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印度奈米電子卓越中心研發電子鼻新材料技術

國立交通大學訪問學者印度理工學院孟買分校(IIT- Bombay) 奈米電子卓越中心(Center of Excellence in Nanoelectronics, CEN)主任,Swroop Ganguly教授,所領導的研究團隊開發出電子鼻新材料技術。
關鍵技術

基於警察經常利用狗敏銳的嗅覺聞出爆炸物和毒品,印度理工學院孟買分校的電子工程系以生物嗅覺振動理論為靈感,提出了一種技術上可行的一維雙屏障共振隧道二極管(Resonant Tunneling Diode, RTD),開發出電子鼻量子元件,這個創新發明乃運作原理是非彈性電子隧道光譜學(Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy, IETS)原理。這個「鼻子」可以根據振動能量來區分不同的分子,而辨別出味道。一般認為,標準IETS需要在低溫下操作,然而研究團隊發現因量子受侷限在RTD內部使電子能量波濾出,從而可以允許在室溫操作。而且IETS譜峰會沿著偏電壓循振動能量移動,因此成為可靠的感應器。

嗅覺機制

關於嗅覺原理的探究,有多種理論。古典神經生物學認為嗅覺是通過「鎖和鑰匙」機制進行的,認為是分子的排列結構是關鍵,氣味分子就就如同「鑰匙」,而嗅覺器官有如「鎖」,當兩者的結構相結合,即可辨別出味道。
新興的量子生物學,則主張特定量子效應在生物系統中所扮演的角色,如同光合作用中的激光能量轉移、禽類的磁感應、酶反應中的氫穿隧效應,嗅覺也可能是這樣的原理。另外也有科學家提出了振動原理,這個理論早在1938年已由馬爾科姆戴森(Malcolm Dyson)第一次提出,賴特(R. H. Wright)在1977年詳細闡述,但都沒有獲得重視,直到1996年,盧卡都(Luca Turin)靈機一現提出了非彈性量子力學隧道(Inelastic Quantum- Mechanical Tunneling),才使振動的原理更為具體呈現。根據振動原理,分子的氣味取決於其振動光譜。
後來出現了一些支持振動模式作用的實驗證據,也有相反的證據支持古典神經生物理論。一種新興理論稱為「刷卡」(Swipe card)模型則結合了古典理論和振動理論的特點,顧名思義,它認為嗅覺感知過程中,氣味是一個帶有編碼的「鑰匙」,與結構相容相應的受體結合,就是這個「鎖」;然後,在與振動能相對應的接收器觸點打開了一個非彈性電子隧道通道,因此而感測或聞到味道。

實驗與研究

鑒於IETS光譜具敏感度,可以成為一項強大的技術,用於檢測光學無法感測的目標,印度理工學院孟買分校的研究人員應用其技術開發量子元件一維二極體IETS構造電子鼻。然而,IETS限於低溫下運作,為了要解決熱擴散問題,研究人員使用在量子線上建構如同路障的雙重屏障,進而將電子限制在一個小區域內。研究團隊展示了使用非彈性量子輸運模擬,即一維雙屏障共振隧道二極管(RTD)可以作為有效的能量濾波器,以實現室溫下操作以IETS運作的電子鼻。已知量子力學上能夠讓這被受限的電子具有離散的能量,這個裝置選擇性地允許讓特定共振入射能量的電子能越過屏障。
在展示非彈性隧道為可行的感應機制後,研究人員連接這種RTD的3D網絡與普通引線並聯,如圖1a所示。這種排列顯然有助於擴大傳感器區。圖1b顯示了連接到半無限導聯的1D(納米線)對稱RTD及其圖導帶與聲子輔助非彈性隧道。我們在指出工作原理之前,如果RTD由於某種原因而短路,那將會影響通過網絡傳播的總電流並導致錯誤的振動頻譜;因此,我們提出兩個或更多串聯的RTD每個奈米線如圖1c所示。

實驗研究從簡單的RTD結構模擬開始,逐一調整奈米量子線,並應用簡單的二階Butterworth濾波器來平滑IETS頻譜;在實際的硬體中可能需要使用更複雜的電路,這樣,就達到了能夠在室溫下使用IETS識別RTD中存在的聲子群型式。接下來,再測試這個元件的對氣味的感應功能,先從單一氣味分子開始觀察,記錄IETS峰值的變化進行分析;逐漸增加氣味分子的種類,觀察量子通過RTD結集多種聲子呈現在系統中的IETS峰值,確定儀器對氣味的辨識度。為了增加儀器的感應面積,研究團隊建議使用具有較寬發射極側柵極的非對稱RTD,如圖1d所示。

雙屏共振隊道儀器(Double Barrier Resonant Tunneling Device)
經研究團隊實驗,得出雙屏共振隊道儀器(Double Barrier Resonant Tunneling Device)以框住量子瀘出能量的方法可以克服IETS在室溫下運作的熱擴展問題,找到在室溫下以振動理論檢測氣味的方法,確立了其作為電子鼻的可行性。

在本實驗中考慮的RTD設計可以用來檢測分子振動能量大致從0.09到0.15 電子伏特(eV)。硝胺(RDX)、TNT和硝酸酯(PETN)等爆炸物的氣味分子在這個範圍的振動譜中出現顯著的反應。對於其他已知化合物的檢測,我們可以修改RTD的高度和寬度以更改檢測的能量範圍,並使用多個RTD結合來測量整個振動頻譜。我們已經提出了一種3D平行奈米線結構用於改善總感應面積,也可以用兩個串聯的RTD來防止短路。

這個實驗開發出的感測裝置使我們更接近於具有仿造動物嗅覺的振動模型,等於即將實現真正可與自然鼻相媲美的電子鼻。第二階段工作是需要研究如何製造這樣的量子器件,使完善它的功能及優化其信號處理電路。因此,可以實際量化靈敏度和傳感器的辨識能力,並將其加在現有系統的基準平台上。這項研究成果已發表在2018年1月的國際期刊《Scientific Reports》。

計畫主持人 Swaroop Granguly教授表示:「我們採用量子線慢慢修正這個裝置,因為增加了一種潛在雙重屏障的構造讓能源傳輸方向良好,要不然就無法在室溫操作下呈現出IETS。」在特殊的離散電能被激發時才有傳輸功能。就本質而言,這是對量子線的修正,也就是在一種線性陣列上其中電子只能在一維中移動。

Ganguly教授說明:「共振隧道二極體能在電流中顯示高峰值,但離峰時也不會完全關閉。氣味分子訊號進入的方式是通過建立起的電流振動模式,這種電子以振動形式經由開通的非彈性特殊通道中會耗損能量,然後被沖掉。」通常這種特殊的振動形式在較高溫中被沖掉,但是該論文中所提出的裝置,已克服熱擴散問題,也能在一般室溫中持續進行。

奈米電子卓越中心(Center of Excellence in Nanoelectronics, CEN)

IIT-Bombay成立於1958年,是首個獲得外國援助的印度機構。當時聯合國教科文組織提供的資金是來自蘇聯盧布,1961年印度國家議會將IIT定義為「國家重要性研究所」,以其機構作為實現技術自主推動國家發展目標的主力,並獲得聯邦政府分配的豐沛資源預算。IIT現已發展成全球公認為工程教育和研究領域卓越之理工學院,許多教授及校友在國際上因研究貢獻而聞名。本論文電子鼻新材料技術,是由印度理工學院孟買分校(IIT- Bombay) 奈米電子卓越中心(Center of Excellence in Nanoelectronics, CEN)的Swroop Ganguly教授所領導的研究團隊所開發。CEN於2006年獲印度政府電子及資訊科技部(Ministry of Electronics and Information Technology)經費補助在IIT-Bombay成立的卓越中心之一,致力於電子先進材料開發研究及產業應用推動。

IIT-Bombay與國立交通大學之學術合作

國立交通大學國際半導體產業學院與IIT- Bombay於2016年5月16日至17日在孟買舉辦了第一屆雙邊研討會,接下來的第二屆是2017年4月27日至28日在新竹交大校區舉辦,開啟了互訪交流的管道。另交通大學校長張懋中教授於2017年12月1日訪問了IIT- Bombay,雙方簽署博士研究生交換MoU,共同指導兩校博士生。

印度IIT- Bombay電子工程系教授兼奈米電子卓越中心(Centre of Excellence in Nanoelectronics)主任,Swroop Ganguly教授表示預計在今年內(2018)派遣三名學生到交通大學大的實驗室,針對RF和/或功率半導體應用的氮化鎵(GaN)的技術進行開發傳感器及合作研究;另兩校各自將有4位教授互訪,參與合作計畫。Granguly教授與我國交通大學國際半導體產業學院有合作研究分享,製造電子鼻裝置需利用標準半導體製程技術,製造有雙重屏障的一維半導體元件。



圖1.(a)平行奈米線的3D網。 (b)從左至右 - 分子排列,示意結構圖和波段圖(包括聲子輔助隧穿圖解)用於RTD奈米線。 (c)來自左至右 - 串聯對稱RTD的奈米線及相應的波段點。 (d)從左邊到右邊 - 非對稱RTD的奈米線和相應的波段圖。
圖1.(a)平行奈米線的3D網。 (b)從左至右 - 分子排列,示意結構圖和波段圖(包括聲子輔助隧穿圖解)用於RTD奈米線。 (c)來自左至右 - 串聯對稱RTD的奈米線及相應的波段點。 (d)從左邊到右邊 - 非對稱RTD的奈米線和相應的波段圖。

更新日期 : 2018/09/18