Интеграция однослойных углеродных нанотрубок, объединенных с одноцепочечной молекулой ДНК на КМОП микросхеме, означает важный шаг к созданию сверхчувствительных и портативных наноэлектронных газоанализаторов на чипе.

Мониторинг состава воздуха в реальном времени является ключевым фактором изучения локальных и глобальных тенденций и сложных побочных эффектов загрязнения воздуха. Для нужд этой и многих других отраслей науки и производства необходимы сверхчувствительные, миниатюрные газоанализаторы с низким энергопотреблением.

Благодаря своей геометрии и большому отношению площади к занимаемому объему, углеродные нанотрубки являются оптимальным материалом для создания сверхчувствительных газовых и химических сенсоров. Однако, несмотря на высокие характеристики, системы «электронного носа» основанные на наноматериалах отличаются громоздкостью, дороговизной и высоким энергопотреблением.

Одним из недостатков существующей технологии является наличие компоновка системы из набора датчиков и внешнего обрабатывающего модуля, который осуществляет анализ и интерпретацию результатов измерения. Длинные проводники, при помощи которых чувствительный элемент соединяется с обрабатывающим модулем, могут служить источником значительных шумов, добавляемых к весьма слабым электрическим сигналам чувствительного элемента, и их наличие ограничивает число наносенсоров, которые могут быть размещены на одном чипе.

Рис 1. микрофотография углеродных нанотрубок смонтированных на КМОП микросхеме, сделанная при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Монолитная интеграция

Создание наносенсоров непосредственно на серийно изготовляемом чипе может привести к появлению миниатюрных и высокопроизводительных наносистем в будущем. Другим преимуществом монолитной интеграции наноустройств с классической микроэлектроникой, является возможность детектирования, буферизации, анализа и интерпретации сигнала в пределах одного чипа.

Недавно, исследователи из Северо-Восточного Университета в Бостоне, США, заявили о создании технологии интеграции углеродных нанотрубок, совмещенных с одноцепочечной ДНК, в КМОП микросхему, для создания наномасштабных химических сенсоров. Сенсоры на основе нанотрубок демонстрируют высокую чувствительность к различным газам и парам летучих соединений. Более того, диапазон выявляемых соединений может быть расширен, при помощи нанесения на поверхность нанотрубки молекул одноцепочечной ДНК.

При помощи слабого электрического поля, исследователям удалось разместить нанотрубки в нужных местах схемы, не нанося при этом ущерба структуре чипа. После размещения нанотрубок, на них были нанесены молекулы ДНК, которые закрепились на поверхности при помощи ковалентных π-π связей.

Изучение газовой чувствительности полученных структур подтвердило зависимость чувствительности детектора к различным газам от последовательности нуклеотидов использованной цепочки ДНК. В частности, было показано, что добавление соответствующей цепочки ДНК увеличивает чувствительность детектора к метанолу на 300%. Благодаря сильной избирательности детектора в зависимости от использованной последовательности ДНК, такие детекторы позиционируются как высоко селективные детекторы для определенных соединений. Новые детекторы так же характеризуются высоким временным разрешением.

Новый подход к интеграции наноструктур в классическую микроэлектронику, может породить целое направление в создании высокочувствительных химических детекторов широкого профиля с низким энергопотреблением.

Перевод Нефедова М. А.