Date of Award

4-2026

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Falah Awwad

Abstract

Early detection of liver cancer remains limited by the slow pace and invasiveness of current testing methods. This study proposes a single-walled carbon nanotube field-effect transistor (SWCNT-FET) designed to detect hexanal—a volatile organic compound (VOC) elevated in liver cancer—directly from exhaled breath. The device is modeled in QuantumATK using a semi-empirical Extended Hückel Hamiltonian within the non-equilibrium Green's function (NEGF) framework, emphasizing realistic contact physics by employing metallic SWCNT electrodes instead of conventional metal films. Zigzag channels with (11,0) and (12,0) chiralities are examined to analyze how geometry and contact matching influence charge transport. Simulations include current–voltage (I–V) characteristics and transmission spectra under gate biases from 0 to 2 V, with particular focus on an operating point at 1.4 V. Upon hexanal adsorption, the device shows a consistent conductance quench and the emergence of anti-resonances near the Fermi level. Among the tested configurations, the (11,0) channel paired with metallic SWCNT contacts exhibits the most pronounced conductance change and clearest gate-tunable response, suggesting enhanced sensitivity without compromising device stability. Selectivity is also evaluated against common breath VOCs (e.g., acetone, ethanol), and a noise-aware procedure is outlined to estimate the detection limit from simulated transfer curves. Overall, the findings indicate that well-matched all-carbon contacts, combined with biasing near 1.4 V, can amplify the hexanal signature in SWCNT-FETs—supporting the feasibility of a compact, non-invasive breath test for early liver cancer screening.

Arabic Abstract

الكشف عن المؤشرات الحيوية لسرطان الكبد في هواء الزفير باستخدام مستشعر نانوي قائم على ترانزستور تأثير المجال لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار: دراسة محاكاة باستخدام برنامج QuantumATK

يعدّ الكشف المبكر عن سرطان الكبد من أبرز التحديات في المجال الطبي، نظراً لاعتماد الطرق التشخيصية التقليدية على إجراءات بطيئة أو تدخّلية، مما يحدّ من فعاليتها في المراحل المبكرة من المرض. في هذا البحث، تم اقتراح و تصميم مستشعر نانوي يعتمد على ترانزستور تأثير المجال باستخدام أنبوب كربوني أحادي الجدار (SWCNT-FE T)للكشف عن مركب الهكسانال، وهو أحد المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المرتبطة بزيادة احتمالية الإصابة بسرطان الكبد، وذلك من خلال تحليل هواء الزفير بطريقة غير جراحية. تمت نمذجة الجهاز باستخدام برنامج QuantumATK بالاعتماد على منهجية شبه تجريبية (Extended Hückel)مدمجة مع نموذج دالة غرين غير المتوازنة (NEGF) لدراسة خصائص النقل الإلكتروني على المستوى الذري. يعتمد التصميم على قناة شبه موصلة من نوع SWCNT (11,0) وأقطاب معدنية من نوع SWCNT (12,0)، مما يحقق توافقاً بنيوياً وكهربائياً يقلل من مقاومة التلامس ويعزز كفاءة نقل الشحنة. أظهرت نتائج المحاكاة أن امتصاص جزيئات الهكسانال يؤدي إلى زيادة ملحوظة في التيار الكهربائي عبر الجهاز، حيث تم تسجيل ارتفاع يقارب 97% مقارنة بالحالة النقية، نتيجة لعمليات انتقال الشحنة والتأثيرات الكهروستاتيكية الناتجة عن طبيعة الجزيء القطبية. كما أظهرت تحليلات طيف الانتقال (Transmission Spectrum) فتح قنوات توصيل إضافية بالقرب من مستوى فيرمي، مما يفسر التحسن في الأداء الكهربائي. تم كذلك تقييم انتقائية المستشعر من خلال مقارنة استجابته لمركب الهكسانال مع مركب الأسيتون، حيث أظهر الجهاز استجابة قوية ومميزة للهكسانال مقابل تأثير ضعيف أو سلبي للأسيتون، مما يؤكد قدرة النظام على التمييز بين المركبات الحيوية المختلفة في بيئة تنفس معقدة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل حساسية الجهاز تجاه تغيّر تركيز الجزيء باستخدام نموذج يعتمد على المسافة بين الجزيء والقناة، حيث أظهرت النتائج علاقة واضحة بين شدة التفاعل وزيادة الاستجابة الكهربائية. بشكل عام، تُظهر هذه الدراسة أن تصميم SWCNT-FET المقترح يمتلك حساسية وانتقائية عاليتين للكشف عن الهكسانال، مما يجعله مرشحاً واعداً لتطوير أنظمة تشخيص غير جراحية قائمة على تحليل التنفس للكشف المبكر عن سرطان الكبد، مع إمكانية دمجه مستقبلاً في أجهزة محمولة للتطبيقات الطبية.

Download
COinS