Spinweb-g geïnspireerd ontwerp verbetert 3D fotodetector prestaties voor biomedische imaging

Natuur als inspiratie voor betere fotodetectoren

Purdue University innovatoren nemen aanleiding bij de spin om betere 3D fotodetectoren te ontwikkelen voor biomedische imaging.

Geïndspireerd door de herhalende architectuurpatronen van een spinweb, demonstreerde het team een veerkrachtige, bolvormige fotodetector-array die zowel de richting als de intensiteit van inkomend licht tegelijkertijd detecteert, zoals het samengestelde-oog visiesysteem van gewerwelozen zoals insecten en schaaldieren.

"We hebben het unieke fractale ontwerp van een spinweb gebruikt voor de ontwikkeling van deformeerbare en betrouwbare elektronica die naadloos kan interfaceren met elk 3D curvilineair oppervlak," zei Chi Hwan Lee, een Purdue assistent professor biomedische engineering en werktuigbouwkunde.

Zulke 3D opto-elektronische architecturen zijn bijzonder waardevol voor fotodetectiesystemen die grotere zichtvelden, wijzer hoeken van zicht en hogere gevoeligheid voor beweging vereisen.

Het werk is gepubliceerd in het online tijdschrift Advanced Materials.

Waarom een spinweb?

Spinwebben zijn bekend om uitstekende mechanische aanpasbaarheid en schade-tolerantie tegen diverse mechanische belasting te bieden, zelfs in een storm.

De unieke structurele eigenschap van Lee en zijn team's fractale webontwerp beschermt het apparaat door diverse externe belasting effectief te tolereren.

Geïndspireerd door de natuurlijke architectuur, verdeelt Lee en zijn team's optische rangschikking extern geïnduceerde spanning door de draden, volgens de effectieve verhouding van spiraal- en radiale dimensies.

De halfbolvormige fotodetector-array bevat een organisch-kleurstof-gegevoelig materiaal: een grafeen-hybride composiet. Het apparaat wordt eerst gefabriceerd op een planaire silicium wafer op microschaal en vervolgens overgebracht naar transparante halfbolvormige kupels met verschillende krommingen op een deterministische manier.

Het "web" biedt grotere rekbaarheid om kracht beter te dissiperen onder rek. Bovendien tolereren het ontwerp kleine snijden van de draden terwijl de algehele sterkte en functie van de gehele webarchitectuur behouden blijft.

Interview met Prof. Chi Hwan Lee

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

Prof. Chi Hwan Lee: Opto-elektronische materialen en apparaten geïmplementeerd over curvilineaire oppervlakken bieden kwalitatief uitgebreide functionaliteitsniveaus die een groot zichtveld zonder aberratie mogelijk maken, wat lijkt op het samengestelde-oog visiesysteem van gewerwelozen. Deze 3D opto-elektronische architecturen zijn met name aantrekkelijk voor fotodetectiesystemen die een groot zichtveld en wijdhoekige antireflectie vereisen. Om een samengesteld-oog-nabootsend systeem te engineer, zijn de meest belovende procedures direct printen van gevoelige pixels op gebogen of halfbolvormige oppervlakken op een zorgvuldig uitgelijnde manier.

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

Prof. Lee: Deze inspanningen banen de weg voor het realiseren van diverse 3D vormen van fotodetectoren, maar de vooruitgang in dit gebied wordt belemmerd door de complexiteit van het assembleren van opto-elektronische apparaten en componenten op niet-planaire oppervlakken op microschaal en het matchen van de vorm van de fotodetector-array met de vaste halfbolvormige kromming.

Om de uitdaging aan te pakken, hebben we de structurele architectuur, of fractale ontwerp, van een spinweb in de natuur gebruikt die in staat is om diverse mechanische belasting van 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 dimensies; (2) grotere rekbaarheid te bieden om kracht beter te dissiperen onder rek; en (3) kleine snijden van de draden te tolereren terwijl de algehele sterkte en functie van de gehele webarchitectuur behouden blijft.

Prestaties en toekomst

Tech Briefs: Hoe goed werkt jullie array?

Prof. Lee: Onze 3D fotodetector biedt niet alleen de geavanceerde opto-elektronische functionaliteit in het detecteren van zowel richting als intensiteit van inkomend licht, maar ook superieure fotoresponsiviteit, vergeleken met andere vergelijkbare tegenhangers, door het gebruik van een nieuw organisch-kleurstof-gegevoelig grafeen-hybride composiet als een flexibel en effectief fotoactief component.

De resulterende 3D opto-elektronische architecturen zijn met name aantrekkelijk voor fotodetectiesystemen die een groot zichtveld en wijdhoekige antireflectie vereisen, wat nuttig zal zijn voor veel biomedische en militaire imaging doeleinden.

Tech Briefs: Wat is de volgende stap in jullie onderzoek?

Prof. Lee: Ons werk vestigt een platformtechnologie die een fractaal webontwerp kan integreren met systeemniveau halfbolvormige elektronica en sensoren, wat diverse uitstekende mechanische aanpasbaarheid en schade-tolerantie biedt tegen diverse mechanische belasting (zoals spinwebben doen). De assemblagetechniek gepresenteerd in dit werk stelt in staat 2D deformeerbare elektronica in 3D architecturen te implementeren, wat nieuwe kansen kan voorspellen om het veld van 3D elektronische en opto-elektronische apparaten beter te laten vorderen. Het Amerikaanse octrooi wordt ingediend via OTC, en we zoeken partners en kijken ook naar het licentiëren van de technologie.

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 aan Purdue. Het werk is gepubliceerd in Advanced Materials.