Film Elektronik Ultra-Tipis Menjanjikan Kacamata Penglihatan Malam yang Lebih Ringan dan Teknologi Penginderaan Kabut yang Canggih

Institut Teknologi Massachusetts, Cambridge, MA

Film yang baru dikembangkan ini dapat memungkinkan perangkat penginderaan inframerah jauh (IR) yang lebih ringan, lebih portabel, dan sangat akurat, dengan aplikasi potensial untuk kacamata penglihatan malam dan mengemudi secara otonom dalam kondisi berkabut. (Gambar:Adam Glanzman)

Insinyur MIT telah mengembangkan teknik untuk menumbuhkan dan mengupas “kulit” material elektronik yang sangat tipis. Metode ini dapat membuka jalan bagi perangkat elektronik kelas baru, seperti sensor ultratipis yang dapat dipakai, transistor fleksibel dan elemen komputasi, serta perangkat pencitraan yang sangat sensitif dan ringkas.

Sebagai demonstrasi, tim membuat membran tipis dari bahan piroelektrik – sejenis bahan penginderaan panas yang menghasilkan arus listrik sebagai respons terhadap perubahan suhu. Semakin tipis bahan piroelektrik, semakin baik dalam mendeteksi variasi termal yang halus.

Dengan metode baru mereka, tim membuat membran piroelektrik tertipis, setebal 10 nanometer, dan menunjukkan bahwa film tersebut sangat sensitif terhadap panas dan radiasi pada spektrum inframerah jauh.

Film yang baru dikembangkan ini dapat memungkinkan perangkat penginderaan inframerah jauh (IR) yang lebih ringan, lebih portabel, dan sangat akurat, dengan aplikasi potensial untuk kacamata penglihatan malam dan mengemudi secara otonom dalam kondisi berkabut. Sensor IR jauh yang canggih saat ini memerlukan elemen pendingin yang besar. Sebaliknya, film tipis piroelektrik baru tidak memerlukan pendinginan dan sensitif terhadap perubahan suhu yang jauh lebih kecil. Para peneliti sedang menjajaki cara untuk menggabungkan film tersebut ke dalam kacamata penglihatan malam yang lebih ringan dan berpresisi lebih tinggi.

“Film ini sangat mengurangi bobot dan biaya, menjadikannya ringan, portabel, dan lebih mudah diintegrasikan,” Xinyuan Zhang, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu dan Teknik Material (DMSE) MIT. “Misalnya bisa langsung dikenakan pada kacamata.”

Film penginderaan panas juga dapat diterapkan dalam penginderaan lingkungan dan biologis, serta pencitraan fenomena astrofisika yang memancarkan radiasi inframerah jauh.

Terlebih lagi, teknik lepas landas yang baru ini dapat digeneralisasikan di luar material piroelektrik. Para peneliti berencana menerapkan metode ini untuk membuat film semikonduktor ultra-tipis dan berkinerja tinggi lainnya.

Hasilnya dilaporkan dalam makalah yang muncul di jurnal Nature . Rekan penulis studi ini di MIT adalah penulis pertama Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, dan Jeehwan Kim, profesor teknik mesin serta ilmu dan teknik material, serta para peneliti di Universitas Wisconsin di Madison yang dipimpin oleh Profesor Chang-Beom Eom dan penulis dari berbagai institusi lainnya.

Kelompok Kim di MIT menemukan cara baru untuk membuat perangkat elektronik yang lebih kecil, lebih tipis, dan lebih fleksibel. Mereka membayangkan bahwa “kulit” komputasi ultra tipis tersebut dapat dimasukkan ke dalam segala hal mulai dari lensa kontak pintar dan bahan penginderaan yang dapat dipakai hingga sel surya yang elastis dan layar yang dapat ditekuk. Untuk mewujudkan perangkat tersebut, Kim dan rekan-rekannya telah bereksperimen dengan metode menumbuhkan, mengupas, dan menumpuk elemen semikonduktor, untuk membuat membran film tipis elektronik yang sangat tipis dan multifungsi.

Salah satu metode yang dirintis Kim adalah “epitaxy jarak jauh” – sebuah teknik di mana bahan semikonduktor ditumbuhkan pada substrat kristal tunggal, dengan lapisan graphene yang sangat tipis di antaranya. Struktur kristal substrat berfungsi sebagai perancah di mana material baru dapat tumbuh. Graphene bertindak sebagai lapisan antilengket, mirip dengan Teflon, sehingga memudahkan peneliti mengupas film baru dan mentransfernya ke perangkat elektronik yang fleksibel dan bertumpuk. Setelah lapisan film baru terkelupas, substrat di bawahnya dapat digunakan kembali untuk membuat lapisan tipis tambahan.

Kim telah menerapkan epitaksi jarak jauh untuk membuat film tipis dengan berbagai karakteristik. Saat mencoba kombinasi elemen semikonduktor yang berbeda, para peneliti menemukan bahwa bahan piroelektrik tertentu, yang disebut PMN-PT, tidak memerlukan bantuan lapisan perantara untuk memisahkan dari substratnya. Hanya dengan menumbuhkan PMN-PT secara langsung pada substrat kristal tunggal, para peneliti kemudian dapat menghilangkan lapisan film yang tumbuh, tanpa robekan atau robekan pada kisi-kisi halusnya. “Ini bekerja dengan sangat baik,” kata Zhang. “Kami menemukan bahwa lapisan film yang telah dikupas halus secara atom.”

Dalam studi baru mereka, para peneliti MIT dan UW Madison mengamati proses tersebut lebih dekat dan menemukan bahwa kunci dari sifat material yang mudah terkelupas adalah timbal. Sebagai bagian dari struktur kimianya, tim tersebut, bersama dengan rekan-rekannya di Institut Politeknik Rensselaer, menemukan bahwa film piroelektrik mengandung susunan atom timbal yang teratur yang memiliki “afinitas elektron” yang besar, yang berarti bahwa timbal menarik elektron dan mencegah pembawa muatan bergerak dan terhubung ke material lain seperti substrat di bawahnya. Timah bertindak seperti unit antilengket kecil, yang memungkinkan bahan secara keseluruhan terkelupas, utuh sempurna.

Tim membuat beberapa film ultra tipis PMN-PT, masing-masing setebal 10 nanometer. Mereka mengupas film piroelektrik dan memindahkannya ke sebuah chip kecil untuk membentuk susunan 100 piksel penginderaan panas ultra tipis, masing-masing berukuran sekitar 60 mikron persegi (sekitar 0,006 sentimeter persegi). Mereka memaparkan film pada perubahan suhu yang sangat kecil dan menemukan bahwa pikselnya sangat sensitif terhadap perubahan kecil pada spektrum inframerah jauh.

Perangkat ini saat ini didasarkan pada bahan-bahan fotodetektor, di mana perubahan suhu menginduksi elektron-elektron bahan tersebut untuk melompat dalam energi dan secara singkat melintasi “celah pita” energi, sebelum kembali ke keadaan dasarnya. Lompatan elektron ini berfungsi sebagai sinyal listrik adanya perubahan suhu. Namun, sinyal ini dapat dipengaruhi oleh kebisingan di lingkungan, sehingga untuk mencegah efek tersebut, fotodetektor juga harus menyertakan perangkat pendingin yang menurunkan suhu instrumen ke suhu nitrogen cair.

Kacamata dan teropong penglihatan malam saat ini berat dan besar. Dengan pendekatan baru berbasis piroelektrik yang dikembangkan oleh grup ini, NVD dapat memiliki sensitivitas yang sama tanpa beban pendinginan.

Para peneliti menemukan bahwa film-film tersebut sensitif di luar jangkauan perangkat penglihatan malam saat ini dan dapat merespons panjang gelombang di seluruh spektrum inframerah. Hal ini menunjukkan bahwa film dapat dimasukkan ke dalam perangkat kecil, ringan, dan portabel untuk berbagai aplikasi yang memerlukan wilayah inframerah berbeda. Misalnya, ketika diintegrasikan ke dalam platform kendaraan otonom, film tersebut dapat memungkinkan mobil “melihat” pejalan kaki dan kendaraan dalam kegelapan total atau dalam kondisi berkabut dan hujan.

Film ini juga dapat digunakan dalam sensor gas untuk pemantauan lingkungan secara real-time dan di lokasi, sehingga membantu mendeteksi polutan. Dalam bidang elektronik, mereka dapat memantau perubahan panas pada chip semikonduktor untuk mengetahui tanda-tanda awal kerusakan elemen.

Tim tersebut mengatakan metode lepas landas yang baru dapat digeneralisasikan pada material yang mungkin tidak mengandung timbal. Dalam kasus tersebut, para peneliti menduga bahwa mereka dapat memasukkan atom timbal mirip Teflon ke dalam substrat di bawahnya untuk menginduksi efek pengelupasan yang serupa. Untuk saat ini, tim secara aktif berupaya menggabungkan film piroelektrik ke dalam sistem penglihatan malam yang berfungsi.

“Kami membayangkan bahwa film ultra tipis kami dapat dibuat menjadi kacamata penglihatan malam berperforma tinggi, mengingat sensitivitas inframerah spektrum luas pada suhu kamar, yang memungkinkan desain ringan tanpa sistem pendingin,” kata Zhang. "Untuk mengubahnya menjadi sistem penglihatan malam, rangkaian perangkat fungsional harus diintegrasikan dengan sirkuit pembacaan. Selain itu, pengujian dalam berbagai kondisi lingkungan sangat penting untuk aplikasi praktis."

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Abby Abazorius di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..