Ultra-dun Elektronisch Film Belooft Lichtere Nachtzichtbrillen En Geavanceerde Mist-sensor Technologie

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

De nieuw ontwikkelde film kan lichtere, meer draagbare en hoog nauwkeurige far-infrarood (IR) sensoren mogelijk maken, met potentiële toepassingen voor nachtzichtbrillen en autonoom rijden in mistige omstandigheden. (Afbeelding: Adam Glanzman)

MIT-ingenieurs hebben een techniek ontwikkeld om ultradunne "huiden" van elektronisch materiaal te laten groeien en af te scheuren. De methode kan de weg banen voor nieuwe klassen elektronische apparaten, zoals ultradunne draagbare sensoren, flexibele transistors en computerelementen, en hooggevoelige en compacte imaging apparaten.

Als demonstratie fabricageerde het team een dunne membraan van pyroelectrisch materiaal — een klasse warmte-voelend materiaal dat een elektrische stroom produceert als reactie op temperatuurveranderingen. Hoe dunner het pyroelectrische materiaal, hoe beter het is in het detecteren van subtiele thermische variaties.

Met hun nieuwe methode fabricageerde het team de dunste pyroelectrische membraan tot nu toe, met een dikte van 10 nanometer, en demonstreerde dat de film hoog gevoelig is voor warmte en straling over het far-infrarood spectrum.

De nieuw ontwikkelde film kan lichtere, meer draagbare en hoog nauwkeurige far-infrarood (IR) sensoren mogelijk maken, met potentiële toepassingen voor nachtzichtbrillen en autonoom rijden in mistige omstandigheden. Huidige state-of-the-art far-IR sensoren vereisen bulk achtingselementen. In tegenstelling, vereist de nieuwe pyroelectrische dunne film geen koeling en is gevoelig voor veel kleinere temperatuurveranderingen. De onderzoekers verkennen manieren om de film in lichtere, hogere-precisie nachtzichtbrillen te integreren.

"Deze film reduceert gewicht en kosten aanzienlijk, wat het lichtgewicht, draagbaar en gemakkelijker te integreren maakt," zei Xinyuan Zhang, een graduate student in MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE). "Bijvoorbeeld, het kan direct op brillen gedragen worden."

De warmte-sensorfilm kan ook toepassingen hebben in omgevings- en biologische sensing, alsook imaging van astrofysische verschijnselen die far-infrarood straling uitstralen.

Wat meer is, de nieuwe lift-off techniek is generaliseerbaar buiten pyroelectrische materialen. De onderzoekers plannen de methode toe te passen om andere ultradunne, hoogpresterende halfgeleider films te maken.

Hun resultaten worden gerapporteerd in een paper verschenen in het tijdschrift Nature. De MIT mede-auteurs zijn eerste auteur Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, en Jeehwan Kim, associate professor mechanical engineering en materials science and engineering, samen met onderzoekers aan de University Wisconsin at Madison geleid door Professor Chang-Beom Eom en auteurs van meerdere andere instituties.

Kim's groep bij MIT vindt nieuwe manieren om kleinere, dunner en flexibele elektronica te maken. Zij envisageren dat dergelijke ultradunne reken "huiden" geïntegreerd kunnen worden in alles van slimme contactlenzen en draagbare sensorstoffen tot rekbare zonnecellen en buigbare displays. Om dergelijke apparaten te realiseren, hebben Kim en zijn collega's geëxperimenteerd met methoden om halfgeleider elementen te laten groeien, af te scheuren en te stapelen, om ultradunne, multifunctionele elektronische dunne-film membranen te fabriceren.

Eén methode die Kim gepioneerd heeft is "remote epitaxy" — een techniek waar halfgeleider materialen gegroeid worden op een einkristallijn substraat, met een ultradunne laag graphene ertussen. De kristalstructuur van het substraat fungeert als een steiger waar langs het nieuwe materiaal kan groeien. De graphene fungeert als een non-stick laag, vergelijkbaar met Teflon, wat het voor onderzoekers gemakkelijk maakt om de nieuwe film af te scheuren en over te dragen op flexibele en gestapelde elektronische apparaten. Na het afscheuren van de nieuwe film, kan het onderliggende substraat hergebruikt worden om additionele dunne films te maken.

Kim heeft remote epitaxy toegepast om dunne films met diverse karakteristieken te fabriceren. Bij het uitproberen van verschillende combinaties van halfgeleider elementen, merkten de onderzoekers toevallig op dat een bepaalde pyroelectrische stof, genaamd PMN-PT, geen intermediaire laag assistentie vereistde om zich van zijn substraat te scheiden. Gewoon door PMN-PT direct op een einkristallijn substraat te laten groeien, konden de onderzoekers de gegroeide film verwijderen, zonder rissen of scheuren in het deliciete kristalrooster. "Het werkte verrassend goed," zei Zhang. "We vonden dat de afgescheurde film atoomaire glad is."

In hun nieuwe studie keken de MIT en UW Madison onderzoekers de procest nader aan en ontdekten dat de sleutel tot het makkelijk-afscheur-eigenschap van het materiaal lood was. Als onderdeel van de chemische structuur, ontdekte het team, samen met collega's aan het Rensselaer Polytechnic Institute, dat de pyroelectrische film een geordende rangschikking van loodatomen bevat die een grote "elektronaffiniteit" hebben, wat betekent dat lood elektronen aantrekt en de ladingsdragers voorkomt te reizen en te verbinden met een ander materiaal zoals een onderliggend substraat. Het lood fungeert als kleine non-stick eenheden, wat het materiaal als geheel toestaat af te scheuren, perfect intact.

Het team fabricageerde meerdere ultradunne films van PMN-PT, elk ongeveer 10 nanometer dun. Ze scheurden pyroelectrische films af en transporteerden ze naar een kleine chip om een array van 100 ultradunne warmte-sensor pixels te vormen, elk ongeveer 60 vierkante micron (ongeveer 0,006 vierkante centimeter). Ze blootstelden de films aan steeds lichtere temperatuurveranderingen en vonden de pixels hoog gevoelig voor kleine veranderingen over het far-infrarood spectrum.

Deze apparaten zijn momenteel gebaseerd op fotodetector materialen, waarin een temperatuurverandering de elektronen van het materiaal doet springen in energie en kort een energie "band gap" oversteken, voordat ze terugzakken in hun ground state. Deze elektronen sprong fungeert als een elektrisch signaal van de temperatuurverandering. Echter, dit signaal kan beïnvloed worden door ruis in de omgeving, dus om dergelijke effecten te voorkomen, moeten fotodetectors ook koelapparaten bevatten die de instrumenten naar vloeibare stikstof temperaturen brengen.

Huidige nachtzichtbrillen en scopes zijn zwaar en bulk. Met de groep's nieuwe pyroelectrische benadering, kunnen NVDs dezelfde gevoeligheid hebben zonder het koelingsgewicht.

De onderzoekers vonden dat de films gevoelig waren buiten het bereik van huidige nachtzichtapparaten en konden reageren op golflengtes over het gehele infrarood spectrum. Dit suggereert dat de films geïntegreerd kunnen worden in kleine, lichte en draagbare apparaten voor diverse toepassingen die verschillende infrarood regio's vereisen. Bijvoorbeeld, geïntegreerd in autonoom voertuig platforms, kunnen de films auto's in staat stellen om "te zien" voetgangers en voertuigen in complete duisternis of in mistige en regenachtige omstandigheden.

De film kan ook gebruikt worden in gassensoren voor real-time en on-site omgevingsmonitoring, helpende bij het detecteren van verontreinigingen. In elektronica kunnen ze warmteveranderingen in semiconductor chips monitoren om vroege tekenen van malfunctionerende elementen te vangen.

Het team zegt dat de nieuwe lift-off methode gegeneraliseerd kan worden naar materialen die zelf geen lood bevatten. In die gevallen vermoeden de onderzoekers dat ze Teflon-achtige loodatomen in het onderliggende substraat kunnen infuseren om een vergelijkbaar afscheur-effect te induceren. Voor nu werkt het team actief aan het incorporeren van de pyroelectrische films in een functioneel nachtzicht systeem.

"We envisageren dat onze ultradunne films gemaakt kunnen worden in high-performance nachtzichtbrillen, rekening houdend met zijn brede-spectrum infrarood gevoeligheid bij kamertemperatuur, wat een lichtgewicht ontwerp zonder koelsysteem toestaat," zei Zhang. "Om dit om te zetten in een nachtzicht systeem, moet een functioneel device array geïntegreerd worden met readout circuitry. Verder is testen in gevarieerde omgevingscondities essentieel voor praktische toepassingen."

Voor meer informatie, contacteer Abby Abazorius op dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. Je hebt JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien.