Ultradünner elektronischer Film verspricht leichtere Nachtsichtbrillen und fortschrittliche Nebelerkennungstechnologie

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Der neu entwickelte Film könnte leichtere, tragbarere und hochpräzise Ferninfrarot-Sensorgeräte (IR) ermöglichen, mit potenziellen Anwendungen für Nachtsichtbrillen und autonomes Fahren bei Nebel. (Bild:Adam Glanzman)

MIT-Ingenieure haben eine Technik entwickelt, um ultradünne „Häute“ aus elektronischem Material wachsen und abziehen zu lassen. Die Methode könnte den Weg für neue Klassen elektronischer Geräte ebnen, etwa ultradünne tragbare Sensoren, flexible Transistoren und Rechenelemente sowie hochempfindliche und kompakte Bildgebungsgeräte.

Zur Demonstration stellte das Team eine dünne Membran aus pyroelektrischem Material her – einer Klasse von wärmeempfindlichen Materialien, die als Reaktion auf Temperaturänderungen einen elektrischen Strom erzeugen. Je dünner das pyroelektrische Material ist, desto besser kann es subtile thermische Schwankungen erfassen.

Mit ihrer neuen Methode stellte das Team die bislang dünnste pyroelektrische Membran mit einer Dicke von 10 Nanometern her und zeigte, dass die Folie im gesamten Ferninfrarotspektrum äußerst empfindlich gegenüber Wärme und Strahlung ist.

Der neu entwickelte Film könnte leichtere, tragbarere und hochpräzise Ferninfrarot-Sensorgeräte (IR) ermöglichen, mit potenziellen Anwendungen für Nachtsichtbrillen und autonomes Fahren bei Nebel. Aktuelle hochmoderne Fern-IR-Sensoren erfordern sperrige Kühlelemente. Im Gegensatz dazu erfordert der neue pyroelektrische Dünnfilm keine Kühlung und reagiert empfindlich auf viel kleinere Temperaturänderungen. Die Forscher erforschen Möglichkeiten, den Film in leichtere, präzisere Nachtsichtbrillen zu integrieren.

„Diese Folie reduziert Gewicht und Kosten erheblich, macht sie leicht, tragbar und einfacher zu integrieren“, sagt Xinyuan Zhang, ein Doktorand am Department of Materials Science and Engineering (DMSE) des MIT. „Zum Beispiel könnte es direkt auf einer Brille getragen werden.“

Der wärmeempfindliche Film könnte auch in der Umwelt- und biologischen Sensorik sowie bei der Abbildung astrophysikalischer Phänomene, die Ferninfrarotstrahlung aussenden, Anwendung finden.

Darüber hinaus ist die neue Lift-off-Technik über pyroelektrische Materialien hinaus verallgemeinerbar. Die Forscher planen, die Methode zur Herstellung weiterer ultradünner Hochleistungs-Halbleiterfilme anzuwenden.

Ihre Ergebnisse werden in einem Artikel veröffentlicht, der in der Zeitschrift Nature erscheint . Die MIT-Co-Autoren der Studie sind der Erstautor Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han und Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau sowie Materialwissenschaft und -technik, zusammen mit Forschern der University Wisconsin in Madison unter der Leitung von Professor Chang-Beom Eom und Autoren mehrerer anderer Institutionen.

Kims Gruppe am MIT findet neue Wege, um kleinere, dünnere und flexiblere Elektronik herzustellen. Sie stellen sich vor, dass solche ultradünnen Computer-„Häute“ in alles integriert werden können, von intelligenten Kontaktlinsen und tragbaren Sensorstoffen bis hin zu dehnbaren Solarzellen und biegsamen Displays. Um solche Geräte zu realisieren, experimentierten Kim und seine Kollegen mit Methoden zum Wachsen, Schälen und Stapeln von Halbleiterelementen, um ultradünne, multifunktionale elektronische Dünnschichtmembranen herzustellen.

Eine von Kim entwickelte Methode ist die „Remote-Epitaxie“ – eine Technik, bei der halbleitende Materialien auf einem einkristallinen Substrat mit einer ultradünnen Graphenschicht dazwischen gezüchtet werden. Die Kristallstruktur des Substrats dient als Gerüst, entlang dem das neue Material wachsen kann. Das Graphen fungiert als Antihaftschicht, ähnlich wie Teflon, und erleichtert es Forschern, den neuen Film abzuziehen und auf flexible und gestapelte elektronische Geräte zu übertragen. Nach dem Abziehen der neuen Folie kann das darunter liegende Substrat zur Herstellung weiterer dünner Folien wiederverwendet werden.

Kim hat Fernepitaxie angewendet, um dünne Filme mit verschiedenen Eigenschaften herzustellen. Beim Versuch verschiedener Kombinationen halbleitender Elemente stellten die Forscher zufällig fest, dass ein bestimmtes pyroelektrisches Material namens PMN-PT keine Zwischenschichtunterstützung benötigte, um sich von seinem Substrat zu trennen. Indem die Forscher PMN-PT einfach direkt auf einem einkristallinen Substrat wachsen ließen, konnten sie den gewachsenen Film entfernen, ohne dass Risse oder Risse in seinem empfindlichen Gitter auftraten. „Es hat überraschend gut funktioniert“, sagte Zhang. „Wir haben festgestellt, dass der abgezogene Film atomar glatt ist.“

In ihrer neuen Studie haben die Forscher des MIT und der UW Madison den Prozess genauer untersucht und herausgefunden, dass Blei der Schlüssel für die einfache Abzieheigenschaft des Materials ist. Als Teil seiner chemischen Struktur entdeckte das Team zusammen mit Kollegen am Rensselaer Polytechnic Institute, dass der pyroelektrische Film eine geordnete Anordnung von Bleiatomen enthält, die eine große „Elektronenaffinität“ haben, was bedeutet, dass Blei Elektronen anzieht und verhindert, dass die Ladungsträger wandern und sich mit einem anderen Material wie einem darunter liegenden Substrat verbinden. Die Mine wirkt wie winzige Antihaft-Einheiten, so dass sich das Material als Ganzes vollkommen intakt ablösen lässt.

Das Team stellte mehrere ultradünne Filme aus PMN-PT her, jeder etwa 10 Nanometer dünn. Sie zogen pyroelektrische Filme ab und übertrugen sie auf einen kleinen Chip, um eine Anordnung von 100 ultradünnen wärmeempfindlichen Pixeln zu bilden, jedes etwa 60 Quadratmikrometer (etwa 0,006 Quadratzentimeter). Sie setzten die Filme immer geringeren Temperaturschwankungen aus und stellten fest, dass die Pixel sehr empfindlich auf kleine Veränderungen im Ferninfrarotspektrum reagierten.

Diese Geräte basieren derzeit auf Fotodetektormaterialien, bei denen eine Temperaturänderung dazu führt, dass die Elektronen des Materials einen Energiesprung machen und kurzzeitig eine Energie-„Bandlücke“ durchqueren, bevor sie wieder in ihren Grundzustand zurückkehren. Dieser Elektronensprung dient als elektrisches Signal der Temperaturänderung. Dieses Signal kann jedoch durch Umgebungsgeräusche beeinflusst werden. Um solche Effekte zu verhindern, müssen Fotodetektoren daher auch Kühlvorrichtungen enthalten, die die Instrumente auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff absenken.

Aktuelle Nachtsichtbrillen und Zielfernrohre sind schwer und sperrig. Mit dem neuen pyroelektrisch-basierten Ansatz der Gruppe könnten NVDs die gleiche Empfindlichkeit ohne das Kühlgewicht haben.

Die Forscher fanden heraus, dass die Empfindlichkeit der Filme über die Reichweite aktueller Nachtsichtgeräte hinausging und auf Wellenlängen im gesamten Infrarotspektrum reagieren konnte. Dies legt nahe, dass die Filme in kleine, leichte und tragbare Geräte für verschiedene Anwendungen integriert werden könnten, die unterschiedliche Infrarotbereiche erfordern. Wenn die Filme beispielsweise in autonome Fahrzeugplattformen integriert werden, könnten sie es Autos ermöglichen, Fußgänger und Fahrzeuge in völliger Dunkelheit oder bei Nebel und Regen zu „sehen“.

Der Film könnte auch in Gassensoren zur Echtzeit- und Vor-Ort-Umweltüberwachung eingesetzt werden und dabei helfen, Schadstoffe zu erkennen. In der Elektronik könnten sie Wärmeveränderungen in Halbleiterchips überwachen, um frühzeitig Anzeichen von Fehlfunktionen von Elementen zu erkennen.

Das Team sagt, dass die neue Abhebemethode auf Materialien übertragen werden kann, die möglicherweise selbst kein Blei enthalten. In diesen Fällen vermuten die Forscher, dass sie teflonähnliche Bleiatome in das darunter liegende Substrat einbringen können, um einen ähnlichen Abzieheffekt auszulösen. Derzeit arbeitet das Team aktiv daran, die pyroelektrischen Filme in ein funktionierendes Nachtsichtsystem zu integrieren.

„Wir stellen uns vor, dass unsere ultradünnen Filme zu Hochleistungs-Nachtsichtbrillen verarbeitet werden könnten, wenn man bedenkt, dass sie bei Raumtemperatur ein breites Spektrum an Infrarot-Empfindlichkeit aufweisen, was ein leichtes Design ohne Kühlsystem ermöglicht“, sagte Zhang. „Um daraus ein Nachtsichtsystem zu machen, sollte eine funktionale Geräteanordnung mit Ausleseschaltungen integriert werden. Darüber hinaus ist das Testen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen für praktische Anwendungen unerlässlich.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Abby Abazorius unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.