Forschung -

'Schwammige' Transistoren für sehr empfindliche Sensoren

Das Mischen von Hydrogelen mit Nanopartikeln aus Gold kann einen Transistor für besonders empfindliche Sensoren mit sich bringen.

Ein Hydrogel ist im Wesentlichen ein Gel, in dem die flüssige Komponente Wasser ist. Sie haben sich bereits als eine Art Stromquelle oder sogar als eine Art dehnbarer Berührungsbildschirm bewährt, den man tragen kann.

Jetzt haben Forscher der Universität von Utah mit Hydrogelen einen Schalter für Transistoren hergestellt, der wegen seiner Flexibilität und Dehnbarkeit als "schwammig" bezeichnet werden könnte.

In dem in "IEEE Electron Device Letters" veröffentlichten Forschungsreport haben die Utah-Forscher einen Metalloxid-Hydrogel-Feldeffekttransistor (MOHFET) mit einem Kanal hergestellt, der aus einem Hydrogel besteht, in dem Goldnanopartikel eingebettet sind.

Der Schaltmechanismus für das Hydrogel unterscheidet sich deutlich von einem typischen Schalter auf Silikonbasis, der eingeschaltet wird, indem der Kanal leitfähiger gemacht wird.

In dem Gold-Nanopartikel-Schalter sind die Partikel immer leitend und werden näher an die Geräteelektroden herangeführt, um das Element einzuschalten.

In diesem speziellen Element bestand die größte Herausforderung für die Forscher darin, die richtige Kombination von Hydrogel-Strukturkonformität und der Dichte der Gold-Nanopartikel zu finden, um große Veränderungen im Widerstand des Schalters beim Ein- und Ausschalten zu erreichen.

Nachdem der gewünschte Schalteffekt erreicht wurde, sagte Professor Massood Tabib-Azar von der Universität von Utah, dass der größte Durchbruch dieser Arbeit darin besteht, dass Hydrogele als strukturelles und funktionelles Material für die Integration von Nanopartikeln in Schaltern, Sensoren und anderen elektronischen Elementen verwendet werden können.

"Viele verschiedene Arten von Quantenpunkten, Nanopartikeln, Nanoröhren und Nanodrähten wurden in der Vergangenheit synthetisiert", sagte Tabib-Azar. "Wir haben jedoch keine gute Möglichkeit, diese einzigartigen Materialien in Elementen zu integrieren. Hydrogele gibt es schon seit einiger Zeit. Sie haben einige einzigartige Eigenschaften, die sie zu idealen Materialien für Sensoren machen."

Bei den Sensoren erwartet Tabib-Azar, dass die wichtigsten Anwendungen für diese Hydrogelschalter wahrscheinlich in biomimetischen Sensoren zu finden sind, in denen elektronische Elemente lebende Organismen, wie Glühwürmchen oder Schmetterlinge, nachahmen. In diesem speziellen Fall glaubt Tabib-Azar, dass die Hydrogelschalter eine hochempfindliche Sensorik bieten, die der eines Hais ähnlich ist.

Tabib-Azar verwies auf die Fähigkeit der Haie, 5 nV pro Zentimeter zu erkennen, was 1,5 V über 3000 km entspricht. "Dies entspricht der Fähigkeit, das elektrische Feld einer Batterie zu erkennen, die an zwei Elektroden angeschlossen ist: Eine Elektrode befindet sich in Manhattan, NY, und die andere an der Spitze des Florida Panhandle."

Tabib-Azar räumt ein, dass Hydrogele nicht die Ein/Aus-Verhältnisse oder die Geschwindigkeit von siliziumbasierten Schaltern haben. Aber er fügte hinzu, dass dieses Feld noch in den Kinderschuhen steckt und nicht mit Silizium vergleichbar ist. "Damit öffnet sich ein Fenster zur Erforschung verschiedener Nanopartikel als Schaltmaterial", ergänzte Tabib-Azar.

Laut Tabib-Azar wird die Gruppe in der fortlaufenden Forschung Hydrogelelektronik/Sensoren für Magnetometer zur Bildgebung vom Gehirn entwickeln.

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