超薄电子薄膜有望打造更轻的夜视眼镜和先进的雾传感技术

麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州

新开发的薄膜可以实现更轻、更便携和高精度的远红外（IR）传感设备，具有夜视眼镜和雾天自动驾驶的潜在应用。 （图片来源：亚当·格兰兹曼）

麻省理工学院的工程师开发了一种技术来生长和剥离电子材料的超薄“皮肤”。该方法可以为新型电子设备铺平道路，例如超薄可穿戴传感器、柔性晶体管和计算元件以及高灵敏度和紧凑型成像设备。

作为演示，该团队制造了一种热释电材料薄膜——一种热敏材料，可响应温度变化而产生电流。热释电材料越薄，就越能更好地感知细微的热变化。

利用他们的新方法，该团队制造了迄今为止最薄的热释电膜，厚度为 10 纳米，并证明该膜对远红外光谱范围内的热和辐射高度敏感。

新开发的薄膜可以实现更轻、更便携和高精度的远红外（IR）传感设备，具有夜视眼镜和雾天自动驾驶的潜在应用。当前最先进的远红外传感器需要笨重的冷却元件。相比之下，新型热释电薄膜不需要冷却，并且对较小的温度变化很敏感。研究人员正在探索如何将这种薄膜融入到更轻、更高精度的夜视眼镜中。

麻省理工学院材料科学与工程系 (DMSE) 的研究生张新元表示：“这种薄膜大大减轻了重量和成本，使其轻便、便携且更易于集成。” “比如可以直接戴在眼镜上。”

这种热敏薄膜还可以应用于环境和生物传感，以及发射远红外辐射的天体物理现象的成像。

更重要的是，新的升空技术可以推广到热释电材料之外。研究人员计划应用该方法来制造其他超薄、高性能半导体薄膜。

他们的研究结果发表在《自然》杂志上的一篇论文中 。该研究的共同作者包括麻省理工学院的第一作者 Xinyuan 张、Sangho Lee、Min-Kyu Song、Haihui Lan、Jun Min Suh、Jung-El Ryu、Yanjie Shao、Xudong Cheng、Ne Myo Han 和 Jeehwan Kim（机械工程和材料科学与工程副教授），以及由 Chang-Beom Eom 教授领导的威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员以及来自多个其他机构的作者。

麻省理工学院的 Kim 团队正在寻找制造更小、更薄、更灵活的电子产品的新方法。他们设想这种超薄计算“皮肤”可以融入到从智能隐形眼镜和可穿戴传感织物到弹性太阳能电池和可弯曲显示器的各种产品中。为了实现此类设备，Kim 和他的同事一直在尝试生长、剥离和堆叠半导体元件的方法，以制造超薄、多功能电子薄膜。

Kim 首创的一种方法是“远程外延”——一种在单晶衬底上生长半导体材料的技术，中间有一层超薄的石墨烯。基底的晶体结构充当新材料可以生长的支架。石墨烯充当不粘层，类似于聚四氟乙烯，使研究人员可以轻松剥离新薄膜并将其转移到柔性堆叠电子设备上。剥离新薄膜后，下面的基板可以重新使用以制作额外的薄膜。

Kim 应用远程外延来制造具有各种特性的薄膜。在尝试半导体元件的不同组合时，研究人员偶然注意到一种称为 PMN-PT 的热释电材料不需要中间层辅助即可与其基底分离。只需直接在单晶基板上生长 PMN-PT，研究人员就可以去除生长的薄膜，而不会对其精致的晶格造成任何撕裂或撕裂。 “效果出奇的好，”张说。 “我们发现剥离后的薄膜非常光滑。”

在他们的新研究中，麻省理工学院和威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员仔细研究了该过程，发现该材料易剥离特性的关键是铅。作为其化学结构的一部分，该团队与伦斯勒理工学院的同事一起发现，热释电薄膜包含有序排列的铅原子，这些铅原子具有很大的“电子亲和力”，这意味着铅会吸引电子并阻止电荷载流子移动并连接到另一种材料（例如底层基板）。铅的作用就像微小的不粘单元，使材料作为一个整体剥离，完好无损。

该团队制造了多个 PMN-PT 超薄膜，每个薄膜厚度约为 10 纳米。他们剥离热释电薄膜并将其转移到一个小芯片上，形成一个由 100 个超薄热传感像素组成的阵列，每个像素约 60 平方微米（约 0.006 平方厘米）。他们将胶片暴露在更微小的温度变化下，发现像素对远红外光谱的微小变化高度敏感。

这些设备目前基于光电探测器材料，其中温度的变化会导致材料的电子发生能量跳跃并短暂跨越能量“带隙”，然后回到基态。这种电子跃迁充当温度变化的电信号。然而，该信号可能会受到环境中噪声的影响，因此为了防止这种影响，光电探测器还必须包括冷却装置，使仪器降至液氮温度。

目前的夜视镜和瞄准镜又重又笨重。借助该小组基于热释电的新方法，NVD 无需冷却重量即可具有相同的灵敏度。

研究人员发现，这些薄膜的灵敏度超出了当前夜视设备的范围，并且可以对整个红外光谱的波长做出响应。这表明这些薄膜可以集成到小型、轻质和便携式设备中，用于需要不同红外区域的各种应用。例如，当集成到自动驾驶汽车平台中时，这些薄膜可以使汽车在完全黑暗或雾雨条件下“看到”行人和车辆。

该薄膜还可用于气体传感器，进行实时和现场环境监测，帮助检测污染物。在电子领域，他们可以监测半导体芯片的热量变化，以捕捉故障元件的早期迹象。

该团队表示，新的剥离方法可以推广到本身不含铅的材料。在这些情况下，研究人员怀疑他们可以将聚四氟乙烯类铅原子注入底层基材中，以引发类似的剥离效果。目前，该团队正在积极致力于将热释电薄膜整合到功能性夜视系统中。

张说：“考虑到其在室温下的广谱红外灵敏度，我们设想我们的超薄膜可以制成高性能夜视镜，从而可以实现无需冷却系统的轻型设计。” “要将其变成夜视系统，功能器件阵列应与读出电路集成。此外，在不同环境条件下进行测试对于实际应用至关重要。”

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