Filme eletrônico ultrafino promete óculos de visão noturna mais leves e tecnologia avançada de detecção de neblina

Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Cambridge, MA
O filme recém-desenvolvido poderia permitir dispositivos de detecção de infravermelho distante (IR) mais leves, mais portáteis e altamente precisos, com aplicações potenciais para óculos de visão noturna e direção autônoma em condições de neblina. (Imagem:Adam Glanzman)
Os engenheiros do MIT desenvolveram uma técnica para cultivar e descascar “películas” ultrafinas de material eletrônico. O método pode abrir caminho para novas classes de dispositivos eletrônicos, como sensores vestíveis ultrafinos, transistores flexíveis e elementos de computação, e dispositivos de imagem altamente sensíveis e compactos.

Como demonstração, a equipe fabricou uma fina membrana de material piroelétrico – uma classe de material sensível ao calor que produz uma corrente elétrica em resposta a mudanças de temperatura. Quanto mais fino o material piroelétrico, melhor ele detecta variações térmicas sutis.

Com seu novo método, a equipe fabricou a membrana piroelétrica mais fina até agora, medindo 10 nanômetros de espessura, e demonstrou que o filme é altamente sensível ao calor e à radiação no espectro infravermelho distante.

O filme recém-desenvolvido poderia permitir dispositivos de detecção de infravermelho distante (IR) mais leves, mais portáteis e altamente precisos, com aplicações potenciais para óculos de visão noturna e direção autônoma em condições de neblina. Os atuais sensores IR distantes de última geração exigem elementos de resfriamento volumosos. Em contraste, o novo filme fino piroelétrico não requer resfriamento e é sensível a mudanças de temperatura muito menores. Os pesquisadores estão explorando maneiras de incorporar o filme em óculos de visão noturna mais leves e de maior precisão.

“Este filme reduz consideravelmente o peso e o custo, tornando-o leve, portátil e mais fácil de integrar”, disse Xinyuan Zhang, estudante de pós-graduação do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT. “Por exemplo, poderia ser usado diretamente em óculos.”

O filme com detecção de calor também pode ter aplicações em detecção ambiental e biológica, bem como em imagens de fenômenos astrofísicos que emitem radiação infravermelha distante.

Além do mais, a nova técnica de decolagem pode ser generalizada além dos materiais piroelétricos. Os pesquisadores planejam aplicar o método para fazer outros filmes semicondutores ultrafinos e de alto desempenho.

Seus resultados são relatados em um artigo publicado na revista Nature . Os coautores do estudo no MIT são o primeiro autor Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han e Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica e de ciência e engenharia de materiais, juntamente com pesquisadores da Universidade Wisconsin em Madison liderados pelo professor Chang-Beom Eom e autores de várias outras instituições.

O grupo de Kim no MIT está encontrando novas maneiras de fabricar eletrônicos menores, mais finos e mais flexíveis. Eles imaginam que essas “peles” de computação ultrafinas podem ser incorporadas em tudo, desde lentes de contato inteligentes e tecidos sensores vestíveis até células solares elásticas e telas dobráveis. Para realizar tais dispositivos, Kim e seus colegas têm experimentado métodos para cultivar, descascar e empilhar elementos semicondutores, para fabricar membranas eletrônicas ultrafinas e multifuncionais de película fina.

Um método pioneiro de Kim é a “epitaxia remota” – uma técnica em que materiais semicondutores são cultivados em um substrato cristalino único, com uma camada ultrafina de grafeno entre eles. A estrutura cristalina do substrato serve como uma estrutura ao longo da qual o novo material pode crescer. O grafeno atua como uma camada antiaderente, semelhante ao Teflon, facilitando aos pesquisadores a remoção do novo filme e a transferência para dispositivos eletrônicos flexíveis e empilhados. Depois de retirar o novo filme, o substrato subjacente pode ser reutilizado para fazer filmes finos adicionais.

Kim aplicou epitaxia remota para fabricar filmes finos com diversas características. Ao tentar diferentes combinações de elementos semicondutores, os pesquisadores perceberam que um determinado material piroelétrico, denominado PMN-PT, não necessitava de auxílio de camada intermediária para se separar de seu substrato. Apenas cultivando PMN-PT diretamente em um substrato monocristalino, os pesquisadores puderam então remover o filme crescido, sem rasgos ou rasgos em sua delicada estrutura. “Funcionou surpreendentemente bem”, disse Zhang. “Descobrimos que o filme descascado é atomicamente liso.”

Em seu novo estudo, os pesquisadores do MIT e da UW Madison examinaram mais de perto o processo e descobriram que a chave para a propriedade de fácil remoção do material era o chumbo. Como parte da sua estrutura química, a equipa, juntamente com colegas do Rensselaer Polytechnic Institute, descobriu que a película piroeléctrica contém um arranjo ordenado de átomos de chumbo que têm uma grande “afinidade electrónica”, o que significa que o chumbo atrai electrões e impede que os portadores de carga viajem e se liguem a outro material, como um substrato subjacente. O chumbo atua como pequenas unidades antiaderentes, permitindo que o material como um todo se descole, perfeitamente intacto.

A equipe fabricou vários filmes ultrafinos de PMN-PT, cada um com cerca de 10 nanômetros de espessura. Eles retiraram os filmes piroelétricos e os transferiram para um pequeno chip para formar uma matriz de 100 pixels ultrafinos com detecção de calor, cada um com cerca de 60 mícrons quadrados (cerca de 0,006 centímetros quadrados). Eles expuseram os filmes a mudanças cada vez mais leves de temperatura e descobriram que os pixels eram altamente sensíveis a pequenas mudanças no espectro infravermelho distante.

Atualmente, esses dispositivos são baseados em materiais fotodetectores, nos quais uma mudança na temperatura induz os elétrons do material a saltar em energia e cruzar brevemente um “gap de banda” de energia, antes de retornar ao seu estado fundamental. Este salto de elétrons serve como um sinal elétrico da mudança de temperatura. No entanto, este sinal pode ser afetado pelo ruído do ambiente, portanto, para evitar tais efeitos, os fotodetectores também devem incluir dispositivos de resfriamento que reduzam os instrumentos às temperaturas de nitrogênio líquido.

Os óculos e lunetas de visão noturna atuais são pesados e volumosos. Com a nova abordagem piroelétrica do grupo, os NVDs poderiam ter a mesma sensibilidade sem o peso de resfriamento.

Os pesquisadores descobriram que os filmes eram sensíveis além do alcance dos atuais dispositivos de visão noturna e podiam responder a comprimentos de onda em todo o espectro infravermelho. Isto sugere que os filmes poderiam ser incorporados em dispositivos pequenos, leves e portáteis para diversas aplicações que requerem diferentes regiões infravermelhas. Por exemplo, quando integrados em plataformas de veículos autónomos, os filmes poderão permitir que os carros “vejam” os peões e os veículos na escuridão total ou em condições de nevoeiro e chuva.

O filme também pode ser usado em sensores de gás para monitoramento ambiental em tempo real e no local, ajudando a detectar poluentes. Na eletrônica, eles poderiam monitorar mudanças de calor em chips semicondutores para detectar sinais precoces de mau funcionamento de elementos.

A equipe diz que o novo método de decolagem pode ser generalizado para materiais que podem não conter chumbo. Nesses casos, os pesquisadores suspeitam que possam infundir átomos de chumbo semelhantes ao Teflon no substrato subjacente para induzir um efeito de remoção semelhante. Por enquanto, a equipe está trabalhando ativamente para incorporar os filmes piroelétricos em um sistema funcional de visão noturna.

“Prevemos que nossos filmes ultrafinos poderiam ser transformados em óculos de visão noturna de alto desempenho, considerando sua sensibilidade infravermelha de amplo espectro à temperatura ambiente, o que permite um design leve sem sistema de resfriamento”, disse Zhang. "Para transformar isto num sistema de visão nocturna, um conjunto de dispositivos funcionais deve ser integrado com circuitos de leitura. Além disso, testes em condições ambientais variadas são essenciais para aplicações práticas."

Para mais informações, entre em contato com Abby Abazorius em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.