Ультратонкая электронная пленка обещает более легкие очки ночного видения и передовые технологии сенсирования тумана

Массачусетский технологический институт, Кембридж, штат Массачусетс

Новые разработанные пленки могут обеспечить более легкие, более портативные и высокоточные устройства дальнего инфракрасного (IR) сенсирования, с потенциальными применениями для очков ночного видения и автономного вождения в туманных условиях. (Изображение: Адам Гланцман)

Инженеры MIT разработали технику для выращивания и отслаивания ультратонких "кож" электронного материала. Метод может проложить путь для новых классов электронных устройств, таких как ультратонкие носимые сенсоры, гибкие транзисторы и вычислительные элементы, и высокочувствительные и компактные визуализирующие устройства.

Как демонстрация, команда изготовила тонкую мембрану пироэлектрического материала — класса теплочувствительного материала, который производит электрический ток в ответ на изменения температуры. Чем тоньше пироэлектрический материал, тем лучше он чувствует тонкие термические вариации.

С их новым методом команда изготовила тончайшую пироэлектрическую мембрану на данный момент, измеряющую 10 нанометров толщины, и продемонстрировала, что пленка высокочувствительна к теплу и излучению через весь дальний инфракрасный спектр.

Новые разработанные пленки могут обеспечить более легкие, более портативные и высокоточные дальние инфракрасные (IR) сенсирующие устройства, с потенциальными применениями для очков ночного видения и автономного вождения в туманных условиях. Текущие состояние- искусства дальние IR сенсоры требуют громоздких охлаждающих элементов. В контрасте, новая пироэлектрическая тонкая пленка не требует охлаждения и чувствительна к гораздо более мелким изменениям температуры. Исследователи исследуют способы включения пленки в более легкие, более точные очки ночного видения.

"Эта пленка значительно снижает вес и стоимость, делая её легкой, портативной и легче для интеграции", — Синьюань Чжан, аспирант в Департаменте материаловедения и инженерии (DMSE) MIT. "Например, она может быть напрямую надета на очки."

Теплочувствительная пленка может также иметь применения в экологическом и биологическом сенсировании, а также визуализации астрофизических феноменов, излучающих дальнее инфракрасное излучение.

Более того, новая техника отслаивания обобщается за пределами пироэлектрических материалов. Исследователи планируют применить метод для изготовления других ультратонких, высокопроизводительных полупроводниковых пленок.

Их результаты сообщаются в статье, появляющейся в журнале Nature. Соавторы MIT исследования — первый автор Синьюань Чжан, Санхо Ли, Мин-Кью Сон, Хайхуй Лан, Чжунь Мин Су, Чжун-Эль Рю, Яньцзе Шао, Сюдун Чжэн, Не Мьо Хан и Чжихван Ким, доцент мехинженерии и материаловедения и инженерии, вместе с исследователями из Университета Висконсин в Мэдисон под руководством профессора Чан-Бом Эома и авторами из множества других институтов.

Группа Кима в MIT находит новые способы сделать меньшие, тоньше и более гибкие электронику. Они видят, что такие ультратонкие вычислительные "кожи" могут быть включены во всё от умных контактных линз и носимых сенсорных тканей до растяжимых солнечных ячеек и гибких дисплеев. Для реализации таких устройств Ким и его коллеги экспериментировали с методами выращивания, отслаивания и наложения полупроводниковых элементов для производства ультратонких, мультифункциональных электронных тонкопленочных мембран.

Один метод, который Ким пионировал — "удаленная эпитаксия" — техника, где полупроводниковые материалы выращиваются на монокристаллическом субстрате, с ультратонким слоем графена между ними. Кристаллическая структура субстрата служит скаффолдом, вдоль которого новый материал может расти. Графен действует как нелипкий слой, похожий на тефлон, делая легким для исследователей отслаивать новую пленку и переносить её на гибкие и наложенные электронные устройства. После отслаивания новой пленки, базовый субстрат может быть повторно использован для изготовления дополнительных тонких пленок.

Ким применил удаленную эпитаксию для производства тонких пленок с различными характеристиками. Пробуя разные комбинации полупроводниковых элементов, исследователи случились заметить, что определенный пироэлектрический материал, называемый PMN-PT, не требовал промежуточного слоя помощи для разделения от своего субстрата. Просто выращивая PMN-PT напрямую на монокристаллическом субстрате, исследователи могли затем удалить выросшую пленку, без разрывов или разрывов в её деликатной решетке. "Это работало удивительно хорошо", — сказал Чжан. "Мы обнаружили, что отслоенная пленка атомно гладка."

В их новом исследовании MIT и UW Мэдисон исследователи присмотрелись к процессу и обнаружили, что ключ к легкому отслаиванию материала был свинец. Как часть своей химической структуры, команда, вместе с коллегами из Ренсселлерского политехнического института, обнаружила, что пироэлектрическая пленка содержит упорядоченное расположение атомов свинца, имеющих большую "электронную аффинити", означающую, что свинец привлекает электроны и предотвращает зарядовых носителей от путешествия и соединения с другим материалом, таким как базовый субстрат. Свинец действует как крошечные нелипкие единицы, позволяя материалу в целом отслаиваться, идеально целым.

Команда изготовила множественные ультратонкие пленки PMN-PT, каждая около 10 нанометров тонко. Они отслаили пироэлектрические пленки и перенесли их на маленький чип для формирования массива 100 ультратонких теплочувствительных пикселей, каждый около 60 квадратных микрон (около 0,006 квадратных сантиметров). Они экспонировали пленки к всё более легким изменениям температуры и нашли, что пиксели были высокочувствительны к малым изменениям через весь дальний инфракрасный спектр.

Эти устройства в настоящее время основаны на фотодетекторных материалах, в которых изменение температуры индуцирует электроны материала прыгать в энергию и кратковременно переходить через энергетический "зазор полосы", прежде чем оседать обратно в их основное состояние. Этот электронный прыжок служит электрическим сигналом изменения температуры. Однако этот сигнал может быть затронут шумом в среде, поэтому для предотвращения таких эффектов фотодетекторы должны также включать охлаждающие устройства, которые доводят инструменты до температур жидкого азота.

Текущие очки ночного видения и прицелы тяжелые и громоздкие. С новой пироэлектрической подходом группы, NVD могли бы иметь ту же чувствительность без веса охлаждения.

Исследователи нашли, что пленки были чувствительны за пределами диапазона текущих устройств ночного видения и могли реагировать на длины волн через весь инфракрасный спектр. Это предполагает, что пленки могут быть включены в маленькие, легкие и портативные устройства для различных применений, требующих разных инфракрасных регионов. Например, когда интегрированы в автономные автомобильные платформы, пленки могут позволить машинам "видеть" пешеходов и машины в полной темноте или в туманных и дождливых условиях.

Пленка также может быть использована в газовых сенсорах для реального-времени и на-месте экологического мониторинга, помогая обнаруживать загрязнители. В электронике они могут мониторить тепловые изменения в полупроводниковых чипах для улавливания ранних признаков неисправных элементов.

Команда говорит, что новый метод отслаивания может быть обобщен к материалам, которые сами могут не содержать свинец. В тех случаях исследователи подозревают, что они могут инфузировать тефлон-подобные атомы свинца в базовый субстрат для индуцирования похожего эффекта отслаивания. На данный момент команда активно работает над включением пироэлектрических пленок в функциональную систему ночного видения.

"Мы видим, что наши ультратонкие пленки могут быть сделаны в высокопроизводительные очки ночного видения, учитывая их широспектральную инфракрасную чувствительность при комнатной температуре, что позволяет легкий дизайн без системы охлаждения", — сказал Чжан. "Чтобы превратить это в систему ночного видения, функциональный массив устройств должен быть интегрирован с цепями считывания. Кроме того, тестирование в вариабельных экологических условиях необходимо для практических применений."

Для получения дополнительной информации, свяжитесь с Эбби Абазориус по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..