Une conception inspirée de l'araignée ouvre la voie à de meilleurs photodétecteurs

Les innovateurs de l'Université Purdue s'inspirent de l'araignée pour développer de meilleurs photodétecteurs 3D pour l'imagerie biomédicale.

Inspirée par les motifs d'architecture répétitifs d'une toile d'araignée, l'équipe a présenté un réseau de photodétecteurs résilient en forme de dôme qui détecte à la fois la direction et l'intensité de la lumière incidente, comme le système de vision à œil composé des arthropodes tels que les insectes et les crustacés. .

"Nous avons utilisé la conception fractale unique d'une toile d'araignée pour le développement d'une électronique déformable et fiable qui peut s'interfacer de manière transparente avec n'importe quelle surface curviligne 3D", a déclaré Chi Hwan Lee, professeur adjoint de Purdue en génie biomédical et en génie mécanique.

Ces architectures optoélectroniques 3D sont particulièrement utiles pour les systèmes de photodétection qui nécessitent des champs de vision plus larges, des angles de vision plus larges et une plus grande sensibilité au mouvement.

Les travaux sont publiés dans la revue en ligne Advanced Materials .

Pourquoi une toile d'araignée ?

Les toiles d'araignées sont bien connues pour offrir une excellente adaptabilité mécanique et une excellente tolérance aux dommages contre diverses charges mécaniques, même en cas de tempête.

La propriété structurelle unique de la conception Web fractale de Lee et de son équipe protège l'appareil en tolérant efficacement diverses charges externes.

Inspiré par l'architecture naturelle, l'arrangement optique de Lee et de son équipe répartit les contraintes induites de l'extérieur sur l'ensemble des fils, selon le rapport effectif des dimensions en spirale et radiales.

Le réseau de photodétecteurs hémisphériques contient un matériau sensibilisé par un colorant organique :un composite hybride de graphène. Le dispositif est d'abord fabriqué sur une plaquette de silicium plane à l'échelle microscopique, puis transféré sur des dômes hémisphériques transparents avec différentes courbures de manière déterministe.

Le "web" offre une plus grande extensibilité pour mieux dissiper la force lors de l'étirement. De plus, la conception tolère des coupures mineures des fils tout en maintenant la résistance et la fonction globales de l'ensemble de l'architecture Web.

Dans un bref Q&A édité avec Tech Briefs ci-dessous, le professeur Lee explique comment la structure en araignée peut conduire à un nouveau type d'électronique déformable.

Fiches techniques  :Pourquoi est-il important pour une architecture optoélectronique d'avoir une conception de type Web ?

Prof. Chi Hwan Lee : Les matériaux et dispositifs optoélectroniques déployés sur des surfaces curvilignes offrent des niveaux de fonctionnalité qualitativement étendus permettant un large champ de vision sans aberration, qui ressemble au système de vision à œil composé des arthropodes. Ces architectures optoélectroniques 3D sont particulièrement intéressantes pour les systèmes de photodétection nécessitant un champ de vision large et un antireflet grand angle. Pour concevoir un système composé imitant les yeux, les procédures les plus prometteuses impliquent l'impression directe de pixels photosensibles sur des surfaces courbes ou hémisphériques de manière soigneusement alignée.

Fiches techniques  :Quelle est l'application ou la possibilité la plus intéressante avec ce type de conception ?

Prof. Lee : Ces efforts ouvrent la voie à la réalisation de diverses formes 3D de photodétecteurs, mais les progrès dans ce domaine sont entravés par la complexité de l'assemblage de dispositifs et de composants optoélectroniques sur des surfaces non planes à l'échelle microscopique et l'adaptation de la forme du réseau de photodétecteurs à la courbure hémisphérique fixe.

Pour relever le défi, nous avons utilisé l'architecture structurelle, ou conception fractale, d'une toile d'araignée trouvée dans la nature, capable de résister efficacement à diverses charges mécaniques provenant des environnements. La conception de toile fractale qui présente un motif répétitif à toutes les échelles offre des capacités uniques pour (1) répartir les contraintes induites de l'extérieur sur les fils en fonction du rapport effectif des dimensions en spirale et radiales ; (2) fournir une plus grande extensibilité pour mieux dissiper la force lors de l'étirement; et (3) tolérer des coupures mineures des fils tout en maintenant la force et la fonction globales de l'ensemble de l'architecture Web.

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Fiches techniques  :Dans quelle mesure votre tableau fonctionne-t-il ?

Prof. Lee : Notre photodétecteur 3D fournit non seulement la fonctionnalité optoélectronique avancée pour détecter à la fois la direction et l'intensité de la lumière incidente, mais également une photoréactivité supérieure, par rapport à d'autres homologues similaires, grâce à l'utilisation d'un nouveau composite hybride de graphène sensibilisé par un colorant organique en tant que composant photoactif flexible et efficace. .

Les architectures optoélectroniques 3D qui en résultent sont particulièrement intéressantes pour les systèmes de photodétection nécessitant un large champ de vision et un antireflet grand angle, qui seront utiles à de nombreuses fins d'imagerie biomédicale et militaire.

Fiches techniques  :Quelle est la suite de vos recherches ?

Prof. Lee : Notre travail établit une technologie de plate-forme qui peut intégrer une conception de toile fractale avec une électronique et des capteurs hémisphériques au niveau du système, offrant ainsi plusieurs excellentes adaptabilité mécanique et tolérance aux dommages contre diverses charges mécaniques (comme le font les toiles d'araignées). La technique d'assemblage présentée dans ce travail permet de déployer de l'électronique déformable 2D dans des architectures 3D, ce qui peut présager de nouvelles opportunités pour mieux faire avancer le domaine des dispositifs électroniques et optoélectroniques 3D. Le brevet américain est en cours de dépôt via OTC, et nous recherchons des partenaires et cherchons également à licencier la technologie.

Ce travail est soutenu par la National Science Foundation (NSF ; CMMI-1928784) et le Air Force Research Laboratory (AFRL ; S-114-054-002), en collaboration avec le laboratoire du professeur Muhammad Ashraf Alam à l'ECE à Purdue . Le travail est publié dans Advanced Materials .

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