آریاطب
چگونه هیدروژلها محدودیت دوبعدی ترانزیستورها را میشکنند؟
پل ارتباطی بین الکترونیک و بافتهای زنده
خلاصه
ترانزیستورها، بهعنوان پایه و اساس الکترونیک مدرن، به طور سنتی مانند صفحهای صاف ساختاری تخت و سخت دارند، در مقابل، سامانههای زیستی نرم، سهبعدی و پیچیدهاند، شبیه اسفنجی پر از کانالهای متنوع. پژوهشگران با استفاده از هیدروژلهای نیمهرسانای سهبعدی، توانستهاند محدودیتهای سنتی ترانزیستورها را از میان بردارند. این هیدروژلها، با ضخامت قابل تنظیم در مقیاس میلیمتری، نرم، سازگار با بافتهای زنده و قادر به تعامل مستقیم با نورونها و دیگر سلولها هستند. این دستاورد، امکان طراحی ترانزیستورهای سهبعدی شبیه مغز، حسگرهای زیستهیبرید و سامانههای رایانش نورومورفیک را فراهم میکند.
مقدمه
ترانزیستورها، پایه و اساس تمام سامانههای الکترونیک مدرن، بهطور سنتی سخت و تخت طراحی شدهاند و بنابراین سازگاری با ساختارهای نرم و پیچیده بدن انسان دشوار است. این محدودیت، ادغام مستقیم ترانزیستورها با بافتهای سهبعدی مانند نورونها را چالشبرانگیز میکند.
برای حل این مشکل، نیازمند مواد و ساختارهایی هستیم که بتوانند مدولاسیون سهبعدی را فراهم کنند. هیدروژلها به دلیل خواص بافتمانند شامل نرمی، سازگاری زیستی و ساختار سهبعدی، گزینهای ایدهآل هستند. هیدروژلهای ردوکسفعال نیمهرسانا قادرند نقش اجزای فعال ترانزیستور را ایفا کنند، اما محدودیت اصلی آنها در ضخامت و مدولاسیون رسانایی است. فناوریهای رایج عمدتاً در محدوده نانو تا میکرومتر عملکرد بهینه دارند و افزایش ضخامت باعث کاهش عملکرد میشود.
راهکار پژوهشگران، طراحی هیدروژل شبکهای دوگانه است که در محیط آبی سنتز میشود. شبکه ثانویه، کشسان و متخلخل، هیدروژل ردوکسفعال اصلی را هدایت کرده و جریان الکترونی را بهبود میبخشد. با کنترل ترکیب شبکه و میزان تخلخل، تعادل بین انتقال یون و الکترون برقرار میشود و هیدروژلهای سهبعدی با ضخامت میلیمتری ایجاد میگردند، بدون اینکه خواص بافتی از بین برود.
راهبرد ساخت ترانزیستورهای هیدروژلی سهبعدی و مهندسی شبکه
مدولاسیون سهبعدی
ترانزیستورهای هیدروژلی سهبعدی، ترکیبی از انتقال یون و الکترون هستند. تفاوت کلیدی آنها با ترانزیستورهای سنتی، جایگزینی کانال نیمهرسانای نازک با هیدروژل حجیم سهبعدی است تا ویژگیهای بافتی ایجاد شده و ادغام با سامانههای زیستی امکانپذیر شود.
کانال ترانزیستور مانند اسفنجی است که یونها میتوانند از آن عبور کنند. با اعمال ولتاژ مثبت به گیت، کاتیونها وارد هیدروژل ردوکسفعال میشوند و واکنش شیمیایی زیر رخ میدهد:
PEDOT⁺:PSS⁻ + M⁺ + e⁻ ⟷ PEDOT⁰ + PSSM
در این فرآیند، یونها کل کانال را پر کرده و رسانایی را تنظیم میکنند. در کانالهای ضخیم، نفوذ یونها محدود شده و مدولاسیون کامل رخ نمیدهد، بنابراین نیاز به طراحی دقیق شبکه و ساختار هیدروژل است.
توسعه نیمهرساناهای هیدروژلی سهبعدی
سه راهبرد اصلی برای ایجاد مدولاسیون سهبعدی:
-
مهندسی فاز: ایجاد مسیر پیوسته برای حرکت الکترون.
-
مهندسی ساختار: بهینهسازی تخلخل برای تسهیل حرکت یونها.
-
جفتشدن موثر یون–الکترون: ترکیب دو مرحله بالا برای افزایش کارایی.
مهندسی فاز:
فازهای هیدروژل شامل آب، ژل و مخلوط آب–ژل هستند. برای عملکرد بهینه، فاز ژل خالص ضروری است. در هیدروژلهای PEDOT:PSS ، افزایش ویسکوزیته نشاندهنده شکلگیری بهتر ژل و ایجاد شبکه پیوسته PEDOT⁺ است. افزودن PEGDA، PVA، PAAm یا PAA به هیدروژل، رسانایی را تا 100 S/cm افزایش داده و ظرفیت حجمی را بهبود میبخشد، که نشانه شبکه رسانای سهبعدی است.
مهندسی ساختار:
برای دستیابی به مدولاسیون میلیمتری، کنترل تخلخل هیدروژل ضروری است. راهکارها شامل:
-
تنظیم غلظت اجزای شبکهها
-
کنترل چگالی اتصال عرضی
-
تغییر حلال برای ایجاد ریزسوراخها
با این روشها، تخلخل بین ۵٪ تا ۹۰٪ قابل تنظیم است و نسبت تورم هیدروژل از ۵۰٪ تا ۵۰۰٪ افزایش مییابد، بدون کاهش استحکام مکانیکی.
رابطه تخلخل با رسانایی:
با افزایش تخلخل، رسانایی الکترون کاهش و رسانایی یونی افزایش مییابد. یک محدوده بهینه تخلخل بیشترین نسبت روشن/خاموش (~۱۰⁴) و جفتشدن یون–الکترون بهینه را فراهم میکند.
اعتبارسنجی و کاربرد ترانزیستورهای هیدروژلی 3D
اعتبارسنجی مدولاسیون سهبعدی:
ترانزیستورهای هیدروژلی با ضخامت میلیمتری ساخته شدند. منحنیهای خروجی نشان دادند که عملکرد آنها نسبت به فیلمهای مرجع مشابه، بهطور قابل توجهی بهتر است. نسبت روشن/خاموش در ضخامت ۱ میلیمتر حدود ~۱۰⁴ بود، سه برابر نمونه مرجع. ظرفیت حجمی نیز تا ضخامت میلیمتری خطی باقی ماند.
پارامترهای عملکردی:
پارامترهای *μC و *dμC نشان دادند که هیدروژلهای سهبعدی عملکرد به مراتب بهتری نسبت به ترانزیستورهای دوبعدی دارند و گین ترانسکانداکتانس (Gm) افزایش یافته است.
تولید مقیاسپذیر:
با پروتکل یک مرحلهای در محیط آبی، هیدروژلهای سهبعدی با ضخامت میکرومتر تا میلیمتر و شکلهای دلخواه تولید شدند، در حالی که خواص نیمهرسانایی و کشسانی حفظ شدهاند.
ساخت مدارهای نورومورفیک:
فیبرهای هیدروژلی ایستاده و آرایههای ترانزیستور درهمتنیده برای پردازش داده و شناسایی اعداد دستنویس MNIST استفاده شدند. الکترود گیت نقش پیشسیناپس و کانال نقش پسسیناپس داشتند. سیگنالها با فرآیند غیرخطی یون–الکترون منتقل شدند و دقت پیشبینی ۹۱.۹۳٪ با مقاومت کششی ۳۰٪ در هر جهت ثبت شد.
نتیجهگیری و چشمانداز
نتیجهگیری نهایی:
ترانزیستورهای هیدروژلی سهبعدی قابلیت:
-
مدولاسیون میلیمتری با حفظ خواص بافتی
-
ایجاد شبکه پیوسته الکترونی و تخلخل بهینه
-
ادغام مستقیم با بافتهای زنده
-
تولید مقیاسپذیر با شکلهای دلخواه
-
کاربرد در مدارهای نورومورفیک و شناسایی اعداد دستنویس
محدودیتها:
-
پایداری طولانیمدت در محیط زیستی
-
سرعت پاسخ یون–الکترون برای کاربردهای زمان واقعی
-
کنترل خواص هیدروژل در مدارهای چندلایه بزرگ
چشمانداز آینده:
-
سنسورهای زیستهیبرید با ارتباط مستقیم با بافتها
-
رایانش نورومورفیک پیشرفته
-
تولید سلولها و ارگانوئیدهای برنامهپذیر
-
ادغام در پوشیدنیها و الکترونیک نرم
-
ایجاد پل ارتباطی بین الکترونیک و سامانههای زنده
یوتیوب مصرفی