MỸ – Việc đo lường chính xác những thay đổi nhỏ của các dấu hiệu sinh học, như protein và chất dẫn truyền thần kinh, hoặc các hóa chất độc hại trong nguồn nước có thể giúp xác định các vấn đề nghiêm trọng trước khi chúng gây ảnh hưởng đến người bệnh hoặc môi trường. Mặc dù một số cảm biến hiện nay có thể theo dõi các vật chất vi mô gây ra những vấn đề này, chúng thường bộc lộ những hạn chế nhất định. Một ví dụ điển hình, bóng bán dẫn hiệu ứng trường (field-effect transistor) (*), một linh kiện siêu nhỏ điều khiển dòng điện trong hệ thống, thường gặp khó khăn trong việc duy trì sự ổn định khi tiếp xúc với chất lỏng.
(*) Field-effect transistor: là một loại transistor hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển dòng điện bằng điện trường. Trong cấu trúc cơ bản, FET có ba cực chính gồm source (nguồn), drain (máng) và gate (cổng). Dòng điện chạy từ source sang drain thông qua một kênh dẫn bán dẫn, và độ dẫn của kênh này được điều chỉnh bởi điện áp đặt lên gate.
Khi một điện áp được áp vào gate, nó tạo ra một điện trường làm thay đổi mật độ hạt mang điện trong kênh dẫn. Tùy theo giá trị điện áp này, kênh có thể mở rộng (cho dòng điện đi qua dễ dàng hơn) hoặc bị thu hẹp, thậm chí “đóng lại” khiến dòng điện gần như bị chặn. Nhờ cơ chế này, FET có thể hoạt động như một công tắc điện tử hoặc một phần tử khuếch đại tín hiệu.

Các nhà nghiên cứu tại đại học Pennsylvania State (Pennsylvania State university) đã thiết kế một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường mới có khả năng hỗ trợ việc cảm biến linh hoạt và nhạy bén, ngay cả trong môi trường chất lỏng như cơ thể con người. Các cảm biến được chế tạo từ loại bóng bán dẫn này có độ nhạy với các tín hiệu hóa học và sinh học (như hóa chất độc hại trong nước hoặc nồng độ dopamine trong não) cao gấp 20 lần so với các cảm biến sử dụng bóng bán dẫn khác. Nhóm nghiên cứu đã công bố dự án trên tạp chí npj 2D Materials and Applications.

Công nghệ bóng bán dẫn này dựa trên graphene, một loại vật liệu hai chiều (2D) (*) có khả năng dẫn điện và nhạy với môi trường xung quanh dù chỉ dày vài lớp nguyên tử. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường dùng trong cảm biến sinh học truyền thống thường được chế tạo bằng silicon, nhưng đang dần được thay thế bởi các vật liệu 2D như graphene. Tuy nhiên, theo bà Aida Ebrahimi, tác giả chính của bài nghiên cứu, khi ngâm trong chất lỏng, các bóng bán dẫn này thường đối mặt với hiện tượng trôi tín hiệu (signal drift), tức là các chỉ số của cảm biến bị thay đổi dần theo thời gian ngay cả khi đối tượng đo lường không đổi, từ đó làm giảm độ chính xác của thiết bị.
(*) Vật liệu hai chiều (2D material): là những vật liệu có cấu trúc mà độ dày chỉ ở mức một hoặc vài lớp nguyên tử, trong khi hai chiều còn lại (dài và rộng) có thể mở rộng rất lớn. Nói cách khác, electron trong vật liệu hai chiều chủ yếu chuyển động trong một mặt phẳng, còn ở chiều thứ ba thì gần như bị “nén lại” ở cấp độ nguyên tử.

Bà Ebrahimi chia sẻ: “Ngoài hiện tượng trôi tín hiệu, các thiết bị này còn gặp khó khăn với tình trạng rò rỉ điện và sự mất ổn định do quá trình quét tín hiệu, một kỹ thuật đo lường phổ biến gây ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của chúng theo thời gian. Điều này làm cho việc ứng dụng các bóng bán dẫn vào các giao diện sinh học như thiết bị cấy ghép, hoặc bất kỳ tương tác nào tiếp xúc với chất lỏng đều trở nên khó khăn.”

Về cơ bản, bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoạt động giống như một vòi nước trong bồn rửa, ông Vinay Kammarchedu, nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật điện và là tác giả chính của bài nghiên cứu giải thích. Khi “vòi nước” hay cực cổng (gate) trong lĩnh vực điện tử được mở, bóng bán dẫn hiệu ứng trường cho phép dòng điện chạy tự do qua hệ thống. Khi vòi hoặc cổng đóng lại, dòng chảy sẽ ngừng. Tuy nhiên, việc thực hiện đo lường với các cảm biến truyền thống đòi hỏi phải liên tục điều chỉnh “vòi nước” đó lên và xuống. Theo ông Kammarchedu, sự thay đổi liên tục này gây ra tình trạng mất ổn định trong hệ thống, dẫn đến kết quả đọc tín hiệu không chính xác.

Ông Kammarchedu nói rằng: “Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh thiết kế để có hai cực cổng thay vì một, cho phép kiểm soát độc lập lượng dòng điện chạy qua hệ thống. Bằng cách sử dụng hai cổng, có thể duy trì dòng điện chạy qua hệ thống ở mức ổn định, loại bỏ nguyên nhân chính gây ra hiện tượng trôi tín hiệu. Trên hết, nhóm đã thêm một hệ thống phản hồi vào một trong các cổng để theo dõi chính xác hơn tác động của các phân tử đối với điện áp của cảm biến.”

Ông Kammarchedu giải thích rằng hệ thống phản hồi hoạt động bằng cách tận dụng mức điện dung khác nhau của mỗi cực cổng, cổng trên có điện dung gấp 10 lần cổng dưới, nghĩa là nó cực kỳ nhạy với môi trường, trong khi cổng dưới đóng vai trò như một đối trọng điện tử ổn định. Mối quan hệ giữa các cổng này giúp khuếch đại các tín hiệu đi qua bóng bán dẫn và làm tăng đáng kể khả năng phản hồi tổng thể của cảm biến.

Ông Kammarchedu nói tiếp: “Nếu có một thay đổi hóa học cực nhỏ về điện tích tại bề mặt cảm biến, các nhà khoa học sẽ thấy nó được nhân lên gấp 10 lần trong các phép đo nhờ vào hệ thống phản hồi này. Điều này cho phép quan sát rõ ràng những thay đổi rất nhỏ trong các chỉ số hóa học.”

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phòng thí nghiệm chế tạo nano (Nanofabrication lab) của đại học Pennsylvania State để tạo ra các bóng bán dẫn, bằng cách tạo mẫu các lớp kim loại siêu mỏng, một lớp oxit cách điện và một lớp graphene dày chỉ bằng một nguyên tử trên nền các phiến silicon (silicon wafers), những đĩa silicon bóng loáng đóng vai trò là vật liệu nền tảng trong ngành sản xuất chip. Sau đó, họ tích hợp trực tiếp nhiều cảm biến vào một loạt các bảng mạch tùy chỉnh và nối dây của chúng lại với nhau. Để thử nghiệm thiết kế, nhóm nghiên cứu đã thêm các dung dịch lỏng chứa các hợp chất sinh học và hóa học khác nhau vào các cảm biến sau khi đã kết nối với bảng mạch, nhằm đo lường khả năng theo dõi thành phần của từng mẫu thử.

Nhóm nghiên cứu đã lắp đặt các cảm biến được chế tạo theo thiết kế bóng bán dẫn hiệu ứng trường mới của nhóm lên các bảng mạch tích hợp, nhằm kiểm tra độ chính xác và độ nhạy của cảm biến. Họ nhận thấy rằng phương pháp này giúp tạo ra các cảm biến không chỉ có khả năng phản hồi tốt mà còn có khả năng chống lại hiện tượng trôi tín hiệu vốn là vấn đề đối với các thiết kế trước đây. 

Ông Kammarchedu cho biết: “Nhóm nghiên cứu có thể tích hợp tối đa 32 cảm biến và đo lường từng cảm biến một cách độc lập mà không bị nhiễu điện. Bằng cách xếp chồng các mảng bảng mạch này lại với nhau, nhóm có thể mở rộng số lượng cảm biến trong một hệ thống, trong khi vẫn giữ kích thước rất nhỏ cho các cảm biến này.”

Các cảm biến của nhóm nghiên cứu đã chứng minh độ nhạy cao gấp 20 lần so với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường đơn cổng truyền thống khác và giảm hiện tượng trôi tín hiệu đến 15 lần. Theo bà Ebrahimi, một điểm nổi bật lớn khác của các cảm biến này là chúng có thể giám sát hiệu quả nhiều mục tiêu hóa học và sinh học khác nhau, bao gồm các chất dẫn truyền thần kinh như dopamine và serotonin trong não; IL-6, một loại protein chịu trách nhiệm chính gây ra tình trạng viêm; và hóa chất vĩnh cửu (PFAS), là các hóa chất tổng hợp độc hại tồn tại dai dẳng trong nguồn nước bị ô nhiễm cũng như trong các môi trường khác.

Bà Ebrahimi nói rằng: “Các bóng bán dẫn này không chỉ có khả năng chống nhiễu điện và trôi tín hiệu rất tốt, mà những cải tiến kỹ thuật mà nhóm nghiên cứu đưa vào còn giúp tăng đáng kể độ nhạy của chúng. Điều này khiến các ứng dụng cảm biến trở nên vô cùng rộng rãi. Chúng có thể phát hiện hiệu quả các hóa chất và phân tử sinh học ở nồng độ thấp trong các ứng dụng y tế, cũng như trong nông nghiệp và giám sát môi trường.”

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục phát triển cấu trúc cảm biến này và chuẩn bị đưa công nghệ vào sử dụng thương mại. Hiện tại, họ đang tối ưu hóa các cảm biến để nhận diện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi liên quan đến bệnh Parkinson. Theo bà Ebrahimi, bằng cách phát hiện sớm các dấu hiệu này, các bác sĩ lâm sàng có tiềm năng cải thiện hiệu quả của các biện pháp can thiệp sớm. Các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá việc sử dụng các vật liệu 2D khác nhau trong cấu trúc của mình nhằm tiếp tục nâng cao khả năng cảm biến của thiết bị.

Để xem các tin bài khác về “Bóng bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online