超薄型電子フィルムは、より軽量な暗視メガネと高度な霧感知技術を約束します

マサチューセッツ工科大学、マサチューセッツ州ケンブリッジ

新たに開発されたフィルムは、より軽量で携帯性に優れ、高精度の遠赤外線（IR）センシングデバイスを可能にし、暗視アイウェアや霧の状況での自動運転への応用が可能になる可能性がある。 (画像:アダム・グランツマン)

MITのエンジニアは、電子材料の極薄「スキン」を成長させて剥がす技術を開発した。この方法は、超薄型のウェアラブル センサー、フレキシブル トランジスタとコンピューティング素子、高感度でコンパクトな撮像デバイスなど、新しいクラスの電子デバイスへの道を開く可能性があります。

デモンストレーションとして、研究チームは焦電材料の薄膜を作製しました。焦電材料は、温度の変化に応じて電流を生成する感熱材料の一種です。焦電材料が薄いほど、微妙な熱変化の感知が向上します。

研究チームは、新しい方法を使用して、厚さ 10 ナノメートルのこれまでで最も薄い焦電膜を製造し、この膜が熱と遠赤外線スペクトル全体の放射に対して非常に敏感であることを実証しました。

新たに開発されたフィルムは、より軽量で携帯性に優れ、高精度の遠赤外線（IR）センシングデバイスを可能にし、暗視アイウェアや霧の状況での自動運転への応用が可能になる可能性がある。現在の最先端の遠赤外線センサーには、かさばる冷却要素が必要です。対照的に、新しい焦電薄膜は冷却を必要とせず、はるかに小さな温度変化に敏感です。研究者らは、このフィルムを軽量で高精度の暗視メガネに組み込む方法を模索しています。

MIT 材料科学工学部 (DMSE) の大学院生である Xinyuan Zhang 氏は、「このフィルムは重量とコストを大幅に削減し、軽量で持ち運びが容易になり、統合が容易になります。」と述べています。 「たとえば、メガネに直接装着することもできます。」

熱感知フィルムは、遠赤外線を放射する天体物理現象のイメージングだけでなく、環境および生物学的センシングにも応用できる可能性があります。

さらに、新しいリフトオフ技術は焦電材料を超えて一般化可能です。研究者らは、この方法を他の極薄の高性能半導体フィルムの製造に応用することを計画しています。

彼らの結果は、Nature 誌に掲載される論文で報告されています。 。この研究のMITの共著者は、筆頭著者のXinyuan Zhang氏、Sangho Lee氏、Min-Kyu Song氏、Haihui Lan氏、Jun Min Suh氏、Jung-El Ryu氏、Yanjie Shao氏、Xudong Zheng氏、Ne Myo Han氏、および機械工学および材料科学工学の准教授であるJeehwan Kim氏と、Chang-Beom Eom教授率いるウィスコンシン大学マディソン校の研究者および他の複数の大学の著者である。

MIT のキム氏のグループは、より小さく、より薄く、より柔軟なエレクトロニクスを製造する新しい方法を見つけています。彼らは、このような極薄のコンピューティング「スキン」を、スマート コンタクト レンズやウェアラブル センシング ファブリックから、伸縮性のある太陽電池や曲げ可能なディスプレイに至るまで、あらゆるものに組み込むことができると構想しています。このようなデバイスを実現するために、キム氏と彼の同僚は、半導体素子を成長、剥離、積層し、極薄の多機能電子薄膜膜を製造する方法を実験してきました。

キム氏が開拓した方法の 1 つは「リモート エピタキシー」です。これは、半導体材料を単結晶基板上に成長させ、間にグラフェンの極薄層を設ける技術です。基板の結晶構造は、新しい材料が成長するための足場として機能します。グラフェンはテフロンと同様に非粘着層として機能するため、研究者が新しいフィルムを剥がして、フレキシブルで積層された電子デバイスに転写することが容易になります。新しいフィルムを剥がした後、その下の基板を再利用して追加の薄膜を作成できます。

キム氏はリモートエピタキシーを応用して、さまざまな特性を持つ薄膜を作製した。半導体素子のさまざまな組み合わせを試しているときに、研究者らは、PMN-PTと呼ばれる特定の焦電材料が基板から分離するために中間層の補助を必要としないことに偶然気づきました。 PMN-PT を単結晶基板上に直接成長させるだけで、研究者らは、その繊細な格子に裂け目や亀裂を生じることなく、成長した膜を除去することができました。 「それは驚くほどうまくいきました」と張氏は語った。 「剥がしたフィルムは原子的に滑らかであることがわかりました。」

MITとUWマディソンの研究者らは新しい研究でそのプロセスを詳しく調べ、材料の剥がしやすさの鍵は鉛にあることを発見した。研究チームとレンセラー工科大学の同僚らは、焦電膜の化学構造の一部として、大きな「電子親和力」を持つ鉛原子の規則的な配列を含んでいることを発見した。これは、鉛が電子を引き寄せ、電荷キャリアが移動して下の基板などの別の材料に結合するのを防ぐことを意味する。リードは小さな焦げ付き防止ユニットのように機能し、素材全体を完全に無傷で剥がすことができます。

研究チームは、それぞれの厚さが約10ナノメートルのPMN-PTの超薄膜を複数作製した。彼らは焦電フィルムを剥がして小さなチップ上に転写し、それぞれ約60平方ミクロン（約0.006平方センチメートル）の極薄熱感知ピクセル100個のアレイを形成した。彼らはフィルムをこれまでにないわずかな温度変化にさらしたところ、ピクセルが遠赤外線スペクトル全体の小さな変化に非常に敏感であることを発見しました。

これらのデバイスは現在、光検出器材料に基づいており、温度の変化により材料の電子がエネルギーをジャンプさせ、エネルギーの「バンドギャップ」を短時間横切り、その後基底状態に戻ります。この電子の飛びは温度変化の電気信号として機能します。ただし、この信号は環境内のノイズの影響を受ける可能性があるため、そのような影響を防ぐために、光検出器には機器を液体窒素の温度まで下げる冷却装置も含める必要があります。

現在の暗視ゴーグルやスコープは重くてかさばります。同グループの新しい焦電ベースのアプローチにより、NVD は冷却重量なしでも同じ感度を得ることができました。

研究者らは、このフィルムが現在の暗視装置の範囲を超えて感度が高く、赤外線スペクトル全体の波長に反応できることを発見しました。これは、このフィルムが、異なる赤外線領域を必要とするさまざまな用途向けの小型、軽量、ポータブル機器に組み込まれる可能性があることを示唆しています。たとえば、このフィルムを自動運転車のプラットフォームに統合すると、完全な暗闇や霧や雨の状況でも、自動車が歩行者や車両を「見る」ことができるようになります。

このフィルムは、リアルタイムおよび現場環境モニタリング用のガスセンサーにも使用でき、汚染物質の検出に役立ちます。エレクトロニクスでは、半導体チップの熱変化を監視して、素子の故障の初期の兆候を捉えることができます。

研究チームは、新しいリフトオフ方法は、鉛を含まない可能性のある材料にも一般化できると述べている。このような場合、研究者らは、テフロンのような鉛原子を下にある基板に注入して、同様の剥離効果を引き起こすことができるのではないかと考えています。現在のところ、チームは焦電フィルムを機能的な暗視システムに組み込むことに向けて積極的に取り組んでいます。

「室温での広範囲の赤外線感度を考慮すると、当社の極薄フィルムを高性能暗視ゴーグルにできると考えています。これにより、冷却システムなしの軽量設計が可能になります」とZhang氏は述べた。 「これを暗視システムに変えるには、機能デバイスアレイを読み出し回路と統合する必要があります。さらに、実用的なアプリケーションには、さまざまな環境条件でのテストが不可欠です。」

詳細については、この電子メール アドレスはスパムボットから保護されています。Abby Abazorius までお問い合わせください。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。