Nová elektronická „kůže“ pro lehké brýle s nočním viděním

Inženýři z MIT vyvinuli techniku pro pěstování a odlupování ultratenkých „kůží“ z elektronického materiálu. Tato metoda by mohla otevřít cestu k novým typům elektronických zařízení, jako jsou ultratenké nositelné senzory, flexibilní tranzistory a výpočetní prvky a vysoce citlivá a kompaktní zobrazovací zařízení.

Jako ukázku tým vyrobil tenkou membránu z pyroelektrického materiálu – typu materiálu citlivého na teplo, který produkuje elektrický proud v reakci na změny teploty. Čím tenčí je pyroelektrický materiál, tím lépe dokáže detekovat jemné tepelné změny.

Pomocí své nové metody tým vyrobil dosud nejtenčí pyroelektrickou membránu o tloušťce 10 nanometrů a prokázal, že fólie je vysoce citlivá na teplo a záření v rozsahu dalekého infračerveného spektra.

Nový vyvinutý film by mohl umožnit lehčí, přenosnější a vysoce přesné snímací zařízení pro daleký infračervený (IR) záření, s potenciálním využitím v brýlích pro noční vidění a autonomním řízení v mlhavých podmínkách. Současné špičkové senzory pro daleký infračervený záření vyžadují objemné chladicí elementy. Naproti tomu nová pyroelektrická tenká vrstva nevyžaduje chlazení a je citlivá na mnohem menší změny teploty. Vědci zkoumají způsoby, jak integrovat fólii do lehčích a přesnějších brýlí pro noční vidění.

„Tento film značně snižuje hmotnost a náklady, díky čemuž je lehký, přenosný a snadněji integrovatelný,“ říká Xinyuan Zhang, doktorand na katedře materiálového inženýrství MIT. „Například by se dal přímo nosit na brýlích.“

Film citlivý na teplo by mohl najít uplatnění také v oblasti environmentálního a biologického snímání, stejně jako v zobrazování astrofyzikálních jevů, které vyzařují daleké infračervené záření.

Navíc je nová metoda odlupování zobecnitelná i nad rámec pyroelektrických materiálů. Vědci plánují aplikovat tuto metodu k výrobě dalších ultratenkých, vysoce výkonných polovodičových fólií.

Výsledky jejich práce jsou uvedeny v článku publikovaném v časopise Nature. Spoluautory studie z MIT jsou první autor Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han a Jeehwan Kim, docent mechanického a materiálového inženýrství, spolu s výzkumníky z University Wisconsin at Madison vedenými profesorem Chang-Beom Eom a autory z několika dalších institucí.

Chemické odlupování

Kimova skupina na MIT hledá nové způsoby, jak vyrábět menší, tenčí a flexibilnější elektroniku. Představují si, že takové ultratenké výpočetní „kůže“ mohou být začleněny do všeho, od chytrých kontaktních čoček a nositelných senzorických tkanin až po roztažitelné solární články a ohebné displeje. Pro realizaci takových zařízení Kim a jeho kolegové experimentovali s metodami pěstování, odlupování a skládání polovodičových prvků, aby vytvořili ultratenké, multifunkční elektronické tenkovrstvé membrány.

Jednou z metod, kterou Kim zavedl, je „vzdálená epitaxe“ – technika, při níž se polovodičové materiály pěstují na jednokrystalovém substrátu s ultratenkou vrstvou grafenu mezi nimi. Krystalická struktura substrátu slouží jako lešení, podél kterého může nový materiál růst. Grafen funguje jako nepřilnavá vrstva, podobně jako teflon, což umožňuje výzkumníkům snadno odloupnout nový film a přenést jej na flexibilní a vrstvená elektronická zařízení. Po odloupnutí nového filmu lze podkladový substrát znovu použít k výrobě dalších tenkých filmů.

Kim použil vzdálenou epitaxii k výrobě tenkých filmů s různými vlastnostmi. Při zkoušení různých kombinací polovodičových prvků si výzkumníci všimli, že určitý pyroelektrický materiál, nazvaný PMN-PT, nepotřeboval meziproduktovou vrstvu, aby se oddělil od svého substrátu. Pouhým pěstováním PMN-PT přímo na jednokrystalovém substrátu mohli výzkumníci poté odstranit vypestovaný film bez trhlin nebo roztržení jeho jemné mřížky.

„Fungovalo to překvapivě dobře,“ říká Zhang. „Zjistili jsme, že odloupaný film je atomově hladký.“

Odlupování mřížky

Ve své nové studii se výzkumníci z MIT a UW Madison podrobněji podívali na tento proces a zjistili, že klíčem k snadno odlupovatelné vlastnosti materiálu je olovo. Jako součást své chemické struktury tým spolu s kolegy z Rensselaer Polytechnic Institute zjistil, že pyroelektrický film obsahuje uspořádané uspořádání atomů olova, které mají velkou „elektronovou afinitu“, což znamená, že olovo přitahuje elektrony a brání nosičům náboje v cestování a spojování s jinými materiály, jako je podkladový substrát. Olovo působí jako malé nepřilnavé jednotky, které umožňují, aby se materiál jako celek odloupl, dokonale neporušený.

Tým využil toto zjištění a vyrobil několik ultratenkých filmů PMN-PT, každý o tloušťce asi 10 nanometrů. Odloupli pyroelektrické filmy a přenesli je na malý čip, čímž vytvořili pole 100 ultratenkých pixelů citlivých na teplo, každý o rozměrech asi 60 čtverečních mikrometrů (asi 0,006 čtverečních centimetrů). Vystavovali filmy stále menším změnám teploty a zjistili, že pixely byly vysoce citlivé na malé změny v celém dalekém infračerveném spektru.

Citlivost pyroelektrického pole je srovnatelná s citlivostí špičkových zařízení pro noční vidění. Tato zařízení jsou v současné době založena na fotodetektorových materiálech, ve kterých změna teploty způsobí, že elektrony materiálu přeskočí v energii a na krátkou dobu překročí energetickou „pásmovou mezeru“, než se usadí zpět do svého základního stavu. Tento skok elektronů slouží jako elektrický signál změny teploty. Tento signál však může být ovlivněn šumem v prostředí a aby se takovým účinkům zabránilo, musí fotodetektory také obsahovat chladicí zařízení, která sníží přístroje na teplotu kapalného dusíku.

Současné brýle a dalekohledy pro noční vidění jsou těžké a objemné. S novým přístupem skupiny založeným na pyroelektrice by NVD mohly mít stejnou citlivost bez chladicí hmotnosti.

Vědci také zjistili, že filmy byly citlivé i mimo rozsah současných přístrojů pro noční vidění a mohly reagovat na vlnové délky v celém infračerveném spektru. To naznačuje, že filmy by mohly být zabudovány do malých, lehkých a přenosných zařízení pro různé aplikace, které vyžadují různé infračervené oblasti. Například po integraci do platforem autonomních vozidel by filmy mohly umožnit vozidlům „vidět“ chodce a vozidla v úplné tmě nebo za mlhy a deště.

Film by se mohl použít také v plynových senzorech pro monitorování životního prostředí v reálném čase a na místě, což pomáhá detekovat znečišťující látky. V elektronice by mohly monitorovat tepelné změny v polovodičových čipech, aby zachytily první známky poruch prvků.

Tým říká, že nová metoda odlupování lze zobecnit na materiály, které nemusí samy obsahovat olovo. V těchto případech se výzkumníci domnívají, že mohou do podkladového substrátu vnést atomy olova podobné teflonu, aby vyvolali podobný efekt odlupování. V současné době se tým aktivně snaží začlenit pyroelektrické filmy do funkčního systému nočního vidění.

„Představujeme si, že naše ultratenké filmy by mohly být vyrobeny do vysoce výkonných brýlí pro noční vidění, vzhledem k jejich širokospektrální infračervené citlivosti při pokojové teplotě, která umožňuje lehký design bez chladicího systému,“ říká Zhang. „Aby se to stalo systémem nočního vidění, mělo by být funkční pole zařízení integrováno s obvody pro odečítání. Navíc testování v různých podmínkách prostředí je nezbytné pro praktické aplikace.“

Tato práce byla podpořena Úřadem pro vědecký výzkum amerického letectva.