Ein von Spinnen inspiriertes Design ebnet den Weg für bessere Fotodetektoren

Innovatoren der Purdue University orientieren sich an der Spinne, um bessere 3D-Photodetektoren für die biomedizinische Bildgebung zu entwickeln.

Inspiriert von den sich wiederholenden Architekturmustern eines Spinnennetzes demonstrierte das Team ein widerstandsfähiges, kuppelförmiges Photodetektorarray, das gleichzeitig sowohl die Richtung als auch die Intensität des einfallenden Lichts erkennt, wie das Facettenauge-Sichtsystem von Arthropoden wie Insekten und Krebstieren .

"Wir haben das einzigartige fraktale Design eines Spinnennetzes für die Entwicklung einer verformbaren und zuverlässigen Elektronik verwendet, die sich nahtlos mit jeder 3D-krummlinigen Oberfläche verbinden kann", sagte Chi Hwan Lee, ein Assistenzprofessor für Biomedizintechnik und Maschinenbau in Purdue.

Solche optoelektronischen 3D-Architekturen sind besonders wertvoll für Photodetektionssysteme, die größere Sichtfelder, breitere Sichtwinkel und eine höhere Bewegungsempfindlichkeit erfordern.

Die Arbeit ist im Online-Journal Advanced Materials erschienen .

Warum ein Spinnennetz?

Spinnweben sind bekannt dafür, dass sie eine hervorragende mechanische Anpassungsfähigkeit und Schadenstoleranz gegenüber verschiedenen mechanischen Belastungen bieten, selbst bei einem Sturm.

Die einzigartige strukturelle Eigenschaft des fraktalen Webdesigns von Lee und seinem Team schützt das Gerät, indem es verschiedene externe Belastungen effektiv toleriert.

Inspiriert von der natürlichen Architektur verteilt die optische Anordnung von Lee und seinem Team extern induzierte Spannungen gemäß dem effektiven Verhältnis von spiralförmigen und radialen Abmessungen über die Fäden.

Das halbkugelförmige Photodetektorarray enthält ein mit einem organischen Farbstoff sensibilisiertes Material:ein Graphen‐Hybridkomposit. Das Gerät wird zunächst im Mikromaßstab auf einem planaren Siliziumwafer hergestellt und dann deterministisch auf transparente halbkugelförmige Kuppeln mit unterschiedlichen Krümmungen übertragen.

Das "Gewebe" bietet eine größere Dehnbarkeit, um die Kraft beim Strecken besser abzuleiten. Darüber hinaus toleriert das Design geringfügige Schnitte der Threads, während die allgemeine Stärke und Funktion der gesamten Webarchitektur erhalten bleibt.

In einem kurzen, bearbeiteten Q&A mit Tech Briefs unten erklärt Prof. Lee, wie die Spinnenstruktur zu einer neuen Art von verformbarer Elektronik führen kann.

Technische Informationen :Warum ist es für eine optoelektronische Architektur wertvoll, ein netzartiges Design zu haben?

Prof. Chi Hwan Lee: Optoelektronische Materialien und Geräte, die auf krummlinigen Oberflächen eingesetzt werden, bieten qualitativ erweiterte Funktionalitätsebenen, die ein großes Sichtfeld ohne Aberration ermöglichen, das dem Facettenauge-Sehsystem von Arthropoden ähnelt. Diese optoelektronischen 3D-Architekturen sind besonders attraktiv für Photodetektionssysteme, die ein großes Sichtfeld und Weitwinkel-Antireflexion erfordern. Um ein Facettenauge nachahmendes System zu entwickeln, umfassen die vielversprechendsten Verfahren das direkte Drucken von lichtempfindlichen Pixeln auf gekrümmte oder halbkugelförmige Oberflächen in einer sorgfältig ausgerichteten Weise.

Technische Informationen :Was ist die aufregendste Anwendung oder Möglichkeit bei dieser Art von Design?

Prof. Lee: Diese Bemühungen ebnen den Weg für die Realisierung verschiedener 3D-Formen von Photodetektoren, aber der Fortschritt in diesem Bereich wird durch die Komplexität der Montage optoelektronischer Geräte und Komponenten auf nicht-planaren Oberflächen im Mikromaßstab und der Anpassung der Form des Photodetektor-Arrays an die feste halbkugelförmige Krümmung behindert.

Um die Herausforderung anzugehen, haben wir die strukturelle Architektur oder das fraktale Design eines in der Natur vorkommenden Spinnennetzes verwendet, das in der Lage ist, verschiedenen mechanischen Belastungen aus der Umgebung effizient zu widerstehen. Das fraktale Netzdesign, das ein sich wiederholendes Muster auf allen Skalen aufweist, bietet einzigartige Möglichkeiten, um (1) extern induzierte Spannungen gemäß dem effektiven Verhältnis von spiralförmigen und radialen Abmessungen über die Fäden zu verteilen; (2) bieten eine größere Dehnbarkeit, um die Kraft beim Dehnen besser abzuleiten; und (3) kleinere Kürzungen der Threads tolerieren, während die allgemeine Stärke und Funktion der gesamten Webarchitektur beibehalten wird.

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Technische Informationen :Wie gut funktioniert Ihr Array?

Prof. Lee: Unser 3D-Fotodetektor bietet nicht nur die fortschrittliche optoelektronische Funktionalität bei der Erkennung von Richtung und Intensität des einfallenden Lichts, sondern auch eine im Vergleich zu anderen ähnlichen Gegenstücken überlegene Lichtempfindlichkeit durch die Verwendung eines neuartigen organischen Farbstoff-sensibilisierten Graphen-Hybrid-Verbundwerkstoffs als flexible und effektive photoaktive Komponente .

Die resultierenden optoelektronischen 3D-Architekturen sind besonders attraktiv für Photodetektionssysteme, die ein großes Sichtfeld und Weitwinkel-Antireflexion erfordern, was für viele biomedizinische und militärische Bildgebungszwecke nützlich sein wird.

Technische Informationen :Wie geht es mit Ihrer Forschung weiter?

Prof. Lee: Unsere Arbeit etabliert eine Plattformtechnologie, die ein fraktales Netzdesign mit halbkugelförmiger Elektronik und Sensoren auf Systemebene integrieren kann und dadurch mehrere hervorragende mechanische Anpassungsfähigkeit und Schadenstoleranz gegenüber verschiedenen mechanischen Belastungen bietet (wie es Spinnennetze tun). Die in dieser Arbeit vorgestellte Montagetechnik ermöglicht den Einsatz von verformbarer 2D-Elektronik in 3D-Architekturen, was neue Möglichkeiten vorwegnehmen könnte, um das Gebiet der elektronischen und optoelektronischen 3D-Geräte besser voranzubringen. Das US-Patent wird über OTC eingereicht, und wir suchen nach Partnern und versuchen auch, die Technologie zu lizenzieren.

Diese Arbeit wird von der National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) und dem Air Force Research Laboratory (AFRL; S-114-054-002) in Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Muhammad Ashraf Alam in ECE in Purdue unterstützt . Die Arbeit ist in Advanced Materials veröffentlicht .

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