Een op spinnen geïnspireerd ontwerp maakt de weg vrij voor betere fotodetectoren

Vernieuwers van Purdue University nemen aanwijzingen van de spin om betere 3D-fotodetectoren te ontwikkelen voor biomedische beeldvorming.

Geïnspireerd door de zich herhalende architectuurpatronen van een spinnenweb, demonstreerde het team een ​​veerkrachtige, koepelvormige fotodetectorarray die zowel richting als intensiteit van invallend licht detecteert, zoals het samengestelde-oogzichtsysteem van geleedpotigen zoals insecten en schaaldieren .

"We hebben het unieke fractale ontwerp van een spinnenweb gebruikt voor de ontwikkeling van vervormbare en betrouwbare elektronica die naadloos kan communiceren met elk kromlijnig 3D-oppervlak", zegt Chi Hwan Lee, een universitair docent biomedische technologie en werktuigbouwkunde bij Purdue.

Dergelijke opto-elektronische 3D-architecturen zijn vooral waardevol voor fotodetectiesystemen die grotere gezichtsvelden, bredere gezichtshoeken en een hogere gevoeligheid voor beweging vereisen.

Het werk is gepubliceerd in het online tijdschrift Advanced Materials .

Waarom een ​​spinnenweb?

Van spinnenwebben is bekend dat ze een uitstekend mechanisch aanpassingsvermogen en schadetolerantie bieden tegen verschillende mechanische belastingen, zelfs bij storm.

De unieke structurele eigenschap van Lee en het fractal-webontwerp van zijn team beschermt het apparaat door verschillende externe belastingen effectief te verdragen.

Geïnspireerd door de natuurlijke architectuur, verdeelt de optische opstelling van Lee en zijn team de extern opgewekte spanning over de draden, volgens de effectieve verhouding van spiraal- en radiale afmetingen.

De halfronde fotodetectorarray bevat een organisch-kleurstof-gevoelig materiaal:een grafeen hybride composiet. Het apparaat wordt eerst op microschaal op een vlakke siliciumwafel gefabriceerd en vervolgens op een deterministische manier overgebracht naar transparante halfronde koepels met verschillende krommingen.

Het "web" biedt een grotere rekbaarheid om de kracht tijdens het strekken beter te dissiperen. Bovendien tolereert het ontwerp kleine sneden in de threads, terwijl de algehele sterkte en functie van de gehele webarchitectuur behouden blijft.

In een korte, bewerkte Q&A met Tech Briefs hieronder legt prof. Lee uit hoe de spinstructuur kan leiden tot een nieuw soort vervormbare elektronica.

Tech Briefs :Waarom is het waardevol voor een opto-elektronische architectuur om een ​​webachtig ontwerp te hebben?

Prof. Chi Hwan Lee: Opto-elektronische materialen en apparaten die op kromlijnige oppervlakken worden ingezet, bieden kwalitatief uitgebreide functionaliteitsniveaus waardoor een groot gezichtsveld zonder aberratie mogelijk is, wat lijkt op het samengestelde oogzichtsysteem van geleedpotigen. Deze 3D-opto-elektronische architecturen zijn bijzonder aantrekkelijk voor fotodetectiesystemen die een groot gezichtsveld en antireflectie met een brede kijkhoek vereisen. Om een ​​samengesteld oog-nabootsend systeem te ontwikkelen, zijn de meest veelbelovende procedures het direct printen van lichtgevoelige pixels op gebogen of halfronde oppervlakken op een zorgvuldig uitgelijnde manier.

Tech Briefs :Wat is de meest opwindende toepassing of mogelijkheid met dit type ontwerp?

Prof. Lee: Deze inspanningen effenen de weg voor het realiseren van verschillende 3D-vormen van fotodetectoren, maar vooruitgang op dit gebied wordt belemmerd door de complexiteit van het assembleren van opto-elektronische apparaten en componenten op niet-vlakke oppervlakken op microschaal en het afstemmen van de vorm van de fotodetectorarray met de vaste halfronde kromming.

Om de uitdaging aan te gaan, gebruikten we de structurele architectuur, of fractal-ontwerp, van een spinnenweb dat in de natuur wordt aangetroffen en dat in staat is om verschillende mechanische belastingen uit omgevingen efficiënt te weerstaan. Het fractale webontwerp dat een herhalend patroon op alle schalen vertoont, biedt unieke mogelijkheden om (1) extern geïnduceerde spanning door de draden te verdelen volgens de effectieve verhouding van spiraal- en radiale afmetingen; (2) zorgen voor een grotere rekbaarheid om de kracht tijdens het strekken beter te dissiperen; en (3) kleine afsnijdingen van de threads tolereren terwijl de algehele sterkte en functie van de gehele webarchitectuur behouden blijft.

Meer fotodetectoren op technische briefing

Lees meer over NASA's manier om afzonderlijke fotonen te detecteren.

Nog een NASA-ontwerp: Fotodetectorarrays voor meerkleurige zichtbare/infraroodbeeldvorming

Tech Briefs :Hoe goed werkt uw array?

Prof. Lee: Onze 3D-fotodetector biedt niet alleen de geavanceerde opto-elektronische functionaliteit bij het detecteren van zowel richting als intensiteit van invallend licht, maar ook superieure fotoresponsiviteit, vergeleken met andere vergelijkbare tegenhangers, door het gebruik van een nieuwe organische kleurstof-gesensibiliseerde grafeen hybride composiet als een flexibele en effectieve fotoactieve component .

De resulterende 3D-opto-elektronische architecturen zijn bijzonder aantrekkelijk voor fotodetectiesystemen die een groot gezichtsveld en antireflectie met een brede kijkhoek vereisen, wat nuttig zal zijn voor vele biomedische en militaire beeldvormingsdoeleinden.

Tech Briefs :Hoe gaat het verder met je onderzoek?

Prof. Lee: Ons werk brengt een platformtechnologie tot stand die een fractal webdesign kan integreren met halfbolvormige elektronica en sensoren op systeemniveau, waardoor een aantal uitstekende mechanische aanpassingsvermogens en schadetolerantie tegen verschillende mechanische belastingen (zoals spinnenwebben) wordt geboden. De assemblagetechniek die in dit werk wordt gepresenteerd, maakt het mogelijk om 2D-vervormbare elektronica in 3D-architecturen in te zetten, wat een voorbode kan zijn van nieuwe kansen om het veld van 3D elektronische en opto-elektronische apparaten beter te bevorderen. Het Amerikaanse patent wordt ingediend via OTC en we zoeken partners en willen ook licenties voor de technologie verkrijgen.

Dit werk wordt ondersteund door de National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) en het Air Force Research Laboratory (AFRL; S-114-054-002), in samenwerking met Prof. Muhammad Ashraf Alam's Lab in ECE in Purdue . Het werk is gepubliceerd in Advanced Materials .

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.