В качестве демонстрации команда изготовила тонкую мембрану из пироэлектрического материала - класса теплочувствительных материалов, которые вырабатывают электрический ток в ответ на изменения температуры. Чем тоньше пироэлектрический материал, тем лучше он воспринимает незначительные тепловые колебания.

Используя свой новый метод, команда изготовила самую тонкую на сегодняшний день пироэлектрическую мембрану толщиной 10 нанометров и продемонстрировала, что пленка очень чувствительна к теплу и излучению в дальнем инфракрасном спектре.

Недавно разработанная пленка может позволить использовать более легкие, портативные и высокоточные датчики дальнего инфракрасного диапазона (ИК) с потенциальным применением в очках ночного видения и автономном вождении в условиях тумана. Современные датчики дальнего ИК-диапазона требуют громоздких охлаждающих элементов. Напротив, новая пироэлектрическая тонкая пленка не требует охлаждения и чувствительна к гораздо меньшим изменениям температуры. Исследователи изучают способы использования пленки в более легких и высокоточных очках ночного видения.

"Эта пленка значительно снижает вес и стоимость, делая ее легкой, портативной и упрощающей интеграцию", - говорит Синьюань Чжан, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE). "Например, его можно было бы носить непосредственно на очках".

Теплочувствительная пленка также может найти применение в экологическом и биологическом зондировании, а также в визуализации астрофизических явлений, которые испускают излучение в дальнем инфракрасном диапазоне.

Более того, новая технология отрыва может быть распространена не только на пироэлектрические материалы. Исследователи планируют применить этот метод для изготовления других ультратонких, высокоэффективных полупроводниковых пленок.

Их результаты представлены сегодня в статье, опубликованной в журнале Nature. Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Синьюань Чжан, Санхо Ли, Мин-Кю Сон, Хайхуэй Лан, Чжун Мин Су, Чжун Эль Рю, Яньцзе Шао, Сюдун Чжэн, Не Ме Хан и Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии, а также с исследователями из Висконсинского университета в Мэдисоне во главе с профессором Чанг-Бом Эомом и авторами из множества других учреждений.

Химический пилинг

Группа Кима в Массачусетском технологическом институте ищет новые способы создания электроники меньшего размера, тоньше и гибче. Они предполагают, что такие ультратонкие вычислительные "оболочки" могут быть встроены во все - от умных контактных линз и носимых сенсорных тканей до эластичных солнечных элементов и сгибаемых дисплеев. Чтобы реализовать такие устройства, Ким и его коллеги экспериментировали с методами выращивания, отслаивания и укладки полупроводниковых элементов, чтобы изготовить ультратонкие, многофункциональные электронные тонкопленочные мембраны.

Одним из методов, разработанных Кимом, является "дистанционная эпитаксия" - метод, при котором полупроводниковые материалы выращиваются на монокристаллической подложке с ультратонким слоем графена между ними. Кристаллическая структура подложки служит каркасом, вдоль которого может расти новый материал. Графен действует как антипригарный слой, аналогичный тефлону, что позволяет исследователям легко снимать новую пленку и переносить ее на гибкие электронные устройства, расположенные друг над другом. После снятия новой пленки нижележащую подложку можно повторно использовать для изготовления дополнительных тонких пленок.

Ким применил дистанционную эпитаксию для получения тонких пленок с различными характеристиками. Пробуя различные комбинации полупроводниковых элементов, исследователи случайно заметили, что определенный пироэлектрический материал, называемый PMN-PT, не требует вспомогательного промежуточного слоя для отделения от своей подложки. Просто вырастив PMN-PT непосредственно на монокристаллической подложке, исследователи смогли затем удалить выращенную пленку без каких-либо разрывов ее тонкой решетки.

"Это сработало на удивление хорошо", - говорит Чжан. "Мы обнаружили, что отслоившаяся пленка является атомарно гладкой".

Подъем решетки

В своем новом исследовании исследователи из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Мэдисоне более внимательно изучили процесс и обнаружили, что ключом к легкому отслаиванию материала является свинец. В рамках своей химической структуры команда вместе с коллегами из Политехнического института Ренсселера обнаружила, что пироэлектрическая пленка содержит упорядоченное расположение атомов свинца, которые обладают большим "сродством к электронам", что означает, что свинец притягивает электроны и препятствует перемещению носителей заряда и соединению с другими материалами, такими как нижележащий субстрат. Свинец действует как крошечные антипригарные элементы, позволяя материалу в целом отслаиваться совершенно неповрежденным.

Команда приступила к реализации и изготовила несколько ультратонких пленок из PMN-PT, каждая толщиной около 10 нанометров. Они сняли пироэлектрические пленки и перенесли их на небольшой чип, чтобы сформировать массив из 100 ультратонких теплочувствительных пикселей, каждый площадью около 60 квадратных микрон (около 0,006 квадратных сантиметров). Они подвергали пленки все более незначительным изменениям температуры и обнаружили, что пиксели очень чувствительны к небольшим изменениям в дальнем инфракрасном спектре.

Чувствительность пироэлектрической матрицы сравнима с чувствительностью самых современных приборов ночного видения. В настоящее время эти устройства основаны на фотодетекторных материалах, в которых изменение температуры приводит к скачку энергии электронов материала и кратковременному пересечению энергетической "запрещенной зоны", прежде чем вернуться в свое основное состояние. Этот скачок электронов служит электрическим сигналом об изменении температуры. Однако на этот сигнал могут влиять помехи в окружающей среде, и для предотвращения подобных эффектов фотоприемники должны также включать охлаждающие устройства, которые снижают температуру приборов до температуры жидкого азота.

Современные очки ночного видения и оптические прицелы тяжелые и громоздкие. Благодаря новому подходу группы, основанному на пироэлектрике, NVDS могли бы обладать такой же чувствительностью без увеличения веса охлаждения.

Исследователи также обнаружили, что пленки были чувствительны за пределами диапазона современных приборов ночного видения и могли реагировать на длины волн во всем инфракрасном спектре. Это говорит о том, что пленки могут быть встроены в небольшие, легкие и портативные устройства для различных применений, требующих различных инфракрасных областей. Например, при интеграции в платформы автономных транспортных средств пленки могли бы позволить автомобилям "видеть" пешеходов и транспортные средства в полной темноте или в условиях тумана и дождя.

Пленка также может быть использована в газовых датчиках для мониторинга окружающей среды в режиме реального времени и на месте, помогая обнаруживать загрязняющие вещества. В электронике они могли бы отслеживать изменения температуры в полупроводниковых чипах, чтобы улавливать ранние признаки неисправности элементов.

Команда говорит, что новый метод отрыва может быть распространен на материалы, которые сами по себе могут не содержать свинца. В этих случаях исследователи подозревают, что они могут внедрить тефлоноподобные атомы свинца в нижележащую подложку, чтобы вызвать аналогичный эффект отслаивания. На данный момент команда активно работает над внедрением пироэлектрических пленок в функциональную систему ночного видения.

"Мы предполагаем, что из наших ультратонких пленок можно было бы изготовить высокоэффективные очки ночного видения, учитывая их чувствительность к инфракрасному излучению широкого спектра при комнатной температуре, что позволяет создать легкую конструкцию без системы охлаждения", - говорит Чжан. "Чтобы превратить это в систему ночного видения, функциональный блок устройств должен быть интегрирован со схемой считывания. Кроме того, тестирование в различных условиях окружающей среды имеет важное значение для практического применения".

Эта работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС США.