakstīts izdarītais darbi, tika iesniegts zinātniskajā žurnālā.
Projekts plašai auditorijai saprotamā veidā tika prezentēts Zinatnieku Naktī 2021:
Tika veikta dalība arī EuroNanoLab konsorcijā, apmeklējot tiešsaistes seminārus un prezentējot litogrāfijas ekspertu grupai ISSP tīrtelpas nanoizgatavošanas iespējas. Šis konsorcijs apvieno vairāk nekā 40 modernākos akadēmiskos nanoizgatavošanas centrus 14 valstīs, lai izveidotu Eiropas mēroga nanopreces infrastruktūru. [http://euronanolab.eu/about-enl/?location=lv#consortium-partners]
Attēlā parādīts sensora ierīces prototips, kur uz 2 cm x 2 cm silīcija mikroshēmas virsmas tika izgatavoti blīvi masīvi no vairāk nekā 10 miljoniem zelta nanostruktūru.
31.03.2021.
Lai uzsāktu projektu, tiek veikts literatūras apskats par grafēna sensoru ierīčem un ražošanas tehnoloģijām. Saistībā ar šo pārskatu ir notikušas videokonferences, tikšanās ar visiem projekta partneriem un dalībniekiem.
Sadarbībā ar Zviedrijas Pētniecības institūtu (RISE) un Halmstadas universitāti tiek veikta uz grafēna balstīta insfrasarkano staru fotodetektoru dizainēšana un optimizēšana, kas uzlabota ar metāla antenas elementiem ar rezonanses absorbcijas viļņu garumiem, kas piemēroti apkārtējās vides gāzes detektēšanai.
Par projekta plānu un pēcdoktorantūras pētnieku tika pastāstīts tiešsaistes zinātniskajā seminārā CFI. Šī semināra laikā tika izveidoti kontakti un rastas sadarbības iespējas saistībā ar 2D sensoriem.