Search

The goal of this work is to study the current-voltage characteristics of structures of porous silicon – melanin and sensitivity of structures to glucose, to compare the characteristics between the samples obtained by different techniques. Object of study – structures of porous silicon – melanin. The subject of the study is the change of electrophysical parameters depending on the change in the analyte concentration. Organic-inorganic structures have recently attracted considerable interest in electronics due to the ability to create cheaper and simpler devices than traditional inorganic semiconductors. Melanin is an organic pigment that is present in many living organisms and has semiconductor properties. Melanin interacts with most biological substances, making it a promising material in the field of biosensors. Measuring glucose levels in the world today is very popular in the health and food sectors, so there is a constant need for easy-to-use and low-cost sensors. The purpose of this work was to investigate the heterojunction of melanin-porous silicon and the possibility of creating glucose sensors on such structures. For sample preparation metal-assisted chemical etching with three different types of metal nanoparticles (silver, copper, gold) was used. This technique allow formation of arrays of silicon nanowires with high aspect ratio. After porous silicon etching metal residuals were removed and thin layer of water-solube melanin was deposited at the surface and polymerized. Silver-based dot contacts was used for measurements. The I-V curves of the studied samples were measured in the work, such parameters as: resistance of structure, coefficient of rectification at contact of porous silicon – melanin, coefficient of rectification at contact of substrate – melanin, sensitivity to glucose were calculated. It was shown that I-V curves of both melanin/porous silicon and melanin/porous silicon/bulk silicon structures are diode-like with rectification factor at 5 V up to 80 for melanin/porous silicon heterojunction and up to 800 for melanin/porous silicon/bulk silicon structure. Resistor-like sencitive structures of melanin – nanostructured silicon are sensitive to glucose with a sensitivity coefficient of up to 1.83 mA /%. It was noticed that samples prepared with copper nanoparticles have opposite dependence (decreasing of current with increase of glucose concentration). No clear correlation was observed between the sensitivity, the rectifying properties and the technology of sample preparation, but the most stable results were obtained for structures made with silver nanoparticles., Метою роботи є дослідження вольт-амперних характеристик структур пористий кремній – меланін та чутливості структур до глюкози, порівняння характеристик досліджуваних зразків. Об’єкт дослідження – структури пористий кремній – меланін. Предмет дослідження – зміна електрофізичних параметрів в залежності від зміни концентрації аналіту. В роботі було виміряно вольт-амперні характеритики досліджуваних зразків, розраховано такі параметри як: опір структури, коефіцієнт випрямлення на контакті пористий кремній – меланін, коефіцієнт випрямлення на контакті підкладка – меланін, чутливість до глюкози. Резистивні структури меланін – наноструктурований кремній є чутливими до глюкози. В роботі не було відмічено чіткої кореляції між чутливістю, випрямляючими властивостями та технологією отримання зразків, проте найбільш стабільні результати були отримані для структур, виготовлених з використанням срібла.

Метою роботи є дослідження вольт-амперних характеристик структур пористий кремній – меланін та чутливості структур до глюкози, порівняння характеристик досліджуваних зразків. Об’єкт дослідження – структури пористий кремній – меланін. Предмет дослідження – зміна електрофізичних параметрів в залежності від зміни концентрації аналіту. В роботі було виміряно вольт-амперні характеритики досліджуваних зразків, розраховано такі параметри як: опір структури, коефіцієнт випрямлення на контакті пористий кремній – меланін, коефіцієнт випрямлення на контакті підкладка – меланін, чутливість до глюкози. Резистивні структури меланін – наноструктурований кремній є чутливими до глюкози. В роботі не було відмічено чіткої кореляції між чутливістю, випрямляючими властивостями та технологією отримання зразків, проте найбільш стабільні результати були отримані для структур, виготовлених з використанням срібла. The goal of this work is to study the current-voltage characteristics of structures of porous silicon – melanin and sensitivity of structures to glucose, to compare the characteristics between the samples obtained by different techniques. Object of study – structures of porous silicon – melanin. The subject of the study is the change of electrophysical parameters depending on the change in the analyte concentration. Organic-inorganic structures have recently attracted considerable interest in electronics due to the ability to create cheaper and simpler devices than traditional inorganic semiconductors. Melanin is an organic pigment that is present in many living organisms and has semiconductor properties. Melanin interacts with most biological substances, making it a promising material in the field of biosensors. Measuring glucose levels in the world today is very popular in the health and food sectors, so there is a constant need for easy-to-use and low-cost sensors. The purpose of this work was to investigate the heterojunction of melanin-porous silicon and the possibility of creating glucose sensors on such structures. For sample preparation metal-assisted chemical etching with three different types of metal nanoparticles (silver, copper, gold) was used. This technique allow formation of arrays of silicon nanowires with high aspect ratio. After porous silicon etching metal residuals were removed and thin layer of water-solube melanin was deposited at the surface and polymerized. Silver-based dot contacts was used for measurements. The I-V curves of the studied samples were measured in the work, such parameters as: resistance of structure, coefficient of rectification at contact of porous silicon – melanin, coefficient of rectification at contact of substrate – melanin, sensitivity to glucose were calculated. It was shown that I-V curves of both melanin/porous silicon and melanin/porous silicon/bulk silicon structures are diode-like with rectification factor at 5 V up to 80 for melanin/porous silicon heterojunction and up to 800 for melanin/porous silicon/bulk silicon structure. Resistor-like sencitive structures of melanin – nanostructured silicon are sensitive to glucose with a sensitivity coefficient of up to 1.83 mA /%. It was noticed that samples prepared with copper nanoparticles have opposite dependence (decreasing of current with increase of glucose concentration). No clear correlation was observed between the sensitivity, the rectifying properties and the technology of sample preparation, but the most stable results were obtained for structures made with silver nanoparticles.

A model of interaction of an analyte with a chemoresistive sensor is offered. According to the model, a receptor molecule can conduct a current after binding four molecules of analyte. It is taken into account the process of penetration of the analyte into the sensor and noninstantaneous filling of a chamber containing the sensor with analyte, which is characteristic of the experimental configuration used. A system of nonlinear differential equations is derived that describes the kinetics of processes in the investigated analyte–chemosensor system. Using the proposed theoretical model and the experimental data for the acetone–chemosensor system based on polyaniline, wedetermine the values of structural-functional characteristics of the chemosensor which were not estimated before (the total number of receptors in the polymer, the current through a single conducting receptor, association–dissociation rate constants of acetone molecule with receptor molecule, and rate constants of exchange with acetone between the polymer and the environment). The developed theoretical model satisfactory reproduces the experimental kinetic curve of the current through the sensor for the time range for which we have reliable experimental data., Разработана модель взаимодействия аналита с хеморезистивным сенсором, согласно которой рецепторная молекула может проводить ток после присоединения к ней четырёх молекул аналита. Учитывается процесс проникновение аналита в объём сенсора, а также не мгновенное заполнение камеры, в которой находится сенсор, характерное для используемой экспериментальной конфигурации. Выведена система нелинейных дифференциальных уравнений, которая описывает кинетику процессов в исследуемой системе аналит–хемосенсор. Используя предложенную теоретическую модель и экспериментальные данные для системы ацетон–хемосенсор на основе полианилина, найдены значения для неизвестных ранее структурно-фуркциональных характеристик хемосенсора (полное число рецепторов в полимере, ток через один проводящий рецептор, константы скоростей реакций адсорбции и десорбции молекул ацетона с рецепторными молекулами, константы скоростей обмена ацетоном между полимером и внешним пространством). Разработанная теоретическая модель удовлетворительно воспроизводит экспериментальную кинетическую кривую тока через сенсор для той её части, для которой имеются надежные экспериментальные данные., Розроблено модель взаємодії аналіту з хеморезистивним сенсором, згідно якої рецепторна молекула здатна проводити струм після приєднання до неї чотирьох молекул аналіту. Враховано процес проникнення аналіту в об’єм сенсора, а також характерне для використаної експериментальної конфігурації не миттєве заповнення камери, у якій знаходиться сенсор. Виведено систему нелінійних диференціальних рівнянь, яка описує кінетику процесів у досліджуваній системі аналіт–хемосенсор. Використовуючи запропоновану теоретичну модель і експериментальні дані для системи ацетон–хемосенсор на основі поліаніліну, знайдено значення для невідомих раніше структурно-функціональних характеристик хемосенсора (повна кількість рецепторів у полімері, струм через один провідний рецептор, константи швидкостей реакцій адсорбції й десорбції молекул ацетону з рецепторними молекулами, константи швидкості обміну ацетоном між полімером і зовнішнім простором). Розроблена теоретична модель задовільно відтворює експериментальну кінетичну криву струму через сенсор в тій її частині, для якої є надійні експериментальні дані.

We develop a model of interaction of an analyte with a chemoresistive sensor based on an electroconducting polymer for an arbitrary stoichiometry. In the quasiequilibrium approximation, we derive analytic relations for the current through the sensor and investigate in detail the specific features of its behavior. We establish that the way of analyte inflow to a region containing the sensor with analyte has an essential effect on the current kinetics. It is revealed that the influence of stoichiometry on the evolution of the current in the initial stages of its increase and decrease is qualitatively different. We determine the equilibrium constants of reactions between an analyte and a sensor and propose a procedure for the estimation of the stoichiometry of the system under study, Розроблено модель взаємодії аналіту з хеморезистивним сенсором на основі електропровідного полімеру для довільної стехіометрії. У квазірівноважному наближені виведено аналітичні вирази для струму через сенсор і детально досліджено особливості його поведінки. Встановлено, що на кінетику струму суттєво впливає спосіб подання аналіту до області, в якій знаходиться сенсор. Виявлено, що вплив стехіометрії на еволюцію струму на початкових стадіях його росту і спаду є якісно різним. Знайдено константи рівноваги реакцій між аналітом і сенсором і запропоновано процедуру, яка дозволяє оцінювати стехіометрію досліджуваної системи., Разработана модель взаимодействия аналита с хеморезистивным сенсором на основе электропроводящего полимера в случае произвольной стехиометрии. В квазиравновесном приближении выведены аналитические выражения для тока через сенсор и детально исследованы особенности его поведения. Установлено, что на кинетику тока существенно влияет способ поступления аналита в область, содержащую сенсор. Выявлено, что влияние стехиометрии на эволюцию тока на начальных стадиях его роста и спада качественно различно. Найдены константы равновесия реакций между аналитом и сенсором и предложена процедура, позволяющая оценить стехиометрию исследуемой системы.