Дизайн, вдохновленный пауками, прокладывает путь к более совершенным фотодетекторам

Новаторы из Университета Пердью берут пример с пауков, чтобы разработать более совершенные трехмерные фотодетекторы для биомедицинских изображений.

Вдохновленные повторяющимися архитектурными паттернами паутины, команда продемонстрировала упругую куполообразную матрицу фотодетекторов, которая одновременно определяет и направление, и интенсивность падающего света, подобно системе зрения со сложными глазами членистоногих, таких как насекомые и ракообразные. .

"Мы использовали уникальный фрактальный дизайн паутины для разработки деформируемой и надежной электроники, которая может беспрепятственно взаимодействовать с любой трехмерной криволинейной поверхностью, – – сказал Чи Хван Ли, доцент кафедры биомедицинской инженерии и машиностроения Университета Пердью.

Такие трехмерные оптоэлектронные архитектуры особенно ценны для систем фотообнаружения, которым требуются большие поля зрения, более широкие углы обзора и более высокая чувствительность к движению.

Работа опубликована в онлайн-журнале Advanced Materials .

Почему паутина?

Хорошо известно, что паутина обеспечивает превосходную механическую адаптируемость и устойчивость к повреждениям при различных механических нагрузках, даже во время шторма.

Уникальное структурное свойство фрактальной паутины Ли и его команды защищает устройство, эффективно выдерживая различные внешние нагрузки.

Оптическое устройство, вдохновленное природной архитектурой, Ли и его команда распределяют внешнее напряжение по нитям в соответствии с эффективным соотношением спирального и радиального размеров.

Полусферический массив фотодетекторов содержит материал, сенсибилизированный органическим красителем:гибридный композит графена. Устройство сначала изготавливается на плоской кремниевой пластине в микромасштабе, а затем детерминированным образом переносится на прозрачные полусферические купола с различной кривизной.

«Паутина» обеспечивает большую растяжимость, чтобы лучше рассеивать усилие при растяжении. Кроме того, конструкция допускает небольшие обрезания нитей, сохраняя при этом общую прочность и функциональность всей веб-архитектуры.

Короткие, отредактированные вопросы и ответы с Tech Briefs ниже профессор Ли объясняет, как структура паука может привести к новому типу деформируемой электроники.

Технические обзоры :Почему для оптоэлектронной архитектуры важно иметь веб-дизайн?

Проф. Чи Хван Ли: Оптоэлектронные материалы и устройства, размещенные на криволинейных поверхностях, предлагают качественно расширенные уровни функциональности, обеспечивающие большое поле зрения без аберраций, что напоминает систему зрения членистоногих со сложными глазами. Эти трехмерные оптоэлектронные архитектуры особенно привлекательны для систем фотодетектирования, которым требуется большое поле зрения и широкоугольное просветление. Для разработки сложной системы, имитирующей глаза, наиболее многообещающие процедуры включают прямую печать светочувствительных пикселей на изогнутых или полусферических поверхностях с тщательно выровненным образом.

Технические обзоры :Какое самое интересное применение или возможность такого типа дизайна?

Проф. Ли: Эти усилия открывают путь к реализации различных трехмерных форм фотоприемников, но прогресс в этой области затруднен из-за сложности сборки оптоэлектронных устройств и компонентов на неплоских поверхностях в микромасштабе и согласования формы матрицы фотоприемников с фиксированной полусферической кривизной.

Чтобы решить эту проблему, мы использовали структурную архитектуру или фрактальный дизайн паутины, встречающейся в природе, которая способна эффективно противостоять различным механическим нагрузкам окружающей среды. Фрактальный дизайн полотна, демонстрирующий повторяющийся рисунок во всех масштабах, обеспечивает уникальные возможности (1) распределения внешнего напряжения по резьбе в соответствии с эффективным соотношением спирального и радиального размеров; (2) обеспечивают большую растяжимость для лучшего рассеивания силы при растяжении; и (3) допускать незначительные сокращения потоков при сохранении общей прочности и функциональности всей веб-архитектуры.

Больше фотодетекторов в технической документации

Узнайте о методе НАСА для обнаружения одиночных фотонов.

Другой проект НАСА: Массивы фотодетекторов для получения многоцветных видимых/инфракрасных изображений

Технические обзоры :Насколько хорошо работает ваш массив?

Проф. Ли: Наш 3D-фотодетектор обеспечивает не только передовые оптоэлектронные функции для определения как направления, так и интенсивности падающего света, но и превосходную фоточувствительность по сравнению с другими аналогичными аналогами благодаря использованию нового гибридного графенового композита, сенсибилизированного органическим красителем, в качестве гибкого и эффективного фотоактивного компонента. .

Полученные трехмерные оптоэлектронные архитектуры особенно привлекательны для систем фотодетекции, которым требуется большое поле зрения и широкоугольное просветление, что будет полезно для многих целей биомедицинской и военной визуализации.

Технические обзоры :Что дальше с вашим исследованием?

Проф. Ли: Наша работа устанавливает технологию платформы, которая может интегрировать дизайн фрактальной сети с полусферической электроникой и датчиками на системном уровне, тем самым предлагая превосходную механическую адаптируемость и устойчивость к повреждениям при различных механических нагрузках (например, паутина). Техника сборки, представленная в этой работе, позволяет использовать 2D-деформируемую электронику в 3D-архитектуре, что может предвещать новые возможности для лучшего развития области 3D-электронных и оптоэлектронных устройств. Патент США подается через OTC, и мы ищем партнеров, а также пытаемся лицензировать технологию.

Эта работа поддерживается Национальным научным фондом (NSF; CMMI-1928784) и Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL; S-114-054-002) в сотрудничестве с лабораторией профессора Мухаммада Ашрафа Алама в ECE в Пердью. . Работа опубликована в Advanced Materials .

Что вы думаете? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.