La película electrónica ultrafina promete gafas de visión nocturna más ligeras y tecnología avanzada de detección de niebla

Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA

La película recientemente desarrollada podría permitir dispositivos de detección de infrarrojo lejano (IR) más ligeros, portátiles y de alta precisión, con aplicaciones potenciales para gafas de visión nocturna y conducción autónoma en condiciones de niebla. (Imagen:Adam Glanzman)

Los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para cultivar y pelar “pieles” ultrafinas de material electrónico. El método podría allanar el camino para nuevas clases de dispositivos electrónicos, como sensores portátiles ultrafinos, transistores y elementos informáticos flexibles, y dispositivos de imágenes compactos y de alta sensibilidad.

Como demostración, el equipo fabricó una fina membrana de material piroeléctrico, una clase de material sensible al calor que produce una corriente eléctrica en respuesta a los cambios de temperatura. Cuanto más fino sea el material piroeléctrico, mejor detectará variaciones térmicas sutiles.

Con su nuevo método, el equipo fabricó la membrana piroeléctrica más delgada hasta el momento, con un grosor de 10 nanómetros, y demostró que la película es muy sensible al calor y la radiación en todo el espectro del infrarrojo lejano.

La película recientemente desarrollada podría permitir dispositivos de detección de infrarrojo lejano (IR) más ligeros, portátiles y de alta precisión, con aplicaciones potenciales para gafas de visión nocturna y conducción autónoma en condiciones de niebla. Los sensores de infrarrojos lejanos actuales de última generación requieren elementos de refrigeración voluminosos. Por el contrario, 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 el peso y el costo, haciéndola liviana, portátil y más fácil de integrar", dijo Xinyuan Zhang, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT. "Por ejemplo, se podría usar directamente sobre las gafas".

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

Es más, la nueva técnica de despegue se puede generalizar más allá de los materiales piroeléctricos. Los investigadores planean aplicar el método para fabricar otras películas semiconductoras ultrafinas y de alto rendimiento.

Sus resultados se recogen en un artículo que aparece en la revista Nature. . Los coautores del estudio del MIT 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 dirigidos por el profesor Chang-Beom Eom y autores de muchas otras instituciones.

El grupo de Kim en el MIT está encontrando nuevas formas de fabricar productos electrónicos más pequeños, delgados y flexibles. Imaginan que estas “pieles” informáticas ultrafinas se pueden incorporar a todo, desde lentes de contacto inteligentes y tejidos sensores portátiles hasta células solares elásticas y pantallas flexibles. Para crear tales dispositivos, Kim y sus colegas han estado experimentando con métodos para cultivar, pelar y apilar elementos semiconductores, para fabricar membranas electrónicas de película delgada ultrafinas y multifuncionales.

Un método en el que Kim ha sido pionero es la “epitaxia remota”, una técnica en la que se cultivan materiales semiconductores sobre un sustrato monocristalino, con una capa ultrafina de grafeno en el medio. La estructura cristalina del sustrato sirve como andamio a lo largo del cual puede crecer el nuevo material. El grafeno actúa como una capa antiadherente, similar al teflón, lo que facilita a los investigadores retirar la nueva película y transferirla a dispositivos electrónicos flexibles y apilados. Después de retirar la nueva película, el sustrato subyacente se puede reutilizar para hacer películas delgadas adicionales.

Kim ha aplicado epitaxia remota para fabricar películas delgadas con diversas características. Al probar diferentes combinaciones de elementos semiconductores, los investigadores notaron que cierto material piroeléctrico, llamado PMN-PT, no requería una capa intermedia para separarse de su sustrato. Con solo hacer crecer PMN-PT directamente sobre un sustrato monocristalino, los investigadores pudieron eliminar la película cultivada, sin rasgaduras ni desgarros en su delicada red. "Funcionó sorprendentemente bien", dijo Zhang. "Descubrimos que la película pelada es atómicamente suave".

En su nuevo estudio, los investigadores del MIT y la UW Madison observaron más de cerca el proceso y descubrieron que la clave de la propiedad de fácil despegado 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 una disposición ordenada de átomos de plomo que tienen una gran "afinidad electrónica", lo que significa que el plomo atrae electrones e impide que los portadores de carga viajen y se conecten a otro material, como un sustrato subyacente. El plomo actúa como pequeñas unidades antiadherentes, lo que permite que el material se desprenda en su totalidad, perfectamente intacto.

El equipo fabricó múltiples películas ultrafinas de PMN-PT, cada una de unos 10 nanómetros de espesor. Quitaron películas piroeléctricas y las transfirieron a un pequeño chip para formar una matriz de 100 píxeles ultrafinos sensores de calor, cada uno de aproximadamente 60 micrones cuadrados (aproximadamente 0,006 centímetros cuadrados). Expusieron las películas a cambios de temperatura cada vez más leves y descubrieron que los píxeles eran muy sensibles a pequeños cambios en todo el espectro del 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 una "banda prohibida" 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 el ruido ambiental, por lo que para evitar tales efectos, los fotodetectores también deben incluir dispositivos de enfriamiento que reduzcan los instrumentos a la temperatura del nitrógeno líquido.

Las gafas y los visores de visión nocturna actuales son pesados y voluminosos. Con el nuevo enfoque del grupo basado en piroeléctricos, los NVD podrían tener la misma sensibilidad sin el peso de enfriamiento.

Los investigadores descubrieron que las películas eran sensibles más allá del alcance de los dispositivos de visión nocturna actuales y podían responder a longitudes de onda en todo el espectro infrarrojo. Esto sugiere que las películas podrían incorporarse en dispositivos pequeños, livianos 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 automóviles "ver" peatones y vehículos en completa oscuridad o en condiciones de niebla y lluvia.

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

El equipo dice que el nuevo método de despegue se puede generalizar a materiales que pueden no contener plomo. En esos casos, los investigadores sospechan que pueden infundir átomos de plomo similares al teflón en el sustrato subyacente para inducir un efecto de despegue similar. Por ahora, el equipo está trabajando activamente para incorporar las películas piroeléctricas en un sistema funcional de visión nocturna.

"Prevemos que nuestras películas ultrafinas podrían convertirse en gafas de visión nocturna de alto rendimiento, considerando su sensibilidad infrarroja de amplio espectro a temperatura ambiente, lo que permite un diseño liviano sin un sistema de enfriamiento", dijo Zhang. "Para convertir esto en un sistema de visión nocturna, se debe integrar un conjunto de dispositivos funcionales con circuitos de lectura. Además, las pruebas en diversas condiciones ambientales son esenciales para aplicaciones prácticas".

Para obtener más información, comuníquese con Abby Abazorius en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo..