Película Electrónica Ultra-Fina Promete Gafas de Visión Nocturna Más Ligeras y Tecnología Avanzada de Detección de Niebla

Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA

La película recién desarrollada podría permitir dispositivos de detección infrarroja lejana (IR) más ligeros, más portátiles y altamente precisos, con aplicaciones potenciales para gafas de visión nocturna y conducción autónoma en condiciones de niebla. (Imagen: Adam Glanzman)

Ingenieros de MIT han desarrollado una técnica para cultivar y pelar "pieles" ultradelgadas de material electrónico. El método podría allanar el camino para nuevas clases de dispositivos electrónicos, como sensores wearables ultradelgados, transistores flexibles y elementos de computación, y dispositivos de imagen altamente sensibles y compactos.

Como demostración, el equipo fabricó una membrana delgada de material piroeléctrico —una clase de material sensor de calor que produce una corriente eléctrica en respuesta a cambios de temperatura. Cuanto más delgado el material piroeléctrico, mejor es para detectar variaciones térmicas sutiles.

Con su nuevo método, el equipo fabricó la membrana piroeléctrica más delgada hasta la fecha, midiendo 10 nanómetros de espesor, y demostró que la película es altamente sensible al calor y radiación a lo largo del espectro infrarrojo lejano.

La película recién desarrollada podría permitir dispositivos de detección infrarroja lejana (IR) más ligeros, más portátiles y altamente precisos, con aplicaciones potenciales para gafas de visión nocturna y conducción autónoma en condiciones de niebla. Los sensores de IR lejano de vanguardia actuales requieren elementos de enfriamiento voluminosos. En contraste, la nueva película delgada piroeléctrica no requiere enfriamiento y es sensible a cambios de temperatura mucho más pequeños. Los investigadores están explorando formas de incorporar la película en gafas de visión nocturna más ligeras y de mayor precisión.

"Esta película reduce considerablemente peso y costo, haciéndola ligera, portátil y más fácil de integrar", dijo Xinyuan Zhang, estudiante graduado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) de MIT. "Por ejemplo, podría usarse directamente en gafas".

La película sensor de calor también podría tener aplicaciones en detección ambiental y biológica, así como en imágenes de fenómenos astrofísicos que emiten radiación infrarroja lejana.

Además, la nueva técnica de lift-off es generalizable más allá de materiales piroeléctricos. Los investigadores planean aplicar el método para hacer otras películas semiconductoras ultradelgadas de alto rendimiento.

Sus resultados se reportan en un artículo que aparece en la revista Nature. Los co-autores de MIT del estudio son el primer autor Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han y Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y de ciencia e ingeniería de materiales, junto con investigadores de la Universidad de Wisconsin en Madison liderados por el Profesor Chang-Beom Eom y autores de múltiples otras instituciones.

El grupo de Kim en MIT está encontrando nuevas formas de hacer electrónica más pequeña, delgada y flexible. Envisionan que tales "pieles" computacionales ultradelgadas pueden incorporarse en todo, desde lentes de contacto inteligentes y telas de sensores wearables hasta celdas solares elásticas y pantallas flexibles. Para realizar tales dispositivos, Kim y sus colegas han estado experimentando con métodos para cultivar, pelar y apilar elementos semiconductorios, para fabricar membranas de película delgada electrónica ultradelgadas y multifuncionales.

Un método que Kim ha sido pionero es la "epitaxia remota" —una técnica donde materiales semiconductores se cultivan en un sustrato monocristalino, con una capa ultradelgada de grafeno entre medio. La estructura cristalina del sustrato sirve como andamio a lo largo del cual el nuevo material puede crecer. El grafeno actúa como una capa antiadherente, similar al Teflón, haciendo fácil para los investigadores pelar la nueva película y transferirla a dispositivos electrónicos flexibles y apilados. Después de pelar la nueva película, el sustrato subyacente puede reutilizarse para hacer películas delgadas adicionales.

Kim ha aplicado epitaxia remota para fabricar películas delgadas con varias características. Al probar diferentes combinaciones de elementos semiconductores, los investigadores notaron que un cierto material piroeléctrico, llamado PMN-PT, no requería una capa intermedia para separarse de su sustrato. Solo cultivando PMN-PT directamente en un sustrato monocristalino, los investigadores pudieron luego remover la película cultivada, sin rasgaduras ni desgarros en su delicado enrejado. "Funcionó sorprendentemente bien", dijo Zhang. "Encontramos que la película pelada es atómicamente lisa".

En su nuevo estudio, los investigadores de MIT y UW Madison observaron más de cerca el proceso y descubrieron que la clave de la propiedad de fácil pelado del material era el plomo. Como parte de su estructura química, el equipo, junto con colegas del Instituto Politécnico Rensselaer, descubrió que la película piroeléctrica contiene un arreglo ordenado de átomos de plomo que tienen una gran "afinidad electrónica", significando que el plomo atrae electrones y previene que los portadores de carga viajen y se conecten a otro material como un sustrato subyacente. El plomo actúa como pequeñas unidades antiadherentes, permitiendo que el material en su conjunto se pele, perfectamente intacto.

El equipo fabricó múltiples películas ultradelgadas de PMN-PT, cada una de unos 10 nanómetros de delgadez. Pelaron películas piroeléctricas y las transfirieron a un pequeño chip para formar un array de 100 píxeles de detección de calor ultradelgados, cada uno de unos 60 micrómetros cuadrados (unos 0,006 centímetros cuadrados). Expusieron las películas a cambios de temperatura cada vez más leves y encontraron que los píxeles eran altamente sensibles a pequeños cambios a lo largo del espectro infrarrojo lejano.

Estos dispositivos se basan actualmente en materiales fotodetectores, en los que un cambio de temperatura induce a los electrones del material a saltar en energía y cruzar brevemente un "gap de banda" de energía, antes de volver a su estado fundamental. Este salto de electrones sirve como señal eléctrica del cambio de temperatura. Sin embargo, esta señal puede verse afectada por ruido en el ambiente, así que para prevenir tales efectos, los fotodetectores también tienen que incluir dispositivos de enfriamiento que llevan los instrumentos a temperaturas de nitrógeno líquido.

Las gafas y miras de visión nocturna actuales son pesadas y voluminosas. Con el nuevo enfoque basado en piroeléctrico del grupo, los NVDs podrían tener la misma sensibilidad sin el peso del enfriamiento.

Los investigadores encontraron que las películas eran sensibles más allá del rango de dispositivos de visión nocturna actuales y podían responder a longitudes de onda a lo largo de todo el espectro infrarrojo. Esto sugiere que las películas podrían incorporarse en dispositivos pequeños, ligeros y portátiles para diversas aplicaciones que requieren diferentes regiones infrarrojas. Por ejemplo, cuando se integran en plataformas de vehículos autónomos, las películas podrían permitir a los autos "ver" peatones y vehículos en oscuridad completa o en condiciones de niebla y lluvia.

La película también podría usarse en sensores de gas para monitoreo ambiental en tiempo real y in-situ, ayudando a detectar contaminantes. En electrónica, podrían monitorear cambios de calor en chips semiconductores para detectar signos tempranos de elementos que funcionan mal.

El equipo dice que el nuevo método de lift-off puede generalizarse a materiales que pueden no contener plomo ellos mismos. En esos casos, los investigadores sospechan que pueden infundir átomos de plomo tipo Teflón en el sustrato subyacente para inducir un efecto de pelado similar. Por ahora, el equipo está trabajando activamente para incorporar las películas piroeléctricas en un sistema de visión nocturna funcional.

"Visualizamos que nuestras películas ultradelgadas podrían hacerse en gafas de visión nocturna de alto rendimiento, considerando su sensibilidad infrarroja de amplio espectro a temperatura ambiente, lo que permite un diseño ligero sin sistema de enfriamiento", dijo Zhang. "Para convertir esto en un sistema de visión nocturna, un array de dispositivos funcional debería integrarse con circuitos de lectura. Además, pruebas en condiciones ambientales variadas son esenciales para aplicaciones prácticas".

Para más información, contacte a Abby Abazorius en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla..