Компьютерное моделирование сенсоров токсичных наночастиц на основе гетероструктурного полевого транзистора

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.

наночастица, токсичность, функциональный материал, нитрид галлия, транзистор с высокой подвижностью электронов, гетероструктура, сенсор, моделирование

1. 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.

2. 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.

3. Burello E., Worth A. Predicting Toxicity of Nanoparticles. Nature Nanotechnology. 2011;6:138-139. DOI: 10.1038/nnano.2011.27.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.