آریاطب
افزایش بُعدپذیری ترانزیستورها با هیدروژلها
افزایش بُعدپذیری ترانزیستورها با هیدروژلها
(Increasing the Dimensionality of Transistors with Hydrogels)
خلاصه
ترانزیستورها، ستون فقرات تمام دستگاههای الکترونیکی مدرن، همواره تخت و سخت بودهاند، درست مثل یک برگه کاغذ صاف. اما بدن ما و سامانههای زنده، نرم و سهبعدی هستند، مانند اسفنجی پر از کانالهای پیچیده. حالا محققان با استفاده از هیدروژلهای نیمهرسانای سهبعدی موفق شدهاند این محدودیت را بشکنند: هیدروژلهایی که ضخامت تنظیمپذیر میلیمتری دارند، نرم و سازگار با بافت زنده هستند و میتوانند بهطور مستقیم با نورونها و دیگر بافتها ارتباط برقرار کنند. این دستاورد راه را برای ساخت ترانزیستورهای سهبعدی شبیه مغز، حسگرهای زیستهیبرید و رایانش نورومورفیک باز میکند.
مقدمه
ترانزیستورها، همان قطعات اصلی و پایهای که تمام دنیای الکترونیک مدرن روی آنها ساخته شده است، بهطور سنتی سخت و تخت هستند، درست مانند صفحهای صاف که نمیتواند به راحتی با سطوح نرم و پیچیده بدن سازگار شود. این محدودیت باعث میشود که ادغام آنها با بافتهای زنده و سهبعدی بدن، مانند نورونها، دشوار باشد.
برای حل این مشکل، به مواد و ساختارهای جدیدی نیاز است که بتوانند سهبعدی عمل کنند. هیدروژلها به دلیل خواص بافتمانند، شامل سازگاری زیستی، نرمی و ساختار سهبعدی، گزینهای ایدهآل هستند. به علاوه، هیدروژلهای ردوکسفعال نیمهرسانا، قابلیت تبدیل به اجزای فعال ترانزیستور را دارند. اما چالش بزرگ، محدودیت در ضخامت هیدروژلها برای مدولاسیون رسانایی است. فناوریهای کنونی معمولاً تنها در محدوده نانو تا میکرومتر موثر هستند؛ افزایش ضخامت باعث افت عملکرد میشود.
راه حل محققان: طراحی سیستم هیدروژل شبکهای دوگانه که کاملاً در محیط آبی سنتز میشود. شبکه ثانویه کشسان و متخلخل، هیدروژل ردوکسفعال اصلی را هدایت میکند و جریان الکترونی را بهبود میبخشد. با کنترل ترکیب شبکه و تخلخل، انتقال یون و الکترون متعادل میشود و هیدروژلهای سهبعدی با ضخامت مدولاسیون میلیمتری ایجاد میشوند، بدون اینکه خواص بافتی از دست برود.
راهبرد ساخت ترانزیستورهای هیدروژلی سهبعدی و مهندسی شبکه
راهبرد ایجاد مدولاسیون سهبعدی
ترانزیستورهای هیدروژلی 3D، ترانزیستورهای ترکیبی یون–الکترون هستند. تفاوت کلیدی: کانال نیمهرسانای نازک با هیدروژل حجیم سهبعدی جایگزین شده است تا ویژگیهای بافتی ایجاد شود و ادغام با سامانههای زیستی ممکن شود.
تصور کنید کانال ترانزیستور مانند اسفنجی است که یونها میتوانند از آن عبور کنند. وقتی ولتاژ مثبت به گیت اعمال میشود، 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 میکنند و رسانایی آن را تنظیم میکنند (شکل ۱A). اما در کانالهای ضخیمتر، نفوذ یونها محدود میشود و مدولاسیون کامل اتفاق نمیافتد (شکل ۱B). بنابراین نیاز به استراتژیهای جدید طراحی مواد وجود داشت.
توسعه نیمهرساناهای هیدروژلی سهبعدی
سه راهبرد اصلی برای رسیدن به 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
سه فاز ممکن در هیدروژل: آب، ژل، مخلوط آب–ژل. برای عملکرد بهینه، فاز ژل خالص ضروری است.
در هیدروژلهای PEDOT:PSS، افزایش ویسکوزیته کاهشیافته نشاندهنده شکلگیری بهتر ژل است. همچنین مدول ذخیره باید بزرگتر از مدول افت باشد و هیچ جداشدگی آب رخ ندهد.
ایجاد فاز پیوسته PEDOT⁺ حیاتی است. شبکه ثانویه هیدروژل میتواند پیوستگی را کنترل کند. ترکیب PEDOT:PSS با PEGDA، PVA، PAAm یا PAA باعث افزایش رسانایی تا 100 S/cm شد و ظرفیت حجمی را نیز بهبود بخشید، که نشاندهنده شبکه رسانای الکترون سهبعدی است.
مهندسی ساختار
برای مدولاسیون میلیمتری، کنترل تخلخل هیدروژل ضروری است. راهکارها:
-
کنترل غلظت اجزای شبکهها
-
تنظیم چگالی اتصال عرضی
-
تعویض 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 مییابد (شبکه پراکنده میشود)
-
رسانایی یونی افزایش مییابد (فضای بیشتری برای حرکت یونها)
یک بازه بهینه تخلخل وجود دارد که بیشترین نسبت روشن/خاموش (~۱۰⁴) را ایجاد میکند و جفتشدن یون–الکترون بهینه اتفاق میافتد.
اعتبارسنجی و کاربرد ترانزیستورهای هیدروژلی 3D
اعتبارسنجی مدولاسیون سهبعدی
ترانزیستورهای هیدروژلی ساخته شدند (شکل ۴A). منحنیهای خروجی نشان دادند که عملکرد آنها بسیار بهتر از فیلمهای مرجع با ضخامت مشابه است.
مثلاً در ضخامت ۱ میلیمتر، نسبت روشن/خاموش ~۱۰⁴ شد، سه مرتبه بزرگتر از نمونه مرجع. ظرفیت حجمی نیز خطی با ضخامت باقی ماند، حتی تا میلیمتر.
پارامترهای عملکردی
پارامتر μC* و dμC* نشان دادند که هیدروژلهای سهبعدی عملکردی بسیار بهتر از OECTهای دوبعدی دارند و گین ترانسکانداکتانس (Gm) آنها افزایش یافته است.
تولید مقیاسپذیر
با پروتکل یک مرحلهای قابل پردازش در آب، هیدروژلهای سهبعدی با ضخامت میکرومتر تا میلیمتر و شکلهای دلخواه تولید شدند. ویژگیهای نیمهرسانایی و کشسانی حفظ شد.
ساخت مدارهای نورومورفیک
فیبرهای هیدروژلی ایستاده ساخته شد و در آرایههای ترانزیستور درهمتنیده برای پردازش داده و شناسایی اعداد دستنویس MNIST استفاده شدند.
-
الکترود گیت: نقش پیشسیناپس
-
کانال: نقش پسسیناپس
-
سیگنالها با فرآیند غیرخطی یون–الکترون منتقل و پردازش شدند.
نتیجه: دقت پیشبینی ۹۱.۹۳٪ و مقاومت در برابر کشش ۳۰٪ در هر جهت.
نتیجهگیری و چشمانداز آینده
نتیجهگیری نهایی
ترانزیستورهای هیدروژلی سهبعدی:
-
مدولاسیون میلیمتری با خواص بافتی
-
شبکه پیوسته الکترونی و تخلخل بهینه
-
امکان ادغام مستقیم با بافتهای زنده
-
تولید مقیاسپذیر و 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
-
پل ارتباطی بین الکترونیک و سامانههای زنده
یوتیوب مصرفی