Ultradünner elektronischer Film verspricht leichtere Nachtsichtbrillen und fortschrittliche Nebel-Sensing-Technik

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Der neu entwickelte Film könnte leichtere, tragbarere und hochgenaue Ferninfrarot (IR)-Sensing-Geräte ermöglichen, mit potenziellen Anwendungen für Nachtsichtbrillen und autonomes Fahren in nebligen Bedingungen. (Bild: Adam Glanzman)

MIT-Ingenieure haben eine Technik entwickelt, um ultradünne „Häute“ aus elektronischem Material zu wachsen und abzuziehen. Die Methode könnte den Weg für neue Klassen elektronischer Geräte ebnen, wie ultradünne tragbare Sensoren, flexible Transistoren und Computing-Elemente, und hochsensible, kompakte Bildgebungsgeräte.

Als Demonstration fertigte das Team eine dünne Membran aus pyroelectricem Material – einer Klasse von Wärmesensormaterial, das elektrischen Strom als Reaktion auf Temperaturänderungen produziert. Je dünner das pyroelectricem Material, desto besser ist es darin, subtile thermische Variationen zu sensen.

Mit ihrer neuen Methode fertigte das Team die dünnste pyroelectricem Membran bisher, 10 Nanometer dick, und demonstrierte, dass der Film hochsensibel auf Wärme und Strahlung across dem Ferninfrarot-Spektrum reagiert.

Der neu entwickelte Film könnte leichtere, tragbarere und hochgenaue Ferninfrarot (IR)-Sensing-Geräte ermöglichen, mit potenziellen Anwendungen für Nachtsichtbrillen und autonomes Fahren in nebligen Bedingungen. Aktuelle State-of-the-Art Fern-IR-Sensoren erfordern sperrige Kühlungselemente. Im Gegensatz dazu erfordert der neue pyroelectricem Dünnfilm keine Kühlung und ist sensitiv für viel kleinere Temperaturänderungen. Die Forscher erforschen Wege, den Film in leichtere, höherpräzise Nachtsichtbrillen zu integrieren.

„Dieser Film reduziert Gewicht und Kosten erheblich, was ihn leicht, tragbar und einfacher zu integriert macht“, sagte Xinyuan Zhang, Graduiertenstudent in MITs Department of Materials Science and Engineering (DMSE). „Zum Beispiel könnte er direkt auf Brillen getragen werden.“

Der Wärmesensorfilm könnte auch Anwendungen in Umwelt- und biologischem Sensing sowie Bildgebung astrophysikalischer Phänomene haben, die Ferninfrarotstrahlung emittieren.

Was mehr ist, ist die neue Lift-Off-Technik über pyroelectricem Material hinaus verallgemeinerbar. Die Forscher planen, die Methode anzuwenden, um andere ultradünne, hochperformante Halbleiterfilme herzustellen.

Ihre Ergebnisse sind in einem Paper veröffentlicht, das im Journal Nature erscheint. Die MIT-Co-Autoren der Studie sind 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, Associate Professor für Mechanical Engineering und Materials Science and Engineering, zusammen mit Forschern der University Wisconsin at Madison unter Leitung von Professor Chang-Beom Eom und Autoren von mehreren anderen Institutionen.

Kims Gruppe am MIT findet neue Wege, kleinere, dünnere und flexiblere Elektronik zu machen. Sie envision, dass solche ultradünnen Computing-„Häute“ in alles von smarten Kontaktlinsen und tragbaren Sensing-Stoffen bis zu dehnbaren Solarzellen und biegbaren Displays integriert werden können. Um solche Geräte zu realisieren, haben Kim und seine Kollegen mit Methoden experimentiert, um Halbleiterelemente zu wachsen, abzuziehen und zu stapeln, um ultradünne, multifunktionale elektronische Dünnfilm-Membranen zu fertigen.

Eine Methode, die Kim pionierte, ist „Remote Epitaxy“ – eine Technik, bei der Halbleitermaterialien auf einem einkristallinen Substrat gewachsen werden, mit einer ultradünnen Graphenschicht dazwischen. Die Kristallstruktur des Substrats dient als Gerüst, entlang dessen das neue Material wachsen kann. Das Graphen fungiert als Antihaft-Schicht, ähnlich wie Teflon, was es Forschern leicht macht, den neuen Film abzuziehen und auf flexible und gestapelte elektronische Geräte zu übertragen. Nach dem Abziehen des neuen Films kann das zugrundeliegende Substrat wiederverwendet werden, um zusätzliche Dünnfilme herzustellen.

Kim hat Remote Epitaxy angewendet, um Dünnfilme mit verschiedenen Charakteristika zu fertigen. Bei der Erprobung verschiedener Kombinationen von Halbleiterelementen stellten die Forscher zufällig fest, dass ein bestimmtes pyroelectricem Material, genannt PMN-PT, keine Zwischenschichtunterstützung benötigte, um sich von seinem Substrat zu trennen. Indem man PMN-PT direkt auf einem einkristallinen Substrat wachsen ließ, konnten die Forscher den gewachsenen Film entfernen, ohne Risse oder Tränen in seinem delikaten Gitter. „Es funktionierte überraschend gut“, sagte Zhang. „Wir fanden, der abgezogene Film ist atomar glatt.“

In ihrer neuen Studie schauten die MIT- und UW-Madison-Forscher genauer auf den Prozess und entdeckten, dass der Schlüssel zur Easy-Peel-Eigenschaft des Materials Blei war. Als Teil seiner chemischen Struktur entdeckte das Team, zusammen mit Kollegen am Rensselaer Polytechnic Institute, dass der pyroelectricem Film eine geordnete Anordnung von Blei-Atomen enthält, die eine große „Elektronenaffinität“ haben, was bedeutet, dass Blei Elektronen anzieht und Ladungsträger davon abhält, zu reisen und sich mit einem anderen Material wie einem zugrundeliegenden Substrat zu verbinden. Das Blei wirkt wie winzige Antihaft-Einheiten, die es dem Material als Ganzes erlauben, perfekt intakt abzuziehen.

Das Team fertigte multiple ultradünne Filme von PMN-PT, jeder ca. 10 Nanometer dünn. Sie zogen pyroelectricem Filme ab und transferierten sie auf einen kleinen Chip, um ein Array von 100 ultradünnen Wärmesensor-Pixeln zu bilden, jedes ca. 60 Quadratmikrometer (ca. 0,006 Quadratzentimeter). Sie exponierten den Filmen immer feineren Temperaturänderungen und fanden, dass die Pixel hochsensibel auf kleine Änderungen across dem Ferninfrarot-Spektrum reagierten.

Diese Geräte basieren derzeit auf Photodetektor-Materialien, in denen eine Temperaturänderung die Elektronen des Materials veranlasst, in Energie zu springen und kurz eine Energie-„Bandlücke“ zu überqueren, bevor sie in ihren Grundzustand zurücksetzen. Dieser Elektronensprung dient als elektrisches Signal der Temperaturänderung. Allerdings kann dieses Signal durch Umgebungsrauschen beeinflusst werden, daher müssen Photodetektoren auch Kühlgeräte enthalten, die die Instrumente auf flüssigen Stickstofftemperaturen bringen.

Aktuelle Nachtsichtgeräte und Zielfernrohre sind schwer und sperrig. Mit der neuen pyroelectricem-basierten Gruppe könnten NVDs die gleiche Sensitivität ohne das Kühlgewicht haben.

Die Forscher fanden, dass die Filme sensitiv über den Bereich aktueller Nachtsichtgeräte hinaus waren und auf Wellenlängen across dem gesamten Infrarot-Spektrum reagieren konnten. Das deutet darauf hin, dass die Filme in kleine, leichte und tragbare Geräte für verschiedene Anwendungen integriert werden könnten, die verschiedene Infrarotbereiche erfordern. Zum Beispiel, wenn in autonome Fahrzeugplattformen integriert, könnten die Filme Autos ermöglichen, Fußgänger und Fahrzeuge in vollständiger Dunkelheit oder in nebligen und regnerischen Bedingungen zu „sehen“.

Der Film könnte auch in Gassensoren für Echtzeit- und Vor-Ort-Umweltmonitoring verwendet werden, um Schadstoffe zu detektieren. In der Elektronik könnten sie Wärmeänderungen in Halbleiterchips überwachen, um frühe Anzeichen fehlerhafter Elemente zu erfassen.

Das Team sagt, die neue Lift-Off-Methode kann auf Materialien verallgemeinert werden, die selbst kein Blei enthalten. In diesen Fällen vermuten die Forscher, dass sie Teflon-ähnliche Blei-Atome in das zugrundeliegende Substrat infundieren können, um einen ähnlichen Peel-Off-Effekt zu induzieren. Für jetzt arbeitet das Team aktiv daran, die pyroelectricem Filme in ein funktionales Nachtsichtsystem zu integrieren.

„Wir envision, dass unsere ultradünnen Filme in hochperformante Nachtsichtbrillen gemacht werden könnten, considering seine breitbandige Infrarot-Sensitivität bei Raumtemperatur, was ein leichtes Design ohne Kühlsystem erlaubt“, sagte Zhang. „Um dies in ein Nachtsichtsystem zu verwandeln, sollte ein funktionales Geräte-Array mit Readout-Schaltung integriert werden. Darüber hinaus ist Testing in variierten Umweltbedingungen essenziell für praktische Anwendungen.“

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