Portatīvā diagnostikas ierīce bāzēta uz biosensoru masīva no 2D materiāla uztveres elementiem (2021.-2023.)

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.


Jaunumi par projektu

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.