熱釋電材料是一種極性晶體，晶體中存在著自發(fā)極化。當(dāng)溫度變化時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，從而在表面產(chǎn)生電荷。因此，熱釋電材料廣泛應(yīng)用于熱傳感、熱成像、熱能收集等領(lǐng)域。
近日，麻省理工學(xué)院的工程師們開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，能夠制造厚度僅為 10 納米的熱釋電材料。該薄膜對(duì)遠(yuǎn)紅外光譜的熱量和輻射高度敏感，有望幫助解決長(zhǎng)期存在的光學(xué)傳感難題，例如制造輕量級(jí)夜視眼鏡，以及改進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)在惡劣條件下的導(dǎo)航性能
相關(guān)研究以題為“Atomic lift-off of epitaxial membranes for cooling-free infrared detection”發(fā)表在Nature期刊。
熱釋電材料是一類(lèi)熱感應(yīng)材料，可響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生電流。熱釋電材料越薄，它就越能更好地感知細(xì)微的熱變化。
為了尋找制造更小、更薄、更靈活的電子產(chǎn)品的新方法。研究人員設(shè)想開(kāi)發(fā)一種超薄電子“皮膚”可以融入各種設(shè)備，從智能隱形眼鏡、可穿戴傳感織物，到彈性太陽(yáng)能電池和可彎曲顯示器。為了實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)備，團(tuán)隊(duì)一直在嘗試各種方法來(lái)生長(zhǎng)、剝離和堆疊半導(dǎo)體元件，以制造超薄、多功能的電子薄膜。
他們首創(chuàng)的一種稱(chēng)為“遠(yuǎn)程外延”的方法——一種在單晶基底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料，并在其間放置一層超薄石墨烯的技術(shù)?；椎木w結(jié)構(gòu)充當(dāng)支架，新材料可以沿著其生長(zhǎng)。石墨烯起到類(lèi)似特氟龍的不粘層的作用，使研究人員可以輕松剝離新薄膜并將其轉(zhuǎn)移到柔性和堆疊的電子設(shè)備上。剝離新薄膜后，底層基底可以重復(fù)使用，用于制作其他薄膜。
麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授 Jeehwan Kim 已應(yīng)用遠(yuǎn)程外延技術(shù)來(lái)制備具有各種特性的薄膜。在嘗試不同的半導(dǎo)體元件組合時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，一種名為 PMN-PT 的熱釋電材料無(wú)需中間層輔助即可與基底分離。只需在單晶基板上直接生長(zhǎng) PMN-PT，研究人員便可移除生長(zhǎng)的薄膜，而不會(huì)對(duì)其精細(xì)的晶格造成任何撕裂或撕裂。
“效果出奇的好，我們發(fā)現(xiàn)剝離后的薄膜光滑到原子級(jí)?！边@項(xiàng)研究的主要作者 Xinyuan Zhang 表示。
在這項(xiàng)新研究中，麻省理工學(xué)院和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員仔細(xì)研究了這一過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這種材料易剝離特性的關(guān)鍵是。作為其化學(xué)結(jié)構(gòu)的一部分，該團(tuán)隊(duì)與倫斯勒理工學(xué)院的同事一起發(fā)現(xiàn)，熱釋電薄膜包含有序排列的鉛原子，這些鉛原子具有較大的“電子親和力”，這意味著鉛會(huì)吸引電子，并阻止電荷載流子移動(dòng)并連接到其他材料，例如底層基板。鉛充當(dāng)了微小的不粘裝置，使整個(gè)材料可以完好無(wú)損地剝離。
該團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)后運(yùn)行并制造了多層 PMN-PT 超薄薄膜，每層薄膜的厚度約為 10 納米。他們剝下熱釋電薄膜并將它們轉(zhuǎn)移到一個(gè)小芯片上，形成一個(gè)由 100 個(gè)超薄熱感應(yīng)像素組成的陣列，每個(gè)像素約為 60 平方微米（約 0.006 平方厘米）。他們將薄膜暴露在細(xì)微的溫度的變化中，發(fā)現(xiàn)這些像素對(duì)遠(yuǎn)紅外光譜中的微小變化高度敏感。
熱釋電陣列的靈敏度可與最先進(jìn)的夜視設(shè)備相媲美。這些設(shè)備目前基于光電探測(cè)器材料，其中溫度的變化會(huì)誘導(dǎo)材料的電子躍遷能量并短暫地穿過(guò)能量“帶隙”，然后穩(wěn)定回到基態(tài)。這種電子躍遷作為溫度變化的電信號(hào)。然而，該信號(hào)可能會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響，為了防止這種影響，光電探測(cè)器還必須包括冷卻裝置，使儀器降至液氮溫度。
目前的夜視鏡和瞄準(zhǔn)鏡又重又笨重。借助該小組基于熱釋電技術(shù)的新方法，夜視儀可以在沒(méi)有冷卻裝置的情況下具有相同的靈敏度。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些薄膜的靈敏度超出了當(dāng)前夜視設(shè)備的探測(cè)范圍，并且可以對(duì)整個(gè)紅外光譜中的波長(zhǎng)做出反應(yīng)。這表明這些薄膜可以集成到小型、輕便和便攜式設(shè)備中，用于需要不同紅外區(qū)域的各種應(yīng)用。例如，當(dāng)集成到自動(dòng)駕駛汽車(chē)平臺(tái)中時(shí)，這些薄膜可以使汽車(chē)在完全黑暗或有霧和下雨的情況下“看到”行人和車(chē)輛。
該薄膜還可用于氣體傳感器，用于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，幫助檢測(cè)污染物。在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，他們可以監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體芯片中的熱量變化，以捕捉元件故障的早期跡象。
該團(tuán)隊(duì)表示，新的剝離方法可以推廣到本身不含鉛的材料。在這些情況下，研究人員懷疑他們可以將類(lèi)似特氟龍的鉛原子注入底層基板中，以產(chǎn)生類(lèi)似的剝離效果。目前，該團(tuán)隊(duì)正在積極努力將熱釋電薄膜整合到夜視系統(tǒng)中。
“考慮到我們的超薄薄膜在室溫下的廣譜紅外靈敏度，我們可以設(shè)想我們的超薄薄膜可以制成高性能夜視鏡，這允許在沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，要將其制成夜視系統(tǒng)，應(yīng)將功能性器件陣列與讀出電路集成在一起。此外，在各種環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。”Xinyuan Zhang 表示。
https://news.mit.edu/2025/new-electronic-skin-could-enable-lightweight-night-vision-glasses-0423
熱門(mén)跟貼