Схема, показывающая настройку для характеристики пироэлектрического устройства, изготовленного на основе отдельно стоящих мембран. Кредит: Природа (2025). Два: 10.1038/S41586-025-08874-7.
Инженеры MIT разработали технику для выращивания и очистки ультратонких «шкур» электронного материала. Метод может проложить путь для новых классов электронных устройств, таких как ультратонкие носимые датчики, гибкие транзисторы и вычислительные элементы, а также высокочувствительные и компактные устройства изображения.
В качестве демонстрации команда изготовила тонкую мембрану пироэлектрического материала-класса теплосидирующих материала, который производит электрический ток в ответ на изменения температуры. Чем тоньше пироэлектрический материал, тем лучше он находится при тонких тепловых изменениях.
Благодаря своему новому методу команда изготовила самую тонкую пироэлектрическую мембрану, имеющую толщину 10 нанометров и продемонстрировала, что пленка очень чувствительна к теплу и излучению через дальний инфракрасный спектр.
Недавно разработанная пленка может обеспечить более легкие, более портативные и очень точные устройства для определения дальнего инфракрасного (IR), с потенциальными применениями для очков ночного видения и автономного вождения в туманных условиях.
Текущие современные датчики FAR IR требуют громоздких охлаждающих элементов. Напротив, новая пироэлектрическая тонкая пленка не требует охлаждения и чувствительна к гораздо меньшим изменениям температуры. Исследователи изучают способы включения фильма в более легкие, более высокие очки ночного видения.
«Этот фильм значительно снижает вес и стоимость, делая его легким, портативным и легким в интеграции», — сказал Синьуан Чжан, аспирант Министерства материаловедения и инженерии MIT (DMSE). «Например, это может быть непосредственно носить на очках».
Пленка, чувствительная к теплу, также может иметь применение в экологическом и биологическом зондировании, а также визуализации астрофизических явлений, которые излучают в дальнем инфракрасном радиации.
Более того, новая техника подъема обобщается за пределами пироэлектрических материалов. Исследователи планируют применить метод для создания других ультратонких, высокопроизводительных полупроводниковых фильмов.
Их результаты сообщаются в статье, появляющейся в журнале ПриродаПолем The study’s MIT co-authors are first author Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, and Jeehwan Kim, associate professor of mechanical engineering and of materials science and engineering, along with researchers at the University Wisconsin at Madison led by Professor Chang-Beom EOM и авторы из нескольких других учреждений.
Химическая пилинг
Группа Ким в MIT находит новые способы сделать меньшие, тоньше и более гибкую электронику. Они предполагают, что такие ультратонкие вычислительные «скины» могут быть включены во все, от интеллектуальных контактных линз и носимого восприятия до эластичных солнечных элементов и сгибаемых дисплеев.
Чтобы реализовать такие устройства, Ким и его коллеги экспериментируют с методами выращивания, очистки и складывания полупроводниковых элементов, чтобы изготовить ультратонкие, многофункциональные электронные тонкопленочные мембраны.
Одним из методов, который Ким был пионером, является «отдаленная эпитаксия»-метод, в котором полупроводнические материалы выращиваются на однокристаллическом субстрате, с ультратонким слоем графена между ними. Кристаллическая структура субстрата служит каркасом, по которым может расти новый материал.
Графен действует как нестаринный слой, аналогичный тефлону, что позволяет исследователям легко снимать новую пленку и перенести его на гибкие и сложенные электронные устройства. После съемки нового фильма, базовый подложка может быть использован повторно для создания дополнительных тонких пленок.
Ким применила удаленную эпитаксию для изготовления тонких пленок с различными характеристиками. Попробуя различные комбинации полупроводящих элементов, исследователи заметили, что определенный пироэлектрический материал, называемый PMN-PT, не требует промежуточного уровня помощи, чтобы отделиться от его подложки.
Просто выращивая PMN-PT непосредственно на однокристаллическом субстрате, исследователи могут затем удалить взрослый фильм, без разрывов или слез до его деликатной решетки.
«Это сработало удивительно хорошо», — говорит Чжан. «Мы обнаружили, что очищенная пленка атомно гладкая».
Решетка
В своем новом исследовании исследователи MIT и UW Madison более подробно рассмотрели процесс и обнаружили, что ключ к имуществу материала простой подачи был ведущим.
В рамках своей химической структуры команда, наряду с коллегами из Политехнического института Ренсселера, обнаружила, что пироэлектрическая пленка содержит упорядоченное расположение атомов свинца, которые имеют большую «сродство электронов», что означает, что лидерство привлекает электроны и предотвращает путешествие заряда и соединяется с другими материалами, такими как подходящие подборы. Ведущий действует как крошечные неприжигаемые подразделения, позволяя материалу в целом очищать, совершенно нетронутые.
Команда бежала с реализацией и сфабриковала несколько ультратонких пленок PMN-PT, каждая из которых около 10 нанометров тонко. Они отключили пироэлектрические пленки и перенесли их на небольшой чип, чтобы сформировать массив 100 ультратонких пикселей, каждая из которых около 60 квадратных микрон (около 0,006 квадратных сантиметров). Они обнаружили пленки для постоянных изменений в температуре и обнаружили, что пиксели были очень чувствительны к небольшим изменениям в спектре от дальних инфракрасных.
Чувствительность пироэлектрического массива сопоставима с современными устройствами ночного видения. Эти устройства в настоящее время основаны на материалах фотоприемника, в которых изменение температуры заставляет электроны материала прыгать в энергию и кратко пересекать «Переплату» энергии », прежде чем отправиться обратно в свое основное состояние.
Этот электронный прыжок служит электрическим сигналом изменения температуры. Тем не менее, этот сигнал может влиять на шум в окружающей среде, и для предотвращения таких эффектов фотосессии также должны включать охлаждающие устройства, которые приводят инструменты до температуры жидкого азота.
Текущие очки и прицелы ночного видения тяжелые и громоздкие. С новым пироэлектрическим подходом группы NVDS может иметь такую же чувствительность без веса охлаждения.
Исследователи также обнаружили, что пленки были чувствительными за пределами диапазона текущих устройств ночного видения и могли реагировать на длины волн по всему инфракрасному спектру.
Это говорит о том, что пленки могут быть включены в небольшие, легкие и портативные устройства для различных приложений, которые требуют различных инфракрасных регионов. Например, при интеграции в автономные платформы транспортных средств фильмы могут позволить автомобилям «видеть» пешеходов и транспортных средств в полной темноте или в туманных и дождливых условиях.
Фильм также может быть использован в газовых датчиках для мониторинга окружающей среды в режиме реального времени и на месте, помогая обнаружить загрязняющие вещества. В электронике они могут отслеживать изменения тепла в полупроводниковых чипах, чтобы поймать ранние признаки неисправных элементов.
Команда заявляет, что новый метод отключения может быть обобщен в материалах, которые сами могут не содержать свинца. В этих случаях исследователи подозревают, что они могут внедрить атомы свинца, похожие на тефлоно, в базовый субстрат, чтобы вызвать аналогичный эффект очистки. На данный момент команда активно работает над тем, чтобы включить пироэлектрические пленки в функциональную систему ночного вида.
«Мы предполагаем, что наши ультратонкие пленки могут быть превращены в высокопроизводительные очки ночного вида, учитывая его инфракрасную чувствительность широкого спектра в комнатной температуре, которая обеспечивает легкую конструкцию без системы охлаждения»,-говорит Чжан.
«Чтобы превратить это в систему ночного вида, функциональный массив устройств должен быть интегрирован с схемой считывания. Кроме того, тестирование в различных условиях окружающей среды имеет важное значение для практических применений».
Больше информации:
Джихван Ким, Атомное подъем эпитаксиальных мембран для отсутствия охлаждения инфракрасного обнаружения, Природа (2025). Два: 10.1038/S41586-025-08874-7. www.nature.com/articles/s41586-025-08874-7
Информация журнала:
Природа, предоставленная Массачусетским технологическим институтом
Эта история переиздана любезно предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
Цитирование: Новая электронная «кожа» может позволить легким ночным визионерским очкам (2025, 23 апреля), извлеченные 23 апреля 2025 года из этого документа, подлежат авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
