Паутинно-вдохновенный дизайн повышает производительность 3D-фотодетекторов для биомедицинской визуализации

Инноваторы из Университета Пердью берут пример с паука для разработки лучших 3D-фотодетекторов для биомедицинской визуализации.

Вдохновленные повторяющимися архитектурными паттернами паутины, команда продемонстрировала устойчивый куполообразный массив фотодетекторов, который детектирует как направление, так и интенсивность падающего света одновременно, как система сложного глаза членистоногих, таких как насекомые и ракообразные.

«Мы использовали уникальный фрактальный дизайн паутины для разработки деформируемых и надежных электроники, которые могут бесшовно взаимодействовать с любой 3D-криволинейной поверхностью», — сказал Чи Хван Ли, помощник профессора биомедицинской инженерии и машиностроения в Пердью.

Такие 3D-оптоэлектронные архитектуры особенно ценны для фотодетектирующих систем, требующих больших полей зрения, более широких углов зрения и более высокой чувствительности к движению.

Работа опубликована в онлайн-журнале Advanced Materials .

Почему паутина?

Паутины хорошо известны тем, что обеспечивают отличную механическую адаптивность и толерантность к повреждениям против различных механических нагрузок, даже в шторм.

Уникальное структурное свойство фрактального веб-дизайна Ли и его команды защищает устройство, эффективно перенося различные внешние нагрузки.

Вдохновленные естественной архитектурой, Ли и его команда оптические расстановки распределяют внешне индуцированное напряжение по нитям в соответствии с эффективным соотношением спиральных и радиальных измерений.

Полусферический массив фотодетекторов содержит органически-красительно-сенсибилизированный материал: гибридный композит графена. Устройство сначала изготавливается на планарной кремниевой подложке в микромасштабе, а затем переносится на прозрачные полусферические купола с разными кривизнами детерминированным образом.

«Паутина» обеспечивает большую экстенсибельность для лучшего рассеивания силы под растяжением. Кроме того, дизайн терпит незначительные разрезы нитей, сохраняя общую прочность и функцию всей паутинной архитектуры.

В коротком, отредактированном Q&A с Tech Briefs ниже, проф. Ли объясняет, как паутинная структура может привести к новому виду деформируемой электроники.

Tech Briefs: Почему ценно для оптоэлектронной архитектуры иметь паутиноподобный дизайн?

Проф. Чи Хван Ли: Оптоэлектронные материалы и устройства, развернутые по криволинейным поверхностям, предлагают качественно расширенные уровни функциональности, обеспечивая большое поле зрения без аберрации, что напоминает систему сложного глаза членистоногих. Эти 3D-оптоэлектронные архитектуры особенно привлекательны для фотодетектирующих систем, требующих большого поля зрения и широкоугольной антирефлексии. Для проектирования системы, имитирующей сложное глаз, наиболее перспективные процедуры включают прямой печать фоточувствительных пикселей на кривых или полусферических поверхностях тщательно выровненным образом.

Tech Briefs: Какое самое захватывающее применение или возможность с этим типом дизайна?

Проф. Ли: Эти усилия прокладывают путь для реализации различных 3D-форм фотодетекторов, но прогресс в этой области препятствует сложность сборки оптоэлектронных устройств и компонентов на непланарных поверхностях в микромасштабе и соответствие формы массива фотодетекторов с фиксированной полусферической кривизной.

Для решения проблемы мы использовали структурную архитектуру, или фрактальный дизайн, паутины, найденной в природе, которая способна эффективно сопротивляться различным механическим нагрузкам от окружающей среды. Фрактальный веб-дизайн, демонстрирующий повторяющийся паттерн на всех масштабах, обеспечивает уникальные возможности: (1) распределять внешне индуцированное напряжение по нитям в соответствии с эффективным соотношением спиральных и радиальных измерений; (2) обеспечивать большую экстенсибельность для лучшего рассеивания силы под растяжением; и (3) терпеть незначительные разрезы нитей, сохраняя общую прочность и функцию всей паутинной архитектуры.

Больше фотодетекторов на Tech Briefs

Узнайте о способе NASA детектирования одиночных фотонов.

Другой дизайн NASA: Массивы фотодетекторов для многоцветной визуализации в видимом/инфракрасном диапазоне

Tech Briefs: Насколько хорошо работает ваш массив?

Проф. Ли: Наш 3D-фотодетектор обеспечивает не только передовые оптоэлектронные функции в детектировании направления и интенсивности падающего света, но и высокую фотоответственность по сравнению с другими подобными аналогами благодаря использованию нового органически-красительно-сенсибилизированного гибридного композита графена как гибкого и эффективного фотоактивного компонента.

Полученные 3D-оптоэлектронные архитектуры особенно привлекательны для фотодетектирующих систем, требующих большого поля зрения и широкоугольной антирефлексии, что будет полезно для многих биомедицинских и военных целей визуализации.

Tech Briefs: Что дальше в ваших исследованиях?

Проф. Ли: Наша работа устанавливает платформенную технологию, которая может интегрировать фрактальный веб-дизайн с системно-уровневой полусферической электроникой и сенсорами, тем самым предлагая несколько отличных механических адаптивностей и толерантности к повреждениям против различных механических нагрузок (как паутины). Техника сборки, представленная в этой работе, позволяет развертывать 2D-деформируемую электронику в 3D-архитектурах, что может предвести новые возможности для лучшего продвижения области 3D-электронных и оптоэлектронных устройств. Патент США подается через OTC, и мы ищем партнеров и также смотрим на лицензирование технологии.

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

Что вы думаете? Делитесь своими вопросами и комментариями ниже.