bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2020-18-8-62-68bsuir-2933Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSКомпьютерное моделирование сенсоров токсичных наночастиц на основе гетероструктурного полевого транзистораNumerical simulation of the sensor for toxic nanoparticles based on the heterostructure field effect transistorВолчёкВ. С.VolcheckV. S.

Волчёк В.С., младший научный сотрудник НИЛ 4.4 «Компьютерное проектирование микрои наноэлектронных систем» НИЧ

220013, Республика Беларусь, г. Минск, ул. П. Бровки, 6

Volcheck V.S., Research Assistant of the R&D Laboratory 4.4 “Computer-Aided Design of Microand Nanoelectronic Systems” of R&D Department 

220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovkа str., 6

vlad.volchek@bsuir.byСтемпицкийВ. Р.StempitskyV. R.

Стемпицкий В.Р., к.т.н., доцент, заместитель начальника НИЧ

Минск

Stempitsky V.R., PhD, Associate Professor, Deputy Head of Research and Development Department

Minsk

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2020271220201886268Copyright © Волчёк В.С., Стемпицкий В.Р., 20202020Волчёк В.С., Стемпицкий В.Р.Volcheck V.S., Stempitsky V.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/2933

Значительный рост массового производства продукции, в составе которой используются наночастицы, вызывает беспокойство по причине обнаружения их токсичного воздействия на живые организмы. Стандартным методом анализа токсичности веществ, в том числе наноматериалов, является токсикологическое тестирование, которое требует больших затрат материальных и временных ресурсов. Альтернативным подходом считается разработка моделей, которые позволяют прогнозировать влияние наноматериалов на биологические системы. В обоих случаях для детектирования наночастиц требуется эффективный электронный комплекс, состоящий из высокочувствительного сенсора и системы приема, обработки и передачи данных. В настоящее время активно ведутся фундаментальные и прикладные исследования, направленные на применение гетероструктурных полевых транзисторов (транзисторов с высокой подвижностью электронов) в качестве базы таких сенсоров. Цель данной работы – разработка методики компьютерного моделирования сенсоров токсичных наночастиц на базе гетероструктурного полевого транзистора. Объект исследования – приборная структура нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов. Предметом исследования являются электрические характеристики транзистора, рассчитанные в статическом режиме. Результаты расчетов показывают, что зависимость между концентрацией наночастиц в исследуемой среде и поверхностной плотностью поляризационного заряда может быть использована в качестве основы методики компьютерного моделирования сенсоров токсичных наночастиц на базе гетероструктурного полевого транзистора. Преимущество предлагаемой методики состоит в использовании коэффициента масштабирования, предназначенного для калибровки плотности поляризационного заряда в соответствии с заданной концентрацией двумерного электронного газа. Полученные результаты могут быть использованы предприятиями электронной промышленности Республики Беларусь при разработке элементной базы сверхвысокочастотной электроники на основе нитрида галлия.

A significant rise in the mass production of products that contain nanoparticles is of growing concern due to the detection of their toxic effects on living organisms. The standard method for analyzing the toxicity of substances, including nanomaterials, is toxicological testing, which requires the substantial consumption of time and material resources. An alternative approach is to develop models that predict the effect of nanomaterials on biological systems. In both cases, for the detection of nanoparticles an effective electronic complex consisting of a sensor with high sensitivity and a data reception/processing/transmission system is necessary. In recent times, fundamental and applied research activities aimed at the application of heterostructure field-effect transistors – high electron mobility transistors–as a base for such sensors have been undertaken. The purpose of this work is to develop a technique for modeling a sensor for toxic nanoparticles based on the heterostructure field-effect transistor. The object of the research is a gallium nitride high electron mobility transistor device structure. The subject of the research is the electrical characteristics of the transistor obtained in static mode. The calculation results show that the dependence between the concentration of the toxic nanoparticles in the test medium and the polarization charge surface density could serve as a base for modeling the sensor for toxic nanoparticles based on the heterostructure field-effect transistor. The primary advantage of the proposed technique is the use of the scaling parameter intended directly for calibrating the polarization charge density in accordance with the two-dimensional electron gas concentration. The obtained results can be utilized by the electronics industry of the Republic of Belarus for developing the hardware components of gallium nitride high-frequency electronics.

наночастицатоксичностьфункциональный материалнитрид галлиятранзистор с высокой подвижностью электроновгетероструктурасенсормоделированиеnanoparticletoxicityfunctional materialgallium nitridehigh electron mobility transistorheterostructuresensorsimulationReferencesSengul A.B., Asmatulu E. Toxicity of Metal and Metal Oxide Nanoparticles: A Review. Environmental Chemistry Letters. 2020;18:1659-1683. DOI: 10.1007/s10311-020-01033-6.Sengul A.B., Asmatulu E. Toxicity of Metal and Metal Oxide Nanoparticles: A Review. Environmental Chemistry Letters. 2020;18:1659-1683. DOI: 10.1007/s10311-020-01033-6.Lekamge S., Miranda A.F., Abraham A., Li V., Shukla R., Bansal V., Nugegoda D. The Toxicity of Silver Nanoparticles (AgNPs) to Three Freshwater Invertebrates with Different Life Strategies: Hydra Vulgaris, Daphnia Carinata, and Paratya Australiensis. Frontiers in Environmental Science. 2018;6(152):1-13. DOI: 10.3389/fenvs.2018.00152.Lekamge S., Miranda A.F., Abraham A., Li V., Shukla R., Bansal V., Nugegoda D. The Toxicity of Silver Nanoparticles (AgNPs) to Three Freshwater Invertebrates with Different Life Strategies: Hydra Vulgaris, Daphnia Carinata, and Paratya Australiensis. Frontiers in Environmental Science. 2018;6(152):1-13. DOI: 10.3389/fenvs.2018.00152.Burello E., Worth A. Predicting Toxicity of Nanoparticles. Nature Nanotechnology. 2011;6:138-139. DOI: 10.1038/nnano.2011.27.Burello E., Worth A. Predicting Toxicity of Nanoparticles. Nature Nanotechnology. 2011;6:138-139. DOI: 10.1038/nnano.2011.27.Puzyn T., Rasulev B., Gajewicz A., Hu X., Dasari T.P., Michalkova A., Hwang H.-M., Toropov A., Leszczynska D., Leszczynski J. Using Nano-QSAR to Predict the Cytotoxicity of Metal Oxide Nanoparticles. Nature Nanotechnology. 2011;6:175-178. DOI: 10.1038/nnano.2011.10.Puzyn T., Rasulev B., Gajewicz A., Hu X., Dasari T.P., Michalkova A., Hwang H.-M., Toropov A., Leszczynska D., Leszczynski J. Using Nano-QSAR to Predict the Cytotoxicity of Metal Oxide Nanoparticles. Nature Nanotechnology. 2011;6:175-178. DOI: 10.1038/nnano.2011.10.Makowski M.S., Kim S., Gaillard M., Janes D., Manfra M.J., Bryan I., Sitar Z., Arellano C., Xie J., Collazo R., Ivanisevic A. Physisorption of Functionalized Gold Nanoparticles on AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors for Sensing Applications. Applied Physics Letters. 2013;074102. DOI: 10.1063/1.4791788.Makowski M.S., Kim S., Gaillard M., Janes D., Manfra M.J., Bryan I., Sitar Z., Arellano C., Xie J., Collazo R., Ivanisevic A. Physisorption of Functionalized Gold Nanoparticles on AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors for Sensing Applications. Applied Physics Letters. 2013;074102. DOI: 10.1063/1.4791788.Abdel-Karim R., Reda Y., Abdel-Fattah A. Review–Nanostructured Materials-Based Nanosensors. Journal of The Electrochemical Society. 2020;167:037554. DOI: 10.1149/1945-7111/ab67aa.Abdel-Karim R., Reda Y., Abdel-Fattah A. Review–Nanostructured Materials-Based Nanosensors. Journal of The Electrochemical Society. 2020;167:037554. DOI: 10.1149/1945-7111/ab67aa.Wang H.T., Kang B.S., Chancellor T.F., Lele T.P., Tseng Y., Ren F., Pearton S.J., Dabiran A., Osinsky A., Chow P.P. Selective Detection of Hg(II) Ions from Cu(II) and Pb(II) Using AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors. Electrochemical and Solid-State Letters. 2007;10(11):J150-J153. DOI: 10.1149/1.2778997.Wang H.T., Kang B.S., Chancellor T.F., Lele T.P., Tseng Y., Ren F., Pearton S.J., Dabiran A., Osinsky A., Chow P.P. Selective Detection of Hg(II) Ions from Cu(II) and Pb(II) Using AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors. Electrochemical and Solid-State Letters. 2007;10(11):J150-J153. DOI: 10.1149/1.2778997.Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band Parameters for III-V Compound Semiconductors and Their Alloys. Journal of Applied Physics. 2001;89(11):5815-5875. DOI: 10.1063/1.1368156.Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band Parameters for III-V Compound Semiconductors and Their Alloys. Journal of Applied Physics. 2001;89(11):5815-5875. DOI: 10.1063/1.1368156.Guo Y., Wang X., Miao B., Li Y., Yao W., Xie Y., Li J., Wu D., Pei R. An AuNPs-Functionalized AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor Sensor for Ultra-sensitive Detection of TNT. RSC Advances. 2015;5(120):98724-98729. DOI: 10.1039/C5RA16704C.Guo Y., Wang X., Miao B., Li Y., Yao W., Xie Y., Li J., Wu D., Pei R. An AuNPs-Functionalized AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor Sensor for Ultra-sensitive Detection of TNT. RSC Advances. 2015;5(120):98724-98729. DOI: 10.1039/C5RA16704C.Dao Dinh Ha, Trung Tran Tuan, Volcheck V., Stempitsky V. Iron-Induced Acceptor Centers in the Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor: Thermal Simulation and Analysis. 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). 2019:308-312. DOI: 10.1109/ATC.2019.8924506.Dao Dinh Ha, Trung Tran Tuan, Volcheck V., Stempitsky V. Iron-Induced Acceptor Centers in the Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor: Thermal Simulation and Analysis. 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). 2019:308-312. DOI: 10.1109/ATC.2019.8924506.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.