Ультратонкая электронная пленка обещает более легкие очки ночного видения и передовую технологию обнаружения тумана

Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

Недавно разработанная пленка может стать более легкими, портативными и высокоточными устройствами, чувствительными к дальнему инфракрасному (ИК) диапазону, с потенциальным применением в очках ночного видения и автономном вождении в условиях тумана. (Изображение:Адам Гланцман)

Инженеры Массачусетского технологического института разработали метод выращивания и снятия ультратонкой «оболочки» электронного материала. Этот метод может проложить путь к новым классам электронных устройств, таким как сверхтонкие носимые датчики, гибкие транзисторы и вычислительные элементы, а также высокочувствительные и компактные устройства обработки изображений.

В качестве демонстрации команда изготовила тонкую мембрану из пироэлектрического материала — класса теплочувствительных материалов, которые производят электрический ток в ответ на изменения температуры. Чем тоньше пироэлектрический материал, тем лучше он улавливает тонкие температурные изменения.

С помощью нового метода команда изготовила самую тонкую пироэлектрическую мембрану толщиной 10 нанометров и продемонстрировала, что пленка очень чувствительна к теплу и излучению в дальнем инфракрасном спектре.

Недавно разработанная пленка может стать более легкими, портативными и высокоточными устройствами, чувствительными к дальнему инфракрасному (ИК) диапазону, с потенциальным применением в очках ночного видения и автономном вождении в условиях тумана. Современные датчики дальнего ИК-диапазона требуют громоздких охлаждающих элементов. Напротив, новая пироэлектрическая тонкая пленка не требует охлаждения и чувствительна к гораздо меньшим изменениям температуры. Исследователи изучают способы использования пленки в более легких и высокоточных очках ночного видения.

«Эта пленка значительно снижает вес и стоимость, делая ее легкой, портативной и простой в интеграции», — Синьюань Чжан, аспирант факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE). «Например, его можно носить прямо на очках».

Теплочувствительная пленка также может найти применение в экологических и биологических исследованиях, а также для визуализации астрофизических явлений, излучающих дальнее инфракрасное излучение.

Более того, новую технику отрыва можно распространить и на пироэлектрические материалы. Исследователи планируют применить этот метод для изготовления других ультратонких высокоэффективных полупроводниковых пленок.

Их результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Nature. . Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Синьюань Чжан, Санхо Ли, Мин-Кю Сон, Хайхуэй Лан, Джун Мин Су, Юнг-Эль Рю, Яньцзе Шао, Сюдун Чжэн, Не Мио Хан и Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии, а также исследователи из Университета Висконсина в Мэдисоне под руководством профессора Чанг-Бома Эома и авторы из множества других учреждений.

Группа Кима в Массачусетском технологическом институте ищет новые способы изготовления меньшей, тонкой и гибкой электроники. Они предполагают, что такие ультратонкие компьютерные «оболочки» можно использовать во всем:от интеллектуальных контактных линз и носимых сенсорных тканей до эластичных солнечных батарей и гибких дисплеев. Чтобы реализовать такие устройства, Ким и его коллеги экспериментировали с методами выращивания, отделения и укладки полупроводниковых элементов для изготовления ультратонких, многофункциональных электронных тонкопленочных мембран.

Одним из методов, который впервые применил Ким, является «дистанционная эпитаксия» — метод, при котором полупроводниковые материалы выращиваются на монокристаллической подложке с ультратонким слоем графена между ними. Кристаллическая структура подложки служит каркасом, вдоль которого может расти новый материал. Графен действует как антипригарный слой, аналогичный тефлону, что позволяет исследователям легко снимать новую пленку и переносить ее на гибкие и штабелированные электронные устройства. После отделения новой пленки нижележащую подложку можно повторно использовать для изготовления дополнительных тонких пленок.

Ким применил дистанционную эпитаксию для изготовления тонких пленок с различными характеристиками. Пробуя различные комбинации полупроводниковых элементов, исследователи заметили, что определенный пироэлектрический материал, называемый PMN-PT, не требует промежуточного слоя для отделения от подложки. Просто вырастив PMN-PT непосредственно на монокристаллической подложке, исследователи смогли затем удалить выращенную пленку без разрывов и разрывов ее тонкой решетки. «Это сработало на удивление хорошо», — сказал Чжан. «Мы обнаружили, что очищенная пленка атомарно гладкая».

В своем новом исследовании исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Вашингтона в Мэдисоне более внимательно изучили этот процесс и обнаружили, что ключом к легкости отделения материала является свинец. В рамках своей химической структуры команда вместе с коллегами из Политехнического института Ренсселера обнаружила, что пироэлектрическая пленка содержит упорядоченное расположение атомов свинца, которые имеют большое «сродство к электрону», что означает, что свинец притягивает электроны и предотвращает перемещение носителей заряда и соединение с другим материалом, например, с подложкой. Свинец действует как крошечные антипригарные детали, позволяя материалу отделяться целиком, оставаясь совершенно неповрежденным.

Команда изготовила несколько ультратонких пленок PMN-PT, каждая толщиной около 10 нанометров. Они сняли пироэлектрические пленки и перенесли их на небольшой чип, чтобы сформировать массив из 100 ультратонких теплочувствительных пикселей, каждый размером около 60 квадратных микрон (около 0,006 квадратных сантиметра). Они подвергали пленки малейшим изменениям температуры и обнаружили, что пиксели очень чувствительны к небольшим изменениям в дальней инфракрасной области спектра.

Эти устройства в настоящее время основаны на фотодетекторных материалах, в которых изменение температуры заставляет электроны материала прыгать по энергии и на короткое время пересекать энергетическую «зону», прежде чем вернуться в свое основное состояние. Этот скачок электрона служит электрическим сигналом изменения температуры. Однако на этот сигнал может влиять шум окружающей среды, поэтому для предотвращения таких эффектов фотодетекторы должны также включать охлаждающие устройства, которые понижают температуру инструментов до температуры жидкого азота.

Современные очки и прицелы ночного видения тяжелые и громоздкие. Благодаря новому подходу группы, основанному на пироэлектрике, ПНВ могут иметь ту же чувствительность без охлаждающего веса.

Исследователи обнаружили, что чувствительность пленок выходит за пределы диапазона современных приборов ночного видения и может реагировать на длины волн во всем инфракрасном спектре. Это говорит о том, что пленки можно использовать в небольших, легких и портативных устройствах для различных применений, требующих разных инфракрасных диапазонов. Например, при интеграции в платформы автономных транспортных средств фильмы могут позволить автомобилям «видеть» пешеходов и транспортные средства в полной темноте, в туман и дождь.

Пленка также может быть использована в газовых датчиках для мониторинга окружающей среды в режиме реального времени и на месте, помогая обнаруживать загрязняющие вещества. В электронике они смогут отслеживать изменения тепла в полупроводниковых чипах, чтобы выявить ранние признаки неисправности элементов.

Команда утверждает, что новый метод отрыва можно распространить на материалы, которые сами по себе могут не содержать свинец. В этих случаях исследователи подозревают, что они могут внедрить тефлоноподобные атомы свинца в основную подложку, чтобы вызвать аналогичный эффект отслаивания. На данный момент команда активно работает над включением пироэлектрических пленок в функциональную систему ночного видения.

«Мы полагаем, что из наших ультратонких пленок можно будет сделать высокоэффективные очки ночного видения, учитывая их чувствительность к широкому спектру инфракрасного излучения при комнатной температуре, что позволяет создать легкую конструкцию без системы охлаждения», — сказал Чжан. "Чтобы превратить это в систему ночного видения, массив функциональных устройств должен быть интегрирован со схемой считывания. Кроме того, для практического применения необходимо тестирование в различных условиях окружающей среды".

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Эбби Абазориусом по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.