Rezultate obtinute in cadrul fazei 2, iunie 2018
Proiectarea senzorului de presiune cu emisie în câmp
Senzorul de presiune proiectat pe principiul microtriodei cu emisie în camp are un mare avantaj față de senzorii capacitivi pe semiconductori, prin faptul că semnalul său de ieșire în curent poate fi măsurat prin metode mult mai simple față de măsurătorile relativ dificile ale capacității. Un alt avantaj important al acestui tip de sensor, comparativ cu senzorii capacitivi convenționali, este fluxul de fabricație simplificat datorită procesării pe o singură față a plachetei de siliciu.
Senzorii de presiune cu emisie în câmp sunt insensibili la fluctuațiile de temperatură, sunt compatibili cu tehnologia MEMS pe siliciu, iar circuitul electronic de procesare a semnalului este mult mai simplu decât circuitele în punte folosite de senzorii clasici. În plus, sensibilitatea senzorului este mult îmbunătățită chiar la deformări mici ale membranei.
În cazul senzorului de presiune proiectat în cadrul proiectului, catodul este realizat ca o matrice densă de emitori din siliciu monocristalin puternic dopat și nanostructurat sub forma întâlnită în literatura de specialitate ca „silicon grass” sau „black silicon” (siliciu negru) pentru a obține un câmp electric suficient de intens (> 1 V/nm) pentru emisia în câmp, iar poarta este realizată din grafenă monostrat. Poarta are potențialul Vg > 0, față de emitori, influențând câmpul electric pe emitori. Cel de al treilea electrod, anodul, are potențialul Va > Vg și are rolul de colectare a electronilor emiși de catod. Senzorii de presiune cu emisie în câmp se bazează pe faptul că densitatea curentului de emisie este controlată de presiunea aplicată din exterior și de distanța emitor – anod. Structurile acestor dispozitive se proiectează cu emitorii mai jos decât poarta, astfel încât tensiunea de poartă, Vg, să determine, dar să și controleze curentul de emisie. Pentru astfel de dispozitive distanța dintre emitor și poartă, care este de câțiva µm, este controlată de presiunea externă. Stratul de grafenă transferat peste orificiile în care a fost crescut siliciu negru are rol de poartă, dar în același timp joacă rol de canal de transport al electronilor între sursă și drena, cu rolul de stabilizare a curentului de emisie.
| |
Spectru Raman: grafenă pe sybstrat de cupru. Picurile G și 2D, 1581 cm-1 și 2631 cm-1, precum și raportul I2D/IG > 2, confirmă prezența grafenei monostrat. |
Desen schematic al senzorului de presiune cu emisie în câmp cu membrană din grafenă și emitori din siliciu nanostructurat: (1) Oxid de siliciu pentru izolarea anodului de catod; (2) Siliciu monocristalin puternic dopat; (3) Aluminiu pentru contactarea catodului; (4) Membrană de grafenă CVD transferată printr-o metodă chimică modificată; (5) Nanofire de siliciu cu rol de emitor.
Obținerea vârfurilor emisive de siliciu prin corodare criogenică
Spre deosebire de procesul Bosch, care alternează un pas de corodare cu unul de pasivare, procesul criogenic este un proces continuu de corodare. Stratul de pasivare necesar se formează spontan datorită temperaturilor reduse la care se efectuează procesul. În timpul procesării, produşii volatili de SiF4 obţinuţi din corodarea siliciului reacţionează cu oxigenul prezent în plasmă şi condensează pe suprafeţele reci. Acest strat condensat este inert la acţiunea chimică a radicalilor de fluor. Stratul de pasivare de pe suprafeţele orizontale este îndepărtat prin pulverizare catodică (sputtering), în timp ce suprafeţele verticale rămân protejate. Astfel, în timpul corodării cu procesul criogenic, profilul corodat este vertical fară riplurile orizontale caracteristice procesului Bosch. Stratul de pasivare condensat se evaporă pe măsură ce placheta se încălzeşte. Prin variaţia concentraţiei de oxigen din plasmă se poate modifica grosimea stratului de pasivare în timpul procesului.Corodarea criogenică în ICP-RIE are la bază modelul reactivităţii locale a radicalilor de F*. Acest model teoretic constă în disocierea moleculelor de SF6. La contactul cu placheta de siliciu, ei sunt adsorbiţi şi reacţionează cu siliciul formând produşi volatili de SiF4.
Siliciul negru este un material semiconductor cu reflectivitate foarte mică și absorbție mare a luminii din domeniul vizibil și infraroșu și se obține prin nanostructurarea suprafeței siliciului. În fapt, siliciul negru apare ca un efect secundar rezultat în urma corodării uscate, prin formarea aleatoare a unor fire de siliciu cu grosimea de zeci-sute de nanometri și lungime variabilă.
Suprafața nanostructurată de siliciu se obține prin modificarea procesului de corodare criogenică, în sensul favorizării formării rugozității excesive pe suprafețele plane. Principalul parametru care favorizeaza rugozificarea suprafeței este presiunea parțială de oxigen din plasmă. O cantitate prea mare de oxigen favorizeaza formarea unui strat mai gros și neuniform de oxifluorosilicat, care duce la pasivarea locală. Astfel, pe măsură ce procesul de corodare avansează, rugozitatea se accentuează prin formarea unor fire de siliciu. Un alt parametru care favorizeaza obținerea acestor nanofire este temperatura plachetei. O temperatură cât mai scăzută facilitează condensarea excesivă a produșilor de reacție pe suprafață.
 |
 |
| Poză cu o plachetă de siliciu cu suprafața nanostructurată care prezintă aspect de siliciu negru |
Imagine SEM: uprafata nanostructurata a plachetei de siliciu. Zona nestructurata este mascata cu oxid de siliciu. |
Fabricarea senzorului de presiune
(1) Procesul de fabricație începe cu pregătirea plachetelor de siliciu (diametru 100 mm, orientare cristaligrafică <100>, rezistivitate 1-10 Ω).
(2) După curățarea plachetelor în soluție Piranha, se depune un strat de 300 nm de oxid de siliciu pe fața plachetelor prin tehnica PECVD.
(3) În oxidul depus, se deschid ferestre cu diametrul de 7 µm folosind ca strat de mascare fotorezist HPR 504. Corodarea oxidului s-a făcut în plasmă, cu rețeta prezentată în raportul anterior.
(4) După deschiderea ferestrelor în oxid, se nanostructureaza suprafața siliciului folosind procesul modificat de corodare criogenică descris mai sus.
(5) Se depune pe spatele plachetelor un film de aluminiu cu grosimea de 100 nm care va juca rol de contactare pentru catod.
(6) Se transferă grafena crescută pe cupru peste orificii.
 |
 |
Fluxul de fabricație al senzorului de presiune |
Nanofire de siliciu obținute prin procesul modificat de corodare criogenică |
Pentru transferul grafenei peste suprafața structurată a senzorului de presiune, a fost nevoie de un pas suplimentar de deshidratare în vid timp de o oră după corodarea catalizatorului de cupru, apoi a urmat procesul standard de îndepartare a polimerului, și depozitată din nou timp de 1h în vid. Tratamentul termic final a fost făcut la temperatura de 400˚C timp de 1h, în atmosfera de Ar și H2 (5%). În spectrul Raman achiziționat pe zona configurată de pe suprafața probei pe care s-a încercat transferul grafenei observă benzi caracteristice grafenei tristrat. În imaginea optică este prezentată poza asociată spectrului Raman. Se observa prezența grafena în zona configurată.
 |
 |
Spectrul Raman achiziționat pe membrana de grafenă suspendată peste orificiile configurate și imaginea aferenta zonei de interes |
Caracterizarea electrică a senzorului de presiune
În general, senzorul de presiune se bazează pe deflecția unei membrane ca răspuns al aplicării unei presiuni asupra ei. În cazul senzorului de presiune realizat în acest proiect, în locul membranei flexibile se transferă grafenă monostrat care va fi polarizată ca anod. Principiul de operare al acestui senzor se bazează pe monitorizarea curentului de emisie al siliciului nanostructurat sub formă de „silicon grass”, care reprezintă catodul, când se aplică o tensiune electrică între catod și anod. Aplicarea unei presiuni externe duce la deflecția membranei de grafenă și, drept consecință, apare o variație a câmpului electric. Se știe că variația curentului de emisie în funcție de potențial este exponențială (conform relației Fowler – Nordheim), iar senzorul va avea o sensibilitate cu atât mai mare cu cât membrana se va deflecta mai mult, astfel micșorându-se distanța dintre anod și catod. Pentru a obține un senzor cu o sensibilitate cât mai mare această distanță este micronică, iar spațiul dintre anod și catod a fost vidat în timpul transferului grafenei.
Caracterizarea electrică s-a făcut în atmosferă, folosind sistemul de caracterizare pentru semiconductori 4200S/C/Keithley. Inițial au fost măsurate caracteristicile de ieșire ale structurii pentru a verifica dacă contactele de anod, catod și poartă sunt ohmice. Am observat că toate aceste contacte prezintă caracteristici ohmice, iar rezistența pe oxid este cea mai mare.
Pentru a evalua conductivitatea electrică a membranelor de grafenă transferată peste orificiile nanostructurate, s-au trasat caracteristici I-V prin aplicarea unei diferențe de potențial între poartă și anod. Pentru realizarea măsurătorilor, sondele de măsură au fost amplasate direct peste stratul de grafenă transferat și s-au realizat măsurători rapide fără a introduce un pas de metalizare în fluxul tehnologic, care ar fi putut afecta ireversibil membranele de grafenă. Contactarea s-a realizat manual, testând diferite forțe de apăsare. Sondele au fost amplasate la o distanță de aproximativ 100 µm de marginea ariei configurate, de-o parte și de alta a acesteia.
În timpul măsurătorilor, tensiunea aplicată a fost variată de la -10 V la +10 V. Din măsurătorile efectuate a fost calculată rezistența electrică totală de ~1 MΩ. Această valoare reflectă atât rezistența electrică a grafenei, cât și rezistența de contact.
 |
Caracteristica I-V a grafenei transferate peste orificiile nanostructurate
|
Pentru a investiga funcționarea senzorului a fost măsurat curentul de emisie, fără presiune externă aplicată, dar și cu o presiune de 50 Pa aplicată prin expunerea membranei la azot.
 |
Caracteristica de emisie Fowler – Nordheim fără presiune aplicată pe poarta de grafenă (verde) și cu presiune 50 Pa aplicată pe poarta de grafenă (roșu) |
Evaluarea activității antibacteriene
Activitatea antibacteriană a grafenei pe substraturi din siliciu a fost testată pentru două specii bacteriene foarte răspândite în natură, cu patogenitate variabilă și o mare rezistență la acțiunea factorilor de mediu:
- bacteria Bacillus cereus tulpinaATCC 11778, bacterie cu formă de bacil cu dimensiuni mari și afinitate tinctorială de tip Gram pozitiv; această tulpină bacteriană este utilizată frecvent în testări microbiologice datorită stabilității caracteristicilor morfofuncționale și genetice.
- bacteria Aeromonas hydrophila tulpina ATCC 7966, bacterie de tip Gram negativ, prezentă în numeroase medii acvatice.
Ambele tulpini bacteriene au fost achiziționate din colecții autorizate.
Bacillus cereus include un grup complex de tulpini microbiene, care prezintă un deosebit interes, din cauza posibilităţii lor de a induce efecte dăunătoare pentru om. Sunt bacterii foarte răspândite în natură, cu habitat la nivel de sol, apă, plante şi aer, ceea ce le permite să ajungă cu uşurinţă în alimente. Cea mai frecventă formă de izolare este forma sporulată. Sporul bacterian reprezintă o formă de conservare a unor specii bacteriene în condiţii nefavorabile, cu o rezistenţă deosebită faţă de numeroşi factori de mediu. Procesul de formare a sporului are loc în interiorul celulei bacteriene şi poartă denumirea de sporogeneză. În condiţii optime pentru celula bacteriană are loc germinarea sporului, din care rezultă o nouă celulă vegetativă. Atât sporogeneza cât şi germinarea sunt procese aflate sub controlul unor gene cromozomiale, cu acţiune alternativă, represate sau depresate de diverşi factori interni sau din mediul ambiant. Forma sporulată a bacteriei Bacillus cereus este foarte răspândită în natură, fiind izolată chiar şi din soluţii considerate sterile (tampoane sterile) sau antiseptice (alcool sanitar). Din punct de vedere morfologic, bacteria se prezintă sub formă de bacil cu dimensiuni mari (4-6/1-1,2 µm) cu capete rotunjite, dispuşi în câmp microscopic în lanţuri scurte. Se colorează Gram pozitiv. Sporul este oval, plasat central şi poate deforma uşor celula vegetativă. Bacteria este necapsulată şi mobilă, cu numeroşi cili dispuşi peritrich. Se dezvoltă uşor pe medii de cultură uzuale, în limite largi de temperatură (10 - 48ºC), cu un optim între 28-35ºC. Bacillus cereus este capabilă să se multiplice rapid la 45ºC proprietate cu valoare de criteriu de diferenţiere. Durata incubării este scurtă, între 24 şi 48 de ore. În mediul de cultură lichid se constată turbitate moderată sau intensă, cu inel la suprafaţă, iar pe medii solide se formează colonii mari, neuniforme de tip R. Un număr ridicat de tulpini sunt capabile să se dezvolte la temperaturi de aproximativ 6-7ºC, ceea ce poate duce la multiplicarea bacteriei în medii de refrigerare. Aceste tulpini sunt capabile să producă toxine între 4-21ºC. Prezenţa sporilor induce o problemă serioasă în industria alimentară, nu numai pentru rezistenţă lor la căldură, dar şi pentru capacitatea de a adera puternic la suprafeţe, inclusiv suprafeţe tip inox. Această capacitate de aderenţă este determinată de capacitatea hidrofobă a suprafeţei sporilor şi prezenţa unor filamente şi face dificilă eliminarea lor din rezervoare, conducte sau recipiente. Toxiinfecţiile alimentare produse de catre Bacillus cereus au o frecvenţă subestimată deoarece nu sunt în general grave. Cu toate acestea, sunt zone geografice în care Bacillus cereus reprezintă cea mai frecventă sursă de intoxicaţii alimentare. Ingestia alimentelor contaminate cu Bacillus cereus duce la forme diferite de evoluţie clinică. Practic orice produs alimentar solid sau lichid poate să fie contaminat cu forme vegetative sau spori de Bacillus cereus. Din acest motiv testarea comportamentului acestei tulpini bacteriene faţă de grafena monostrat are o deosebită relevanţă.
Aeromonas hydrophila are răspândire ubicvitară, preponderent în apă. Ele fac parte din grupul bacteriilor acvatice, fiind prezente uneori şi în apa potabilă. Numărul lor creşte în relaţie cu prezenţa materiilor organice. În general Aeromonas hydrophila este preluată din apă şi ajunge în organismul omului şi/sau animalelor, producând efecte dăunătoare. Nişa lor ecologică o poate reprezenta şi fauna acvatică, mai ales amfibienii şi peştii, pe ale căror mucoasele aceste bacterii sunt prezente sub formă de comensali care induc diferite infecţii. Aeromonas hydrophila este o bacterie mezofilă, prezentă în general în flora microbiană obişnuită existentă în apele din România. Morfologic are aspect de bacili drepţi sau incurbaţi, ce se colorează Gram negativ. Nu sporulează şi nici nu secretă capsulă. Prezintă o mobilitate foarte accentuată, specifică bacteriilor acvatice. Se poate cultiva pe medii solide sau lichide în care este recomandată introducerea de antibiotice cu spectru larg pentru germeni Gram pozitiv (10 mg/ litru ampicilină). Pot creşte uşor şi pe medii hiperclorurate cu 6,5 % NaCl.
Coloniile formate au dimensiuni de 2-3 mm, sunt netede cenuşii şi nepigmentate. Sub raport patogenetic, Aeromonas hydrophila poate fi considerat un germen oportunist care induce infecţii în principal la vieţuitoarele acvatice și păsări. Literatura de specialitate evidențiază pericolul reprezentat de consumul speciilor infectate, ce poate determina toxiinfecții alimentare. Rezultatele privind implicarea bacteriei în afecțiuni gastroenterice cu evoluție cronică la om sunt contradictorii. Prezența acestei bacterii în fecalele unor pacienți și lipsa altor patogeni enterici sugerează totuși că are rol în inducerea anumitor afecțiuni.
Pentru a evalua reacţia bacteriilor la contactul cu monostratul de grafenă depus pe siliciu, bacteriile ataşate au fost disociate de pe suprafaţa de contact, recultivate pe agar şi cuantificate prin metoda numărării unităţilor formatoare de colonii. Indiferent de natura substratului, s-a evidenţiat activitatea antibacteriană a grafenei prin numărul mai redus de colonii obținute după însămânțarea finală cu lichid recoltat de la nivelul plăcuţelor cu grafenă
În urma determinărilor privind efectul grafenei asupra viabilităţii bacteriei Bacillus cereus – forma vegetativă s-a observat o activitate antibacteriană manifestată diferit, în funcţie de natura substratului de siliciu.
 |
Variaţia viabilităţii bacteriilor Bacillus cereus - forma vegetativă după incubarea pe cele 4 tipuri de folii din siliciu testate (Diluţie I = 107 CFU/ml, Diluţie II = 106 CFU/ml, Diluţie III = 105 CFU/ml) |
Din reprezentarea grafică a rezultatelor se poate observa o activitate antibacteriană superioară manifestată de monostratul de grafenă depus pe substrat de siliciu tip N comparativ cu substratul de siliciu tip P. Aceast efect a fost mult mai vizibil pentru concentraţia cea mai redusă a suspensiei bacteriene reincubate (diluţia III corespunzătoare densităţii 105 CFU/ml).
În urma determinărilor privind efectul grafenei asupra viabilităţii bacteriei Bacillus cereus – forma sporulată s-a observat o activitate antibacteriană nulă, indiferent de natura substratului sau concentraţia suspensiei bacteriene, dezvoltarea celulelor testate fiind neafectată. Practic numărul mare de colonii bacteriene dezvoltate după incubare a făcut aproape imposibilă o analiză comparativă şi o evaluarea cantitativă a multiplicării bacteriilor.
 |
Variaţia viabilităţii bacteriilor Aeromonas hydrophila după incubarea pe cele 4 tipuri de folii din siliciu testate (Diluţie I = 107 CFU/ml, Diluţie II = 106 CFU/ml, Diluţie III = 105 CFU/ml |
Concluzii
Senzorul de presiune cu emisie în câmp
În cadrul prezentei etape am arătat că senzorul de presiune cu emisie în câmp, proiectat pe baza microtriodei, este un concept fezabil. Catodul a fost realizat prin nanostructurarea suprafeței de siliciu printr-un proces criogenic modificat pentru a obține o textură de fire cu diametrul de 100 – 200 nm și înălțimea de 1 µm, distanța dintre vârfurile emisive ale catodului și planul pe care se așează membrana de grafenă fiind de aproximativ 500 nm. Caracterizarea electrică a dispozitivelor test a arătat că la polarizarea catodului de emisie curentul prin membrana de grafenă crește cu un ordin de mărime, evidențiind emisia electronică a vârfurilor de siliciu.
Transferul grafenei a reprezentat pasul critic din fluxul de fabricație. Deși în urma transferului, majoritatea probelor prezentau membrane de grafenă dublu sau triplu strat peste orificiile de siliciu, în timpul măsurătorilor electrice s-a observat ca numai un procent foarte mic din probe erau conductive. Cel mai probabil filmul de grafenă s-a rupt în timpul procesului de transfer, datorita pasului de vidare introdus pentru a evacua aerul si substanțele chimice captate sub grafenă. În continuare presupunem că metoda de transfer uscat ar genera rezultate mult superioare în cazul de față, permițând vidarea cavității în timpul transferului.
Activitatea antimicrobiana a grafenei
Activitatea antimicrobiană a monostratului de grafenă a fost testată utilizând două specii bacteriene larg răspândite în natură, cu tulpini de colecţie standardizate, stabile din punct de vedere genetic şi uşor adaptabile la medii artificiale de dezvoltare. Cele două specii bacteriene prezintă particularități morfofuncționale distincte, au habitate diferite și patogenitate variabilă. Rezultatele obţinute permit formularea următoarelor concluzii:
Grafena monostrat pe suport de siliciu tip N a exercitat cel mai eficient efect inhibitor al multiplicării bacteriilor în toate variantele de teste efectuate.
Acţiunea antimicrobiană manifestată de grafenă pe substrat de silicu a fost mai intensă în testările realizate cu bacteria Aeromonas hydrophila comparativcu cele pentru bacteria Bacillus cereus; o explicaţie a acestei variaţii de reactivitate înregistrată poate fi asociată cu structura diferită a peretelui bacterian şi membranei citoplasmatice, care constituie învelişul de protecţie al unei bacterii; particularitățile structurale ale peretelui bacterian și marea mobilitate a bacteriilor acvatice fac posibilă o interacțiune mai complexă cu monostratul de grafenă, cu afectarea evidentă a viabilității.
În cazul testării sporilor de Bacillus cereus s-a observat că indiferent de suportul utilizat viabilitatea bacteriei nu a fost afectată, numărul coloniilor dezvoltate fiind aproape identic; acest fapt este interpretat ca o lipsă de reactivitate al învelișurilor sporale la interacțiunea cu grafenă.
Grafena monostrat depusă pe folii din siliciu poate avea efect antibacterian, reducând sau inhibând viabilitatea anumitor bacterii aduse în contact direct cu ea, în funcţie de caracteristicile biologice specifice bacteriilor respective. Rezultatele obţinute evidenţiază efectul microbicid al grafenei faţă de bacterii acvatice, efect nemanifestat pentru bacteriile sporulate.
[mergi la pagina principala] |
