熱釋電材料是一種極性晶體，晶體中存在著自發(fā)極化。當溫度變化時，自發(fā)極化強度也會發(fā)生變化，從而在表面產(chǎn)生電荷。因此，熱釋電材料廣泛應用于熱傳感、熱成像、熱能收集等領域。
近日，麻省理工學院的工程師們開發(fā)了一種新技術，能夠制造厚度僅為 10 納米的熱釋電材料。該薄膜對遠紅外光譜的熱量和輻射高度敏感，有望幫助解決長期存在的光學傳感難題，例如制造輕量級夜視眼鏡，以及改進自動駕駛汽車在惡劣條件下的導航性能
相關研究以題為“Atomic lift-off of epitaxial membranes for cooling-free infrared detection”發(fā)表在Nature期刊。
熱釋電材料是一類熱感應材料，可響應溫度變化而產(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。研究人員設想開發(fā)一種超薄電子“皮膚”可以融入各種設備，從智能隱形眼鏡、可穿戴傳感織物，到彈性太陽能電池和可彎曲顯示器。為了實現(xiàn)這樣的設備，團隊一直在嘗試各種方法來生長、剝離和堆疊半導體元件，以制造超薄、多功能的電子薄膜。
他們首創(chuàng)的一種稱為“遠程外延”的方法——一種在單晶基底上生長半導體材料，并在其間放置一層超薄石墨烯的技術?；椎木w結(jié)構(gòu)充當支架，新材料可以沿著其生長。石墨烯起到類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備上。剝離新薄膜后，底層基底可以重復使用，用于制作其他薄膜。
麻省理工學院材料科學與工程系教授 Jeehwan Kim 已應用遠程外延技術來制備具有各種特性的薄膜。在嘗試不同的半導體元件組合時偶然發(fā)現(xiàn)，一種名為 PMN-PT 的熱釋電材料無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 PMN-PT，研究人員便可移除生長的薄膜，而不會對其精細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。”這項研究的主要作者 Xinyuan Zhang 表示。
在這項新研究中，麻省理工學院和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員仔細研究了這一過程，發(fā)現(xiàn)這種材料易剝離特性的關鍵是。作為其化學結(jié)構(gòu)的一部分，該團隊與倫斯勒理工學院的同事一起發(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”，這意味著鉛會吸引電子，并阻止電荷載流子移動并連接到其他材料，例如底層基板。鉛充當了微小的不粘裝置，使整個材料可以完好無損地剝離。
該團隊在實現(xiàn)這一目標后運行并制造了多層 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)移到一個小芯片上，形成一個由 100 個超薄熱感應像素組成的陣列，每個像素約為 60 平方微米（約 0.006 平方厘米）。他們將薄膜暴露在細微的溫度的變化中，發(fā)現(xiàn)這些像素對遠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的夜視設備相媲美。這些設備目前基于光電探測器材料，其中溫度的變化會誘導材料的電子躍遷能量并短暫地穿過能量“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。然而，該信號可能會受到環(huán)境噪聲的影響，為了防止這種影響，光電探測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鏡又重又笨重。借助該小組基于熱釋電技術的新方法，夜視儀可以在沒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前夜視設備的探測范圍，并且可以對整個紅外光譜中的波長做出反應。這表明這些薄膜可以集成到小型、輕便和便攜式設備中，用于需要不同紅外區(qū)域的各種應用。例如，當集成到自動駕駛汽車平臺中時，這些薄膜可以使汽車在完全黑暗或有霧和下雨的情況下“看到”行人和車輛。
該薄膜還可用于氣體傳感器，用于實時現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測，幫助檢測污染物。在電子產(chǎn)品領域，他們可以監(jiān)測半導體芯片中的熱量變化，以捕捉元件故障的早期跡象。
該團隊表示，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似特氟龍的鉛原子注入底層基板中，以產(chǎn)生類似的剝離效果。目前，該團隊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，我們可以設想我們的超薄薄膜可以制成高性能夜視鏡，這允許在沒有冷卻系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)輕量化設計，要將其制成夜視系統(tǒng)，應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)境條件下進行測試對于實際應用至關重要。”Xinyuan Zhang 表示。
https://news.mit.edu/2025/new-electronic-skin-could-enable-lightweight-night-vision-glasses-0423
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