Desain Terinspirasi Laba-laba Membuka Jalan untuk Fotodetektor yang Lebih Baik
Para inovator Universitas Purdue mengambil petunjuk dari laba-laba untuk mengembangkan fotodetektor 3D yang lebih baik untuk pencitraan biomedis.
Terinspirasi oleh pola arsitektur berulang dari jaring laba-laba, tim mendemonstrasikan susunan fotodetektor berbentuk kubah yang dapat mendeteksi arah dan intensitas cahaya pada saat yang bersamaan, seperti sistem penglihatan mata majemuk pada artropoda seperti serangga dan krustasea. .
"Kami menggunakan desain fraktal unik dari jaring laba-laba untuk pengembangan elektronik yang dapat dideformasi dan andal yang dapat secara mulus berinteraksi dengan permukaan lengkung 3D apa pun," kata Chi Hwan Lee, asisten profesor teknik biomedis dan teknik mesin Purdue.
Arsitektur optoelektronik 3D seperti itu sangat berharga untuk sistem deteksi foto yang membutuhkan bidang pandang yang lebih besar, sudut pandang yang lebih luas, dan sensitivitas yang lebih tinggi terhadap gerakan.
Karya ini diterbitkan dalam jurnal online Advanced Materials .
Mengapa Jaring Laba-laba?
Jaring laba-laba terkenal memberikan kemampuan beradaptasi mekanis yang sangat baik dan toleransi kerusakan terhadap berbagai beban mekanis, bahkan dalam badai.
Properti struktural unik dari desain web fraktal Lee dan timnya melindungi perangkat dengan menoleransi berbagai beban eksternal secara efektif.
Terinspirasi oleh arsitektur alami, susunan optik Lee dan timnya mendistribusikan tegangan yang diinduksi secara eksternal ke seluruh benang, sesuai dengan rasio efektif dimensi spiral dan radial.
Array fotodetektor hemispherical mengandung bahan peka pewarna organik:komposit hibrida graphene. Perangkat ini pertama kali dibuat pada wafer silikon planar pada skala mikro dan kemudian dipindahkan ke kubah hemispherical transparan dengan kelengkungan yang berbeda secara deterministik.
The "web" memberikan ekstensibilitas yang lebih besar untuk menghilangkan kekuatan yang lebih baik di bawah peregangan. Selain itu, desainnya mentolerir pemotongan kecil pada utas sambil mempertahankan kekuatan dan fungsi keseluruhan arsitektur web secara keseluruhan.
Singkatnya, T&J yang diedit dengan Ringkasan Teknologi di bawah ini, Prof. Lee menjelaskan bagaimana struktur laba-laba dapat menghasilkan jenis elektronik baru yang dapat dideformasi.
Ringkasan Teknologi :Mengapa arsitektur optoelektronik berharga memiliki desain seperti web?
Prof. Chi Hwan Lee: Bahan dan perangkat optoelektronik yang digunakan di seluruh permukaan lengkung menawarkan tingkat fungsionalitas yang diperluas secara kualitatif yang memungkinkan bidang pandang yang luas tanpa penyimpangan, yang menyerupai sistem penglihatan mata majemuk pada artropoda. Arsitektur optoelektronik 3D ini sangat menarik untuk sistem deteksi foto yang membutuhkan bidang pandang yang luas dan antirefleksi sudut lebar. Untuk merekayasa sistem peniruan mata majemuk, prosedur yang paling menjanjikan melibatkan pencetakan langsung piksel fotosensitif pada permukaan melengkung atau hemisfer dengan cara yang diselaraskan dengan hati-hati.
Ringkasan Teknologi :Apa aplikasi atau kemungkinan yang paling menarik dengan jenis desain ini?
Prof. Lee: Upaya ini membuka jalan untuk mewujudkan berbagai bentuk fotodetektor 3D, tetapi kemajuan di bidang ini terhambat oleh kerumitan perakitan perangkat dan komponen optoelektronik ke permukaan non-planar pada skala mikro dan pencocokan bentuk susunan fotodetektor dengan kelengkungan hemisfer tetap.
Untuk mengatasi tantangan tersebut, kami menggunakan arsitektur struktural, atau desain fraktal, dari jaring laba-laba yang ditemukan di alam yang mampu secara efisien menahan berbagai beban mekanis dari lingkungan. Desain web fraktal yang menunjukkan pola berulang pada semua skala memberikan kemampuan unik untuk (1) mendistribusikan tegangan yang diinduksi eksternal ke seluruh ulir sesuai dengan rasio efektif dimensi spiral dan radial; (2) memberikan ekstensibilitas yang lebih besar untuk menghilangkan gaya yang lebih baik di bawah peregangan; dan (3) mentolerir pemotongan kecil dari utas sambil mempertahankan kekuatan dan fungsi keseluruhan dari seluruh arsitektur web.
Lebih Banyak Fotodetektor di Ringkasan Teknologi
Pelajari tentang cara NASA mendeteksi foton tunggal.
Desain NASA lainnya: Larik Detektor Foto untuk Pencitraan Terlihat/Inframerah Multicolor
Ringkasan Teknologi :Seberapa baik larik Anda bekerja?
Prof. Lee: Fotodetektor 3D kami tidak hanya menyediakan fungsionalitas optoelektronik canggih dalam mendeteksi arah dan intensitas cahaya yang datang, tetapi juga fotoresponsivitas yang unggul, dibandingkan dengan rekan serupa lainnya, melalui penggunaan komposit hibrid graphene peka pewarna organik baru sebagai komponen fotoaktif yang fleksibel dan efektif. .
Arsitektur optoelektronik 3D yang dihasilkan sangat menarik untuk sistem deteksi foto yang membutuhkan bidang pandang yang luas dan antirefleksi sudut lebar, yang akan berguna untuk banyak tujuan pencitraan biomedis dan militer.
Ringkasan Teknologi :Apa selanjutnya dengan penelitian Anda?
Prof. Lee: Pekerjaan kami menetapkan teknologi platform yang dapat mengintegrasikan desain web fraktal dengan elektronik dan sensor hemisferis tingkat sistem, sehingga menawarkan beberapa kemampuan adaptasi mekanis yang sangat baik dan toleransi kerusakan terhadap berbagai beban mekanis (seperti jaring laba-laba). Teknik perakitan yang disajikan dalam karya ini memungkinkan penggelaran elektronik 2D yang dapat dideformasi dalam arsitektur 3D, yang dapat memberi pertanda peluang baru untuk memajukan bidang perangkat elektronik dan optoelektronik 3D dengan lebih baik. Paten A.S. sedang diajukan melalui OTC, dan kami sedang mencari mitra dan juga ingin melisensikan teknologi tersebut.
Pekerjaan ini didukung oleh National Science Foundation (NSF; CMMI-1928784) dan Air Force Research Laboratory (AFRL; S-114-054-002), bekerja sama dengan Lab Prof. Muhammad Ashraf Alam di ECE di Purdue . Karya diterbitkan di Materi Lanjutan .
Bagaimana menurutmu? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.
