Forschung Wie eine neue elektronische „Haut“ Nachtsichtbrillen leichter macht

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Eine ultradünne elektronische Folie könnte elektronische Geräte leichter machen, ohne ihre Funktionen einzuschränken. Denkbar wären damit intelligente Kontaktlinsen und tragbare Sensorgewebe bis hin zu dehnbaren Solarzellen und biegsamen Displays.

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Technik entwickelt, um ultradünne „Häute“ aus elektronischem Material herzustellen. Die Methode könnte die Entwicklung neuer elektronischer Geräte vorantreiben, zum Beispiel ultradünne, tragbare Sensoren, flexible Transistoren und Computerelemente sowie hochempfindliche und kompakte Bildgebungsgeräte ermöglichen.

Zur Demonstration stellte das Team eine dünne Membran aus pyroelektrischem Material her. Sie ist wärmeempfindlich und reagiert auf Temperaturänderungen mit der Erzeugung eines elektrischen Stroms. Je dünner das pyroelektrische Material ist, desto besser kann es subtile thermische Schwankungen wahrnehmen.

Bisher dünnstes pyroelektrisches Membran

Mit ihrer neuen Methode haben die Forscher das bisher dünnste pyroelektrische Membran mit einer Dicke von zehn Nanometern hergestellt und gezeigt, dass diese sehr empfindlich auf Wärme und Strahlung im Ferninfrarotbereich reagiert.

Die neu entwickelte Folie könnte beispielsweise für leichtere, tragbarere und hochpräzise Ferninfrarot-Sensoren sorgen, die für Nachtsichtbrillen und autonomes Fahren bei Nebel eingesetzt werden könnten. Die derzeitigen modernen Ferninfrarotsensoren benötigen sperrige Kühlelemente. Im Gegensatz dazu benötigt der neue pyroelektrische Dünnfilm keine Kühlung und reagiert auf wesentlich geringere Temperaturschwankungen. „Die Folie reduziert das Gewicht und die Kosten beträchtlich. Sie ist leicht, mobil und einfach zu integrieren“, erklärt Xinyuan Zhang, Doktorand am MIT Department of Materials Science and Engineering (DMSE). „Sie könnte zum Beispiel direkt auf einer Brille getragen werden.“

Die wärmeempfindliche Folie könnte auch in der Umwelt- und Biosensorik sowie bei der Abbildung astrophysikalischer Phänomene, die Ferninfrarotstrahlung aussenden, eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich die neue Lift-off-Technik über pyroelektrische Materialien hinaus verallgemeinern. Die Forscher planen, die Methode zur Herstellung anderer ultradünner, leistungsstarker Halbleiterfilme anzuwenden.

Forscher experimentieren mit Halbleiterelementen

Ihre Ergebnisse wurden in einem Artikel in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Die MIT-Koautoren der Studie sind der Erstautor Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han und Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaft und -technik, zusammen mit Forschern der Universität Wisconsin in Madison unter der Leitung von Professor Chang-Beom Eom und Autoren aus mehreren anderen Einrichtungen.

Kim sucht nach neuen Wegen, um kleinere, dünnere und flexiblere Elektronik herzustellen. Solche ultradünnen Computer-„Häute“ sollen künftig in alles eingebaut werden können – von intelligenten Kontaktlinsen und tragbaren Sensorgeweben bis hin zu dehnbaren Solarzellen und biegsamen Displays – so stellen es sich die Forscher zumindest vor. Kim und seine Kollegen experimentieren dazu mit Halbleiterelementen, um ultradünne, multifunktionale elektronische Dünnfilmmembranen herzustellen.

Eine Methode, bei der Kim Pionierarbeit geleistet hat, ist die „Remote-Epitaxie“ – eine Technik, bei der Halbleitermaterialien auf einem einkristallinen Substrat gezüchtet werden, mit einer ultradünnen Graphenschicht dazwischen. Die Kristallstruktur des Substrats dient als Gerüst, auf dem das neue Material wachsen kann. Graphen wirkt wie eine Antihaftschicht, ähnlich wie Teflon, sodass die Forscher die neue Folie leicht abziehen und auf elektronische Geräte übertragen können. Nach dem Abziehen der neuen Schicht kann das darunter liegende Substrat für die Herstellung weiterer Schichten wiederverwendet werden.

Mithilfe der Remote-Epitaxie hat Kim Dünnschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt. Beim Ausprobieren verschiedener Kombinationen von Halbleiterelementen stellten die Forscher fest, dass ein bestimmtes pyroelektrisches Material, PMN-PT genannt, keine Zwischenschicht benötigt, um sich von seinem Substrat zu lösen. Indem sie PMN-PT direkt auf einem einkristallinen Substrat wachsen ließen, konnten die Forscher die gewachsenen Folie entfernen, ohne dass das empfindliche Gitter Risse bekam. „Das funktionierte erstaunlich gut“, sagt Zhang. „Wir haben festgestellt, dass die abgezogene Folie atomar glatt ist.“

Pyroelektrischer Ansatz versus Photodetektoren

In ihrer neuen Studie haben die Forscher des MIT und der UW Madison das Verfahren genauer unter die Lupe genommen und festgestellt, dass die Eigenschaft des leichten Abziehens hauptsächlich durch Blei-Atome entsteht. Das Team entdeckte zusammen mit Kollegen am Rensselaer Polytechnic Institute, dass der pyroelektrische Film als Teil seiner chemischen Struktur eine Anordnung von Blei-Atomen enthält, die eine große „Elektronenaffinität“ haben. Das bedeutet, dass Blei Elektronen anzieht und verhindert, dass die Ladungsträger wandern und sich mit anderen Materialien wie einem darunter liegenden Substrat verbinden. Das Blei wirkt wie eine winzige Antihaftbeschichtung, sodass sich das Material als Ganzes völlig unversehrt ablösen lässt.

Das Team setzte die Idee um und stellte mehrere ultradünne Filme aus PMN-PT her, die jeweils etwa zehn Nanometer dünn waren. Sie schälten die pyroelektrischen Filme ab und übertrugen sie auf einen kleinen Chip, um eine Anordnung von 100 ultradünnen wärmeempfindlichen Pixeln zu bilden, die jeweils etwa 60 Quadratmikrometer (etwa 0,006 Quadratzentimeter) groß sind. Sie setzten die Filme immer geringeren Temperaturveränderungen aus und stellten fest, dass die Pixel sehr empfindlich auf kleine Veränderungen im fernen Infrarotspektrum reagierten.

Die Empfindlichkeit des pyroelektrischen Arrays ist mit der von modernen Nachtsichtgeräten vergleichbar. Diese Geräte basieren derzeit auf Photodetektor-Materialien, bei denen eine Temperaturänderung die Elektronen des Materials zu einem Energiesprung veranlasst, sodass sie kurzzeitig eine Energie-„Bandlücke“ überqueren, bevor sie wieder in ihren Grundzustand zurückkehren. Dieser Elektronensprung dient als elektrisches Signal für die Temperaturänderung. Dieses Signal kann jedoch durch Rauschen in der Umgebung beeinträchtigt werden. Um solche Effekte zu vermeiden, müssen Photodetektoren auch Kühlvorrichtungen enthalten, die die Instrumente auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herunterbringen.

Derzeitige Nachtsichtbrillen und -fernrohre sind schwer und sperrig. Mit dem neuen pyroelektrischen Ansatz könnten die Nachtsichtgeräte die gleiche Empfindlichkeit haben, ohne dass sie zu schwer sind.

Weitere Einsatzbereiche denkbar – bspw. im Fahrzeug

Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass der pyroelektrische Film auf Wellenlängen im gesamten Infrarotspektrum reagieren kann. Man vermutet, dass sich die Folien so auch in kleine, leichte und tragbare Geräte für verschiedene Anwendungen einbauen ließen, die unterschiedliche Infrarotbereiche benötigen. So könnten die Folien beispielsweise in autonome Fahrzeugplattformen integriert werden und es den Fahrzeugen ermöglichen, Fußgänger und Fahrzeuge in völliger Dunkelheit oder bei Nebel und Regen zu „sehen“.

Die Folie könnte auch in Gassensoren für die Echtzeit- und Vor-Ort-Umweltüberwachung eingesetzt werden und dabei helfen, Schadstoffe zu erkennen. In der Elektronik könnte sie Wärmeveränderungen in Halbleiterchips überwachen, um Anzeichen für Fehlfunktionen frühzeitig zu erkennen.

Das Team sagt, dass die neue Lift-off-Methode auch auf Materialien angewandt werden kann, die selbst kein Blei enthalten. In diesen Fällen vermuten die Forscher, dass sie teflonähnliche Blei-Atome in das darunter liegende Substrat einbringen könnten, um einen ähnlichen Ablöseeffekt zu erzielen. Im Moment arbeitet das Team aktiv daran, die pyroelektrischen Filme in ein funktionierendes Nachtsichtsystem einzubauen.

„Wir stellen uns vor, dass unsere ultradünnen Folien zu hochleistungsfähigen Nachtsichtbrillen verarbeitet werden können, da sie bei Raumtemperatur ein breites Spektrum an Infrarotempfindlichkeit aufweisen, was ein leichtes Design ohne Kühlsystem ermöglicht“, sagt Zhang. „Um dies in ein Nachtsichtsystem zu verwandeln, sollte ein funktionsfähiges Geräte-Array mit Ausleseschaltung integriert werden. Außerdem sind Tests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen für praktische Anwendungen unerlässlich.

Die Arbeit wurde vom U.S. Air Force Office of Scientific Research unterstützt.

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