Graphene transistor integration in flexible and transparent substrates for optogenetic neural interfaces

Abstract

As doenças do cérebro têm vindo a demonstrar prevalência a nível global. Como tal, perceber e tratar tais doenças é fundamental. As interfaces neuronais são cruciais para se perceber como o cérebro funciona e como as suas doenças podem ser eficientemente tratadas. O grafeno, devido à sua biocompatibilidade, flexibilidade e transparência, emerge como um material adequado para interfaces neuronais, tendo já encontrado aplicação na aquisição de sinais elétricos do cérebro. Este pode também ser modificado de forma a atuar como um sensor químico, demonstrando grande sensibilidade e seletividade, características relevantes para deteção de neurotransmissores. Para além disso, a transparência de materiais como o grafeno é benéfica em aplicações optogenéticas, que permitem o controlo do cérebro com luz. No entanto, o uso do grafeno em larga escala enfrenta problemas devido ao seu processo de transferência lento e ineficiente, o que levanta obstáculos à sua transição desde um material experimental para um largamente acessível. Assim, neste projeto investigou-se a fabricação de um dispositivo à base de grafeno capaz de deteção neuroquímica, com díodos emissores de luz micrométricos incorporados para estimulação optogenética em substrato biocompatível e flexível, como a poliimida. Simultaneamente, explorou-se uma forma eficiente e económica de transferir o grafeno para óxido de silício e poliimida. Um desenho e fabrico de transístores de grafeno em poliimida foi desenvolvido e parcialmente testado, incorporando várias técnicas de microfrabricação. Foi ainda desenvolvido um processo para a montagem de díodos emissores de luz micrométricos em cima do substrato fabricado, testando duas abordagens distintas envolvendo soldadura e resinas condutoras. Finalmente, um processo de transferência de grafeno a seco foi explorado, utilizando álcool polivinílico como um polímero de suporte aplicado por diferentes técnicas, e analisando a forma como pontos de nucleação, fronteiras de grão e a orientação cristalográfica dos grãos subjacentes influenciam o desacoplamento desde o substrato de crescimento. Em resumo, este projeto de tese aborda o desenvolvimento de um sensor neuroquímico flexível à base de grafeno com díodos emissores de luz micrométricos integrados para estimulação optogenética, usando métodos de fabrico económicos e pré-estabelecidos.

Brain disorders are increasingly prominent globally, thus understanding and treating such conditions are paramount. Neural interfaces are crucial for understanding the brain's functioning and how disorders can be efficiently treated. Graphene, due to its biocompatibility, flexibility, and transparency, is an emerging material for neural interfaces. It has already found application in the recording of electrical information from the brain. It has also shown that it can be modified as a chemical sensor with exceptional sensitivity and selectivity, which is relevant for neurotransmitter detection. Additionally, the transparency of materials like graphene proves highly advantageous in optogenetic applications, enabling brain activity control with light. Nevertheless, graphene’s large-scale use faces drawbacks due to its slow and inefficient transfer processes, which hinder the transition from an experimental material to a widely available one. As such, in this project, one worked towards the fabrication of a graphene device capable of neurotransmitter detection, with incorporated micron-sized light emitting diodes for optogenetic stimulation, on top of a biocompatible and flexible substrate such as polyimide. At the same time, a more effective and inexpensive way of transferring graphene to silicon oxide and polyimide was explored. A fabrication process and layout for graphene field-effect transistors on a polyimide substrate were designed and partially tested, encompassing various microfabrication techniques. Additionally, a process for mounting micron-sized light emitting diode chips on top of the fabricated substrate was developed and tested by two approaches involving soldering and conductive resins. Finally, a dry transfer of graphene was explored, using polyvinyl alcohol as a support polymer applied by different techniques, and analyzing how nucleation sites, grain boundaries, and the underlying crystallographic grain orientation influenced the decoupling from the growth substrate. In summary, this thesis project addresses the development of a flexible graphene-based neurochemical sensor with integrated micron-sized light emitting diodes for optogenetic stimulation, using inexpensive and already established methods for its fabrication.