Generator of EEG Delta Rhythms Based on Si Nanowires

Abstract

Стаття присвячена розробці генератора дельта ритмів електроенцефалограми (ЕЕГ) людського мозку на основі дослідження електрофізичних характеристик зростків нанодротів Si. Кремнієві мікрота нанодроти вирощували методом хімічного осадження з газової фази і мали діаметр від 100 нм до 20 мкм. Вольт-амперні характеристики зростків мікро- та нанодротів Si отримували шляхом пропускання струму через поздовжню гілку та вимірювання напруги на поперечній гілці зростка. Пропускання струму приводить до нагрівання вузла зростка і виникнення термо-ерс за рахунок різниці температур між вузлом і кінцем мікро- та нанодроту. Дослідження вольт-амперних характеристик зростків нанодротів Si показали, що при досягненні критичного значення струму порядку 10 мкА спостерігається поява генерації коливань напруги. Період коливань становить близько 1 с, тоді як їх амплітуда складає 100-120 мкВ, що нагадує коливання дельта-ритму в мозку людини. Обговорювались різні причини коливань: 1) контактні явища; 2) наявність механічного напруження у вузлі зростка; 3) існування нескомпенсованого заряду обірваних зв'язків у приповерхневих шарах нанодротів. Детальний розгляд запропонованих причин показав, що ефект не пов'язаний з контактними явищами, а також із наявністю механічних напружень у вузлі зростка нанодротів. Можливим механізмом виявленого ефекту є стрибкоподібний перерозподіл заряду в приповерхневих шарах нанодроту, що призводить до компенсації наведеної термо-ерс. Однак, це відповідає нерівноважному стану кристалу. Повернення нанодроту до рівноважного стану зумовлює періодичні коливання напруги. Виявлений ефект дозволив розробити генератор дельта-ритмів, який може бути використаний для лікування різних захворювань (діти з розладами спектру аутизму, внутрішньо переміщені особи із зони антитерористичної операції тощо).

The paper deals with the design of a delta rhythm generator of human brain electroencephalogram (EEG) based on investigations of electrophysical characteristics of Si nanowire joints. Si nanowire joints were obtained during their growth by chemical vapour deposition method. The diameter of the Si wires ranges from 100 nm to 20 m. Studies of the U-I characteristics of Si nanowire joints have shown that when a critical value of the current of about 10 A is reached, the generation of voltage fluctuations is observed. The period of oscillations is about 1 s, while their amplitude is 100-120 V that is similar to delta rhythm oscillations in the human brain. Different reasons of the oscillations have been discussed: 1) contact phenomena; 2) existence of strain in the joint junction; 3) existence of non-compensated charges of dangling bonds in the wire surface. A detailed consideration of the proposed reasons has shown that the effect is not associated with contact phenomena, as well as with strain in the joint junction. A possible mechanism of the effect is periodic charge redistribution in the subsurface layer of the wire that leads to compensation of thermo-emf arising due to heating of the joint junction by current. However, this corresponds to the nonequilibrium state of the crystal. The return of the nanowire to equilibrium causes periodic voltage oscillations. The revealed effect allows to elaborate a delta rhythm generator which can be used to treat various diseases (children with autism spectrum disorders, internally displaced persons from antiterrorist operation zone, etc.).