超薄型電子フィルムが軽量ナイトビジョンゴーグルと先進霧検知技術を約束

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

新開発フィルムが、より軽量、よりポータブル、高精度な遠赤外線（IR）センシングデバイスを可能にし、ナイトビジョン眼鏡や霧中自動運転への応用可能性。（画像：Adam Glanzman）

MITエンジニアたちが、電子材料の超薄型「皮膚」を成長・剥離する技術を開発。この手法は、超薄型ウェアラブルセンサ、フレキシブルトランジスタとコンピューティング要素、高感度コンパクト撮像デバイスといった新クラス電子デバイスへの道を開くかもしれません。

デモンストレーションとして、チームは熱電材料の一種であるピロ電気材料の薄膜を作製 — 温度変化に応じて電流を生成する熱検知材料の一種。ピロ電気材料が薄ければ薄いほど、微細な熱変化検知に優れます。

新手法で、チームは厚さ10ナノメートルの最薄ピロ電気膜を作製し、そのフィルムが遠赤外線スペクトル全域で熱と放射線に高感度であることを実証しました。

新開発フィルムは、より軽量、よりポータブル、高精度な遠赤外線（IR）センシングデバイスを可能にし、ナイトビジョン眼鏡や霧条件下の自動運転への応用可能性があります。現在の最先端遠赤外線センサは大型冷却素子を必要とします。対照的に、新ピロ電気薄膜は冷却不要で、はるかに小さな温度変化に感度があります。研究者たちはフィルムをより軽量、高精度なナイトビジョングラスに組み込む方法を探っています。

「このフィルムは重量とコストを大幅に削減し、軽量、ポータブル、統合容易にします」と、MIT材料科学工学部（DMSE）大学院生Xinyuan Zhang氏。「例えば、メガネに直接装着できます。」

熱検知フィルムは環境・生物学的センシング、遠赤外線放射を出す天体物理学現象の撮像にも応用可能です。

さらに、新しいリフトオフ技術はピロ電気材料以外にも汎用化可能。研究者たちは他の超薄型高性能半導体フィルム作製への適用を計画しています。

成果はNature誌掲載論文で報告。MIT共著者は筆頭著者Xinyuan Zhang、Sangho Lee、Min-Kyu Song、Haihui Lan、Jun Min Suh、Jung-El Ryu、Yanjie Shao、Xudong Zheng、Ne Myo Han、Jeehwan Kim氏（機械工学准教授、材料科学工学准教授）、University Wisconsin-MadisonのChang-Beom Eom教授率いる研究者たち、複数他機関著者たち。

MITのKimグループは、より小さく、薄く、柔軟なエレクトロニクスを作る新しい方法を見出しています。このような超薄型コンピューティング「皮膚」が、スマートコンタクトレンズ、ウェアラブルセンシング繊維、伸縮性太陽電池、曲げられるディスプレイなどあらゆるものに組み込めることを想定。このようなデバイス実現のため、Kim氏と同僚たちは半導体要素の成長、剥離、積層方法を実験し、超薄型多機能電子薄膜メンブレンを製造してきました。

Kim氏が開拓した手法の一つは「リモートエピタキシー」 — 単結晶基板上に超薄型グラフェン層を介在させて半導体材料を成長させる技術。基板の結晶構造が新材料成長の足場となり、グラフェンがテフロンのような非粘着層として働き、研究者たちが新フィルムを剥離し、フレキシブル・積層電子デバイスへ転写しやすくします。新フィルム剥離後、基板を再利用して追加薄膜作製可能。

Kim氏はリモートエピタキシーを様々な特性の薄膜製造に適用。異なる半導体元素組み合わせを試す中で、PMN-PTと呼ばれる特定ピロ電気材料が基板から分離するための中間層助を必要としないことに気づきました。単結晶基板上にPMN-PTを直接成長させるだけで、繊細な格子に裂け目や破れなしで成長フィルムを除去可能。「驚くほどうまくいきました」とZhang氏。「剥離フィルムが原子レベルで平滑であることがわかりました。」

新研究で、MITとUW Madison研究者たちはプロセスを詳しく調べ、材料のイージーピール特性の鍵が鉛であることを発見。化学構造の一部として、チームはRensselaer Polytechnic Instituteの同僚たちとともに、ピロ電気フィルムが大きな「電子親和力」を持つ秩序だった鉛原子配列を含むことを発見 — 鉛が電子を引き寄せ、電荷キャリアが移動して下地基板のような別材料と接続するのを防ぎます。鉛が微小非粘着ユニットとして働き、材料全体が完全無傷で剥離できるようにします。

チームはPMN-PTの複数超薄膜を作製、各約10ナノメートル厚。ピロ電気フィルムを剥離し、小さなチップへ転写して100個の超薄型熱検知ピクセルアレイを形成、各約60平方ミクロン（約0.006平方センチメートル）。フィルムをより微細な温度変化に曝露し、ピクセルが遠赤外線スペクトル全域で小さな変化に高感度であることを発見。

これらデバイスは現在、温度変化が材料の電子をエネルギーでジャンプさせ、一時的にエネルギー「バンドギャップ」を越えてから基底状態に戻るフォトディテクタ材料ベースです。この電子ジャンプが温度変化の電気信号として機能。しかしこの信号は環境ノイズの影響を受けるため、フォトディテクタは液体窒素温度まで機器を冷やす冷却装置も含める必要がありました。

現在のナイトビジョンゴーグルとスコープは重く嵩張ります。グループの新ピロ電気ベースアプローチで、NVDは冷却重量なしで同等感度を持てます。

研究者たちはフィルムが現在のナイトビジョンデバイス範囲を超える感度を持ち、赤外線スペクトル全波長に応答可能であることを発見。これは、異なる赤外線領域を必要とするさまざまなアプリケーション向けに、小型、軽量、ポータブルデバイスへの組み込み可能性を示唆。例えば、自律走行車プラットフォームに統合すれば、フィルムが車両に完全暗闇や霧・雨天での歩行者と車両を「見る」能力を与えます。

フィルムはリアルタイム現場環境モニタリング用ガスセンサにも利用可能、汚染物質検出を支援。エレクトロニクスでは、半導体チップの熱変化監視で故障要素の早期兆候捕捉に役立ちます。

チームは新リフトオフ手法が鉛を含まない材料にも汎用化可能と述べます。それらの場合、研究者たちはテフロン様鉛原子を下地基板に注入して同様の剥離効果を誘起できると推測。現在はピロ電気フィルムを機能的ナイトビジョンシステムへ組み込むべく積極的に取り組んでいます。

「我々の超薄膜が、室温での広スペクトル赤外線感度により冷却システムなしで軽量設計を可能にする高性能ナイトビジョンゴーグルに作れることを想定しています」とZhang氏。「ナイトビジョンシステムにするには、機能デバイスアレイを読み出し回路と統合すべきです。さらに、多様な環境条件下でのテストが実用応用に不可欠です。」

詳細については、Abby Abazoriusまでお問い合わせください。