Exploration and Analysis of Biomolecule Incorporated GaN Based Cylindrical Gate All Around FET for High Performance Biosensing Applications

في عالم الإلكترونيات الدقيقة الحديثة، غالبًا ما تكون الأدوات الأكثر قوة هي الأصغر حجمًا. لعقود من الزمن، عمل المهندسون على تصغير الترانزستورات — تلك المفاتيح الصغيرة التي تشغل كل شيء من الهواتف الذكية إلى أجهزة المراقبة الطبية — مما جعلها أسرع وأكثر كفاءة. ومع صغر حجم هذه المكونات لتصبح أصغر من خصلة الشعر، واجهت مشكلة جديدة: عندما تصبح صغيرة جدًا، تبدأ الكهرباء في التسرب، وتفقد المفاتيح قدرتها على الإغلاق تمامًا. ولحل هذه المشكلة، انتقل العلماء بعيدًا عن التصاميم المسطحة ثنائية الأبعاد إلى أشكال ثلاثية الأبعاد، وتحديدًا الأشكال الأسطوانية التي تقف منتصبة مثل الأعمدة الصغيرة. هذا الهيكل "المحيط بالبوابة من جميع الجوانب" (gate-all-around) يلف آلية التحكم بالكامل حول القناة، مما يوفر قبضة فائقة على تدفق الإلكترونات. وبينما تعد هذه الأجهزة مثيرة للإعجاب بالفعل، يتساءل الباحثون الآن عما إذا كان بإمكانها فعل أكثر من مجرد تشغيل وإيقاف الكهرباء. هل يمكن لهذه الأسطوانات الصغيرة أن تعمل ككواشف حساسة، قادرة على استشعار وجود جزيئات بيولوجية معينة مثل الدم أو السكر، ببساطة عن طريق قياس التغيرات في التدفق الكهربائي؟

لقد شرع فريق من الباحثين في الإجابة على هذا السؤال من خلال تصميم نوع جديد من المستشعرات الحيوية يعتمد على مادة تسمى نتريد الغاليوم. وخلافًا للسيليكون الموجود في معظم شرائح الكمبيوتر، يُعرف نتريد الغاليوم بقدرته على التعامل مع السرعات العالية والبيئات القاسية، مما يجعله مرشحًا قويًا للأجهزة الطبية التي تحتاج إلى أن تكون سريعة ومتينة في آن واحد. أنشأ الفريق محاكاة — وهو نموذج حاسوبي مفصل يتنبأ بكيفية سلوك جهاز فيزيائي — لترانزستور أسطواني ذي تصميم محدد للغاية. لقد هندسوا فجوة صغيرة، أو "فجوة تحتية" (underlap)، بالقرب من نهايات الأسطوانة ولفوها بمادة عازلة خاصة. وفي منت وسط هذا الهيكل، تركوا مساحة مجوفة، وهي تجويف نانوي (nanocavity)، حيث يمكن وضع الجزيئات البيولوجية. كانت الفكرة هي أنه عندما يدخل جزيء معين، مثل بروتين من الدم أو جزيء سكر، إلى هذا الفضاء الصغير، فإنه سيغير الخصائص الكهربائية للجهاز بطريقة قابلة للقياس، ليعمل كإشارة على وجود الجزيء.

اختبر الباحثون ثلاث طرق مختلفة لترتيب هذه الجزيئات داخل الجهاز. في التصميم الأول، وُضعت الجزيئات فقط على جانب الأسطوانة بالقرب من المصرف (drain)، وهو نقطة خروج التيار الكهربائي. وفي التصميم الثاني، التفّت الجزيئات حول نصف الأسطوانة. وفي التصميم الثالث والأكثر طموحًا، أحاطت الجزيئات بالأسطوانة تمامًا، مشكلةً غطاءً كاملاً حول القناة. وقد قاموا بمحاكاة أداء الجهاز مع ثلاثة أنواع مختلفة من الأهداف البيولوجية: البيوتين، وهو فيتامين شائع؛ والجلوكوز، وهو السكر الموجود في الدم؛ والدم الكامل، وهو خليط معقد من الخلايات والبروتينات. وكشفت عمليات المحاكاة أن ترتيب الجزيئات كان أمرًا بالغ الأهمية؛ حيث كان الجهاز الذي أحاطت فيه الجزيئات بالأسطوانة بالكامل يؤدي بشكل أفضل بكثير من غيره.

عندما حلل الباحثون نتائج عمليات المحاكاة الخاصة بهم، وجدوا أن التصميم المغلف بالكامل، وتحديدًا ذاك الذي يستخدم الدم كجزيء مستهدف، أنتج التغييرات الأكثر دراماتيكية في السلوك الكهربائي. حقق هذا الجهاز نسبة تبديل بلغت 3.09 مضروبة في 10 للقوة 8، مما يعني أنه يمكنه تشغيل التيار وإيقافه بدقة متناهية، وهي سمة حاسمة لمستشعر موثوق. كما أظهر انتقالًا حادًا جدًا بين حالتي الإيقاف والتشغيل، وهو مقياس لمدى تحكم البوابة في تدفق الكهرباء. والأهم من ذلك، كان الجهاز حساسًا للغاية لوجود الجزيئات الحيوية. فعند إدخال الدم في التجويف النانوي، تغير التيار الكهربائي للجهاز بنسبة 20.5 بالمائة تقريبًا، وانزاح جهد العتبة بمقدار 122 ميلي فولت. كانت هذه الانزياحات أكبر بكثير مما لوحظ في التصاميم الأخرى أو في نماذج المستشعرات السابقة، مما يشير إلى أن اللف الكامل للأسطوانة قد عزز التفاعل بين المادة البيولوجية والقناة الكهربائية إلى أقصى حد.

كما بحثت الدراسة أيضًا في مدى قدرة هذه الأجهزة على التعامل مع الإشارات عالية التردد، وهو أمر مهم للمراقبة في الوقت الفعلي. أظهر الجهاز المغلف بالكامل القدرة على العمل عند تردد قطع يبلغ 3.582 تيراهيرتز، وهي سرعة تتجاوز بكثير العديد من تقنيات الاستشعار الموجودة. كما أظهر خطية فائقة، مما يعني أنه يمكنه معالجة الإشارات دون تشويهها، وهو أمر ضروري لقراءة البيانات البيولوجية المعقدة بدقة. وأشار الباحثون إلى أن ثابت العزل الكهربائي المرتفع للدم، وهي خاصية تصف مدى جودة تخزين المادة للطاقة الكهربائية، لعب دورًا رئيسيًا في تعزيز استجابة المستشعر. ومن خلال الجمع بين الخصائص الفريدة لنتريد الغاليوم والشكل الأسطواني والوضع الاستراتيجي لعازل عالي الجودة، أنشأ الفريق نموذجًا يشير إلى مسار نحو مستشعرات حيوية فائقة الحساسية وخالية من الوسم (label-free).

وعلى الرغم من أن هذه النتائج تأتي من محاكاة حاسوبية وليس من تجربة فيزيائية، إلا أنها توفر مخططًا واضحًا لما يمكن تحقيقه. ويقر المؤلفون بأن بناء جهاز بهذه الأبعاد الدقيقة، بما في ذلك فجوة بمقدار نانومترين وطبقة بسماكة نانومتر واحد من الجزيئات البيولوجية، يظل تحديًا تصنيعيًا كبيرًا. ومع ذلك، تؤكد المحاكاة أنه إذا أمكن بناء مثل هذا الجهاز، فسيقدم أداة قوية جديدة للكشف عن الأمراض ومراقبة الصحة. وتشير النتائج إلى أنه من خلال إغلاق منطقة الاستشعار بالكامل بالمادة المستهدفة، يمكن للمهندسين إنشاء مستشعرات حيوية ليست فقط أسرع وأكثر حساسية، بل قادرة أيضًا على العمل في البيئات المعقدة الموجودة داخل جسم الإنسان. يشير هذا العمل نحو مستقبل يمكن فيه للأسطوانات الإلكترونية الصغيرة والمتينة أن توفر رؤى دقيقة وفي الوقت الفعلي حول تكويننا البيولوجي، مما يغير طريقة اكتشافنا وفهمنا للحالات الصحية.