Le film électronique ultra fin promet des lunettes de vision nocturne plus légères et une technologie avancée de détection de buée

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

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

Les ingénieurs du MIT ont développé une technique permettant de faire croître et de peler des « peaux » ultrafines de matériel électronique. La méthode pourrait ouvrir la voie à de nouvelles classes d'appareils électroniques, tels que des capteurs portables ultrafins, des transistors et des éléments informatiques flexibles, ainsi que des appareils d'imagerie hautement sensibles et compacts.

À titre de démonstration, l'équipe a fabriqué une fine membrane de matériau pyroélectrique, une classe de matériau sensible à la chaleur qui produit un courant électrique en réponse aux changements de température. Plus le matériau pyroélectrique est fin, plus il est capable de détecter les subtiles variations thermiques.

Grâce à leur nouvelle méthode, l'équipe a fabriqué la membrane pyroélectrique la plus fine à ce jour, mesurant 10 nanomètres d'épaisseur, et a démontré que le film est très sensible à la chaleur et aux rayonnements dans le spectre infrarouge lointain.

Le film nouvellement développé pourrait permettre la création de dispositifs de détection infrarouge lointain (IR) plus légers, plus portables et très précis, avec des applications potentielles pour les lunettes de vision nocturne et la conduite autonome dans des conditions de brouillard. Les capteurs IR lointains de pointe actuels nécessitent des éléments de refroidissement encombrants. En revanche, le nouveau film mince pyroélectrique ne nécessite aucun refroidissement et est sensible à des changements de température beaucoup plus faibles. Les chercheurs étudient les moyens 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", Xinyuan Zhang, étudiant diplômé du Département de science et d'ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT. "Par exemple, il pourrait être porté directement sur des lunettes."

Le film thermosensible pourrait également avoir des applications dans la détection environnementale et biologique, ainsi que dans l'imagerie de phénomènes astrophysiques émettant un rayonnement infrarouge lointain.

De plus, la nouvelle technique de décollage est généralisable au-delà des matériaux pyroélectriques. Les chercheurs prévoient d'appliquer cette méthode pour fabriquer d'autres films semi-conducteurs ultra-fins et hautes performances.

Leurs résultats sont rapportés dans un article paru dans la revue Nature . Les co-auteurs de l'étude au MIT sont les premiers auteurs 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 agrégé de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux, ainsi que des chercheurs de l'Université du Wisconsin à Madison dirigés par le professeur Chang-Beom Eom et des auteurs de plusieurs autres institutions.

Le groupe de Kim au MIT trouve de nouvelles façons de fabriquer des appareils électroniques plus petits, plus fins et plus flexibles. Ils envisagent que de telles « peaux » informatiques ultra fines puissent être intégrées à tout, des lentilles de contact intelligentes aux tissus de détection portables en passant par les cellules solaires extensibles et les écrans pliables. Pour réaliser de tels dispositifs, Kim et ses collègues ont expérimenté des méthodes permettant de faire croître, peler et empiler des éléments semi-conducteurs, afin de fabriquer des membranes électroniques à couches minces ultrafines et multifonctionnelles.

L'une des méthodes mises au point par Kim est «l'épitaxie à distance», une technique dans laquelle des matériaux semi-conducteurs sont cultivés sur un substrat monocristallin, avec une couche ultrafine de graphène entre les deux. La structure cristalline du substrat sert d’échafaudage le long duquel le nouveau matériau peut se développer. Le graphène agit comme une couche antiadhésive, semblable au téflon, permettant aux chercheurs de décoller facilement le nouveau film et de le transférer sur des appareils électroniques flexibles et empilés. Après avoir décollé le nouveau film, le substrat sous-jacent peut être réutilisé pour fabriquer des films minces supplémentaires.

Kim a appliqué l'épitaxie à distance pour fabriquer des films minces présentant diverses caractéristiques. En essayant différentes combinaisons d'éléments semi-conducteurs, les chercheurs ont remarqué qu'un certain matériau pyroélectrique, appelé PMN-PT, ne nécessitait pas de couche intermédiaire pour se séparer de son substrat. En cultivant simplement le PMN-PT directement sur un substrat monocristallin, les chercheurs ont pu retirer le film développé, sans déchirure ni déchirure de son réseau délicat. "Cela a étonnamment bien fonctionné", a déclaré Zhang. "Nous avons constaté que le film pelé est atomiquement lisse."

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs du MIT et de l’UW Madison ont examiné le processus de plus près et ont découvert que la clé de la facilité de pelage du matériau était le plomb. Dans le cadre 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 », ce qui signifie 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 décoller, parfaitement intact.

L’équipe a fabriqué plusieurs films ultrafins de PMN-PT, chacun mesurant environ 10 nanomètres d’épaisseur. Ils ont décollé des films pyroélectriques et les ont transférés sur une petite puce pour former un réseau de 100 pixels ultrafins sensibles à la chaleur, mesurant chacun 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 découvert que les pixels étaient très sensibles aux petits changements dans le spectre infrarouge lointain.

Ces dispositifs sont actuellement basés sur des matériaux photodétecteurs, dans lesquels un changement de température incite les électrons du matériau à sauter d’énergie et à traverser brièvement une « bande interdite » d’énergie avant de revenir dans leur état fondamental. Ce saut électronique sert de signal électrique du changement de température. Cependant, ce signal peut être affecté par le bruit ambiant. Pour éviter de tels effets, les photodétecteurs doivent également inclure des dispositifs de refroidissement qui ramènent les instruments à la température de l'azote liquide.

Les lunettes et lunettes de vision nocturne actuelles sont lourdes et encombrantes. Grâce à la nouvelle approche pyroélectrique du groupe, les NVD pourraient avoir la même sensibilité sans le poids de refroidissement.

Les chercheurs ont découvert que les films étaient sensibles au-delà de la portée des appareils de vision nocturne actuels et pouvaient répondre aux longueurs d'onde sur l'ensemble du spectre infrarouge. Cela suggère que les films pourraient être incorporés dans des appareils petits, légers et portables pour diverses applications nécessitant différentes régions infrarouges. Par exemple, une fois intégrés à des plateformes de véhicules autonomes, les films pourraient permettre aux voitures de « voir » les piétons et les véhicules dans l'obscurité totale ou dans des conditions de brouillard et de pluie.

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

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

"Nous envisageons que nos films ultrafins pourraient être transformés en lunettes de vision nocturne hautes performances, compte tenu de leur sensibilité infrarouge à large spectre à température ambiante, qui permet une conception légère sans système de refroidissement", a déclaré Zhang. "Pour transformer cela en un système de vision nocturne, un ensemble de dispositifs fonctionnels doit être intégré à des circuits 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 le visualiser..