Ultradunne elektronische film belooft een lichtere nachtkijker en geavanceerde mistsensortechnologie

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

De nieuw ontwikkelde film zou lichtere, meer draagbare en zeer nauwkeurige ver-infrarood (IR) detectieapparatuur mogelijk kunnen maken, met potentiële toepassingen voor nachtkijkers 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 pellen. De methode zou de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe klassen elektronische apparaten, zoals ultradunne draagbare sensoren, flexibele transistors en computerelementen, en zeer gevoelige en compacte beeldapparatuur.

Als demonstratie vervaardigde het team een dun membraan van pyro-elektrisch materiaal – een klasse warmtegevoelig materiaal dat een elektrische stroom produceert als reactie op temperatuurveranderingen. Hoe dunner het pyro-elektrisch materiaal, hoe beter het subtiele thermische variaties waarneemt.

Met hun nieuwe methode vervaardigde het team het dunste pyro-elektrische membraan tot nu toe, met een dikte van 10 nanometer, en toonde aan dat de film zeer gevoelig is voor hitte en straling in het ver-infraroodspectrum.

De nieuw ontwikkelde film zou lichtere, meer draagbare en zeer nauwkeurige ver-infrarood (IR) detectieapparatuur mogelijk kunnen maken, met potentiële toepassingen voor nachtkijkers en autonoom rijden in mistige omstandigheden. De huidige state-of-the-art verre-IR-sensoren vereisen omvangrijke koelelementen. De nieuwe pyro-elektrische dunne film vereist daarentegen geen koeling en is gevoelig voor veel kleinere temperatuurveranderingen. De onderzoekers onderzoeken manieren om de film te verwerken in lichtere, nauwkeurigere nachtkijkers.

“Deze film vermindert het gewicht en de kosten aanzienlijk, waardoor hij lichtgewicht, draagbaar en gemakkelijker te integreren is”, zegt Xinyuan Zhang, een afgestudeerde student aan het Department of Materials Science and Engineering (DMSE) van MIT. “Het zou bijvoorbeeld direct op een bril gedragen kunnen worden.”

De warmtegevoelige film zou ook toepassingen kunnen hebben in omgevings- en biologische detectie, evenals in de beeldvorming van astrofysische verschijnselen die ver-infrarode straling uitzenden.

Bovendien is de nieuwe lift-off-techniek generaliseerbaar buiten pyro-elektrische materialen. De onderzoekers zijn van plan de methode toe te passen om andere ultradunne, hoogwaardige halfgeleidende films te maken.

Hun resultaten worden gerapporteerd in een artikel dat verschijnt in het tijdschrift Nature . De co-auteurs van het MIT 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, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde en -techniek, samen met onderzoekers aan de Universiteit Wisconsin in Madison onder leiding van professor Chang-Beom Eom en auteurs van meerdere andere instellingen.

Kim's groep bij MIT vindt nieuwe manieren om kleinere, dunnere en flexibelere elektronica te maken. Ze voorzien dat dergelijke ultradunne ‘computerhuiden’ in alles kunnen worden verwerkt, van slimme contactlenzen en draagbare sensorstoffen tot rekbare zonnecellen en buigbare beeldschermen. Om dergelijke apparaten te realiseren, hebben Kim en zijn collega's geëxperimenteerd met methoden om halfgeleidende elementen te laten groeien, afpellen en stapelen, om ultradunne, multifunctionele elektronische dunnefilmmembranen te vervaardigen.

Eén methode die Kim heeft ontwikkeld is ‘remote epitaxie’ – een techniek waarbij halfgeleidende materialen worden gekweekt op een enkel kristallijn substraat, met daartussen een ultradunne laag grafeen. De kristalstructuur van het substraat dient als een platform waarlangs het nieuwe materiaal kan groeien. Het grafeen fungeert als een anti-aanbaklaag, vergelijkbaar met Teflon, waardoor het voor onderzoekers gemakkelijk wordt om de nieuwe film los te maken en over te brengen op flexibele en gestapelde elektronische apparaten. Nadat de nieuwe film is afgepeld, kan het onderliggende substraat opnieuw worden gebruikt om extra dunne films te maken.

Kim heeft epitaxie op afstand toegepast om dunne films met verschillende kenmerken te vervaardigen. Bij het uitproberen van verschillende combinaties van halfgeleidende elementen merkten de onderzoekers toevallig dat een bepaald pyro-elektrisch materiaal, PMN-PT genaamd, geen tussenlaag nodig had om zich van het substraat te scheiden. Door PMN-PT rechtstreeks op een enkelkristallijn substraat te laten groeien, konden de onderzoekers vervolgens de gegroeide film verwijderen, zonder scheuren of scheuren in het delicate rooster. “Het werkte verrassend goed”, zei Zhang. “We ontdekten dat de afgepelde film atomair glad is.”

In hun nieuwe onderzoek hebben de onderzoekers van MIT en UW Madison het proces onder de loep genomen en ontdekten dat de sleutel tot de gemakkelijk afpelbare eigenschap van het materiaal lood was. Als onderdeel van de chemische structuur ontdekte het team, samen met collega's van het Rensselaer Polytechnic Institute, dat de pyro-elektrische film een ​​ordelijke rangschikking van loodatomen bevat die een grote 'elektronenaffiniteit' hebben, wat betekent dat lood elektronen aantrekt en verhindert dat de ladingsdragers zich verplaatsen en zich verbinden met een ander materiaal, zoals een onderliggend substraat. Het lood fungeert als kleine antiaanbaklaagjes, waardoor het materiaal als geheel perfect intact kan loslaten.

Het team vervaardigde meerdere ultradunne films van PMN-PT, elk ongeveer 10 nanometer dun. Ze pelden pyro-elektrische films af en brachten deze over op een kleine chip om een ​​reeks van 100 ultradunne warmtegevoelige pixels te vormen, elk ongeveer 60 vierkante micron (ongeveer 0,006 vierkante centimeter). Ze stelden de films bloot aan steeds kleinere temperatuurschommelingen en ontdekten dat de pixels zeer gevoelig waren voor kleine veranderingen in het ver-infrarode spectrum.

Deze apparaten zijn momenteel gebaseerd op fotodetectormaterialen, waarbij een verandering in temperatuur ervoor zorgt dat de elektronen van het materiaal in energie springen en kortstondig een energie-‘bandkloof’ overbruggen voordat ze weer in hun grondtoestand terechtkomen. Deze elektronensprong dient als elektrisch signaal van de temperatuurverandering. Dit signaal kan echter worden beïnvloed door ruis in de omgeving. Om dergelijke effecten te voorkomen, moeten fotodetectoren ook koelapparatuur bevatten die de instrumenten op de temperatuur van vloeibare stikstof brengt.

De huidige nachtkijkers en telescopen zijn zwaar en omvangrijk. Met de nieuwe, op pyro-elektrische technologie gebaseerde aanpak van de groep zouden NVD's dezelfde gevoeligheid kunnen hebben zonder het koelgewicht.

De onderzoekers ontdekten dat de films gevoelig waren buiten het bereik van de huidige nachtkijkers en konden reageren op golflengten over het gehele infraroodspectrum. Dit suggereert dat de films kunnen worden opgenomen in kleine, lichtgewicht en draagbare apparaten voor verschillende toepassingen waarvoor verschillende infraroodgebieden nodig zijn. Als de films bijvoorbeeld worden geïntegreerd in autonome voertuigplatforms, kunnen auto's voetgangers en voertuigen 'zien' in volledige duisternis of in mistige en regenachtige omstandigheden.

De film zou ook kunnen worden gebruikt in gassensoren voor real-time en on-site milieumonitoring, waardoor verontreinigende stoffen kunnen worden opgespoord. Op het gebied van de elektronica zouden ze warmteveranderingen in halfgeleiderchips kunnen monitoren om vroege tekenen van defecte elementen op te vangen.

Het team zegt dat de nieuwe lift-off-methode kan worden gegeneraliseerd naar materialen die zelf mogelijk geen lood bevatten. In die gevallen vermoeden de onderzoekers dat ze Teflon-achtige loodatomen in het onderliggende substraat kunnen inbrengen om een ​​soortgelijk afpeleffect teweeg te brengen. Voorlopig werkt het team actief aan de integratie van de pyro-elektrische films in een functioneel nachtzichtsysteem.

“We stellen ons voor dat van onze ultradunne films hoogwaardige nachtkijkers kunnen worden gemaakt, gezien de breedspectrum infraroodgevoeligheid bij kamertemperatuur, wat een lichtgewicht ontwerp zonder koelsysteem mogelijk maakt”, aldus Zhang. "Om hier een nachtzichtsysteem van te maken, moet een functionele apparaatarray worden geïntegreerd met uitleescircuits. Bovendien is testen in uiteenlopende omgevingsomstandigheden essentieel voor praktische toepassingen."

Neem voor meer informatie contact op met Abby Abazorius op Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..