Film électronique ultra-mince promettant lunettes de vision nocturne plus légères et technologie avancée de détection de brouillard

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Le film nouvellement développé pourrait permettre des dispositifs de détection infrarouge lointain (IR) plus légers, plus portables et hautement précis, avec des applications potentielles pour les lunettes de vision nocturne et la conduite autonome dans des conditions brumeuses. (Image : Adam Glanzman)

Des ingénieurs du MIT ont développé une technique pour faire croître et peler des « peaux » ultraminces de matériau électronique. La méthode pourrait ouvrir la voie à de nouvelles classes de dispositifs électroniques, tels que des capteurs portables ultraminces, des transistors flexibles et éléments de calcul, et des dispositifs d'imagerie hautement sensibles et compacts.

En démonstration, l'équipe a fabriqué une fine membrane de matériau pyroélectrique — une classe de matériau détecteur de chaleur qui produit un courant électrique en réponse aux changements de température. Plus le matériau pyroélectrique est mince, meilleur il est pour détecter de subtiles variations thermiques.

Avec leur nouvelle méthode, l'équipe a fabriqué la membrane pyroélectrique la plus mince à ce jour, mesurant 10 nanomètres d'épaisseur, et a démontré que le film est hautement sensible à la chaleur et aux radiations à travers le spectre infrarouge lointain.

Le film nouvellement développé pourrait permettre des dispositifs de détection infrarouge lointain (IR) plus légers, plus portables et hautement précis, avec des applications potentielles pour les lunettes de vision nocturne et la conduite autonome dans des conditions brumeuses. Les capteurs IR lointain de pointe actuels nécessitent des éléments de refroidissement encombrants. En contraste, le nouveau film pyroélectrique mince ne nécessite aucun refroidissement et est sensible à des changements de température beaucoup plus petits. Les chercheurs explorent des façons d'incorporer le film dans des lunettes de vision nocturne plus légères et de plus haute précision.

« Ce film réduit considérablement le poids et le coût, le rendant léger, portable et plus facile à intégrer », a déclaré Xinyuan Zhang, étudiant diplômé au Département de Science et Génie des Matériaux (DMSE) du MIT. « Par exemple, il pourrait être porté directement sur des lunettes. »

Le film détecteur de chaleur pourrait aussi avoir des applications dans la détection environnementale et biologique, ainsi que l'imagerie de phénomènes astrophysiques qui émettent des radiations infrarouges lointaines.

De plus, la nouvelle technique de lift-off est généralisable au-delà des matériaux pyroélectriques. Les chercheurs prévoient d'appliquer la méthode pour faire d'autres films semiconducteurs ultraminces et haute performance.

Leurs résultats sont rapportés dans un article apparaissant dans le journal Nature. Les co-auteurs du MIT de l'étude sont le premier auteur Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, et Jeehwan Kim, professeur associé de génie mécanique et de science et génie des matériaux, avec des chercheurs de l'Université du Wisconsin à Madison menés par le professeur Chang-Beom Eom et des auteurs de multiples autres institutions.

Le groupe de Kim au MIT trouve de nouvelles façons de faire des électroniques plus petites, plus minces et plus flexibles. Ils envisagent que de telles « peaux » de calcul ultraminces peuvent être incorporées dans tout, des lentilles de contact intelligentes et tissus de détection portables aux cellules solaires extensibles et affichages pliables. Pour réaliser de tels dispositifs, Kim et ses collègues ont expérimenté des méthodes pour faire croître, peler et empiler des éléments semiconducteurs, pour fabriquer des membranes de films minces électroniques ultraminces et multifonctionnelles.

Une méthode que Kim a pionnière est « l'épitaxie à distance » — une technique où des matériaux semiconducteurs sont cultivés sur un substrat monocristallin, avec une couche ultramince de graphène entre les deux. La structure cristalline du substrat sert d'échafaudage le long duquel le nouveau matériau peut croître. Le graphène agit comme une couche antiadhésive, similaire au Teflon, rendant facile pour les chercheurs de peler le nouveau film et de le transférer sur des dispositifs électroniques flexibles et empilés. Après avoir pelé le nouveau film, le substrat sous-jacent peut être réutilisé pour faire des films minces additionnels.

Kim a appliqué l'épitaxie à distance pour fabriquer des films minces avec diverses caractéristiques. En essayant différentes combinaisons d'éléments semiconducteurs, les chercheurs ont remarqué par hasard qu'un certain matériau pyroélectrique, appelé PMN-PT, ne nécessitait pas de couche intermédiaire pour se séparer de son substrat. Juste en faisant croître PMN-PT directement sur un substrat monocristallin, les chercheurs pouvaient ensuite retirer le film cultivé, sans déchirures ni déchirures à son réseau délicat. « Cela a fonctionné de manière surprenante », a dit Zhang. « Nous avons trouvé que le film pelé est atomiquement lisse. »

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs du MIT et de UW Madison ont examiné de plus près le processus et ont découvert que la clé de la propriété de pelage facile du matériau était le plomb. En tant que partie de sa structure chimique, l'équipe, avec des collègues de l'Institut Polytechnique Rensselaer, a découvert que le film pyroélectrique contient un arrangement ordonné d'atomes de plomb qui ont une grande « affinité électronique », signifiant que le plomb attire les électrons et empêche les porteurs de charge de voyager et de se connecter à un autre matériau tel qu'un substrat sous-jacent. Le plomb agit comme de minuscules unités antiadhésives, permettant au matériau dans son ensemble de se peler, parfaitement intact.

L'équipe a fabriqué plusieurs films ultraminces de PMN-PT, chacun d'environ 10 nanomètres d'épaisseur. Ils ont pelé des films pyroélectriques et les ont transférés sur une petite puce pour former un réseau de 100 pixels de détection de chaleur ultraminces, chacun d'environ 60 microns carrés (environ 0,006 centimètres carrés). Ils ont exposé les films à des changements de température de plus en plus légers et ont trouvé que les pixels étaient hautement sensibles à de petits changements à travers le spectre infrarouge lointain.

Ces dispositifs sont actuellement basés sur des matériaux photodétecteurs, dans lesquels un changement de température induit les électrons du matériau à sauter en énergie et brièvement franchir un « gap de bande » d'énergie, avant de se réinstaller dans leur état fondamental. Ce saut d'électron sert de signal électrique du changement de température. Cependant, ce signal peut être affecté par le bruit dans l'environnement, donc pour prévenir de tels effets, les photodétecteurs doivent aussi inclure des dispositifs de refroidissement qui amènent les instruments aux températures d'azote liquide.

Les lunettes et viseurs de vision nocturne actuels sont lourds et encombrants. Avec l'approche pyroélectrique du groupe, les NVD pourraient avoir la même sensibilité sans le poids du refroidissement.

Les chercheurs ont trouvé que les films étaient sensibles au-delà de la gamme des dispositifs de vision nocturne actuels et pouvaient répondre à des longueurs d'onde à travers tout le spectre infrarouge. Cela suggère que les films pourraient être incorporés dans des dispositifs petits, légers et portables pour diverses applications qui nécessitent différentes régions infrarouges. Par exemple, quand intégrés dans des plateformes de véhicules autonomes, les films pourraient permettre aux voitures de « voir » les piétons et véhicules dans l'obscurité complète ou dans des conditions brumeuses et pluvieuses.

Le film pourrait aussi être utilisé dans des capteurs de gaz pour la surveillance environnementale en temps réel et sur site, aidant à détecter les polluants. En électronique, ils pourraient surveiller les changements de chaleur dans les puces semi-conductrices pour attraper les premiers signes d'éléments défaillants.

L'équipe dit que la nouvelle méthode de lift-off peut être généralisée aux matériaux qui ne contiennent pas eux-mêmes du plomb. Dans ces cas, les chercheurs soupçonnent qu'ils peuvent infuser des atomes de plomb de type Teflon dans le substrat sous-jacent pour induire un effet de pelage similaire. Pour l'instant, l'équipe travaille activement à incorporer les films pyroélectriques dans un système de vision nocturne fonctionnel.

« Nous envisageons que nos films ultraminces pourraient être transformés en lunettes de vision nocturne haute performance, considérant leur sensibilité infrarouge à large spectre à température ambiante, ce qui permet un design léger sans système de refroidissement », a dit Zhang. « Pour transformer cela en un système de vision nocturne, un réseau de dispositifs fonctionnels devrait être intégré avec une circuitry de lecture. De plus, les tests dans des conditions environnementales variées sont essentiels pour les applications pratiques. »

Pour plus d'informations, contactez Abby Abazorius à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer JavaScript pour la visualiser..