Filmele cu material sensibil la IR doar zeci de nanometri grosime sunt greu de realizat.
Ochelitarii de viziune în infraroșu de calitate militară folosesc detectoare făcute din Teluride de Cadmium Mercur, un material semiconductor care este deosebit de sensibil la radiațiile infraroșii. Din păcate, trebuie să mențineți detectoarele care utilizează acest material extrem de răcoros – în timp ce la temperaturi lichide de azot – pentru ca aceștia să funcționeze. „Sistemele lor de răcire sunt foarte voluminoase și foarte grele”, spune Xinyuan Zhang, un cercetător MIT și autorul principal al unui nou studiu care a căutat materiale alternative sensibile la IR.
Greutatea adăugată a fost un sacrificiu, producătorii de sisteme de înaltă calitate, au fost în mare parte dispuși să facă, deoarece alternativele fără răcire au oferit performanțe mult mai proaste. Pentru a remedia acest lucru, cercetătorii MIT au dezvoltat un nou material ultra-subțire care poate simți radiații infraroșii fără nicio răcire și depășește detectoarele răcite în același timp. Și vor să -l folosească pentru a transforma ochelarii de vedere termică în ochelari de vedere termică.
Rămânând cool
Fără răcire detectoare cu infraroșu au fost în preajmă înainte de cel de -al Doilea Război Mondial și s -au bazat mai ales pe materiale piroelectrice precum turmalina care își schimbă temperatura la absorbția radiațiilor infraroșii. Această schimbare de temperatură, la rândul său, generează un curent electric care poate fi măsurat pentru a obține o citire de la detector. Deși aceste materiale au funcționat, au avut problemele lor. Funcționarea la temperatura camerei a provocat multă mișcare atomică aleatorie în materialul piroelectric, care a introdus zgomot electric care a făcut dificilă detectarea semnalelor infraroșii slabe.
În detectoarele de teluride de cadmiu de mercur răcit, această mișcare atomică este dramatic mai mică. „Răcirea lor la temperaturi lichide de azot se face pentru a suprima zgomotul intern”, explică Zhang. Echipa ei s-a gândit că obținerea acestui tip de performanță scăzută din materiale piroelectrice a fost teoretic posibilă. Atenție a fost că aceste materiale trebuie să fie absurd de subțiri pentru a reduce zgomotul. Și acest lucru a făcut ca producția să fie un pic complicată.
Suprafețe antiaderente
Procesul de fabricare a filmelor ultra-subțiri (între unul și câteva zeci de nanometri) realizate din diverse materiale se numește epitaxie și este utilizat în fabricarea cipurilor și în semiconductori bidimensionali. Se bazează pe creșterea structurilor cristaline pe un material de substrat. Principala provocare este ca aceste filme cristaline să fie de pe substrat, fără a le deteriora – au avut tendința de a se lipi de substraturi, cum ar fi ouăle prăjite într -o tigaie veche.
O modalitate de a face acest lucru se numește epitaxie la distanță, unde este introdus un strat intermediar format din grafen sau alt material între substrat și cristale în creștere. Odată ce procesul de epitaxie este realizat, substratul și tot ceea ce este înmuiat într -o soluție chimică care dizolvă acest strat intermediar, lăsând filmul cristalin intact. Acest lucru funcționează, dar este scump, dificil de extins și durează mult timp. Pentru a face procesul mai ieftin și mai rapid, echipa MIT a trebuit să crească cristalele direct pe substrat, fără straturi intermediare. Ceea ce încercau să obțină a fost un efect de pană antiaderent, dar la scară atomic mică.
Slăbirea obligațiunilor
Materialul care a împiedicat filmele cristaline să se lipească de substraturi nu a fost Teflon, ci plumb. Când echipa experimenta cu diferite filme diferite în studiile lor anterioare, au observat că există un material care a ieșit cu ușurință de pe substrat, totuși au păstrat o suprafață netedă atomic: PMN-PT sau Titanat de plumb de magneziu cu magneziu.
Atomii de plumb din PMN-PT au slăbit legăturile covalente dintre film și substrat, împiedicând electronii să sară prin interfața dintre cele două materiale. „A trebuit doar să exercităm un pic de stres pentru a induce o fisură la interfața dintre film și substrat și am putea realiza ridicarea”, a spus Zhang pentru ARS. „Foarte simplu – am putea elimina aceste filme într -o secundă.”
Dar PMN-PT, pe lângă non-lipsa sa inerentă, avea mai multe trucuri în mânecile sale; Avea proprietăți piroelectrice excepționale. Odată ce echipa și-a dat seama că pot fabrica și elimina filmele PMN-PT în voie, au încercat ceva ceva mai complex: un detector de radiații fără infraroșu, fără răcire. „Încercam să obținem performanțe comparabile cu detectoarele răcite”, spune Zhang.
Detectorul pe care l-au construit a fost realizat din 100 de bucăți de filme PMN-PT cu 10 nanometri, fiecare aproximativ 60 de microni pătrați, pe care echipa le-a transferat pe un cip de siliciu. Aceasta a produs un senzor cu infraroșu de 100 de pixeli. Testele cu schimbări din ce în ce mai mici de temperatură au indicat că a depășit sistemele de viziune de noapte de ultimă generație și a fost sensibilă la radiații pe întregul spectru infraroșu. (Mercury Cadmium Telluride detectoare răspund la o bandă mult mai restrânsă de lungimi de undă.)
Dar înainte ca Forța Aeriană a SUA care a finanțat acest studiu să-și obțină spectacolele de vedere termică asemănătoare cu prădătorii-sau chiar senzori de brad super-subțiri, ușor-există câteva provocări rămase de depășit.
Viziune de noapte viitoare?
Senzorii și sistemele lor de răcire singure nu sunt suficiente pentru a construi un sistem bun de viziune pe timp de noapte. „Încă lucrăm pentru a dezvolta acest lucru într-un dispozitiv funcțional de viziune pe timp de noapte. Avem încă nevoie de un design optic pentru a ne concentra lumina asupra detectorului nostru, a unei anumite surse de alimentare, a circuitelor și trebuie să integrăm acest lucru în ochelarii noștri”, spune Zhang.
Ea a spus că, deși straturile de detectare a infraroșilor sunt foarte subțiri, găsirea spațiului pentru toate celelalte părți va fi următoarea problemă de rezolvat în drum spre miniaturizarea dispozitivelor de viziune nocturnă. „Cred că lentilele de contact cu viziune pe timp de noapte vor fi dificile de construit, dar mă aștept ca tehnologia noastră să poată fi folosită pentru a face ceva care arată ca niște spectacole normale”, a sugerat Zhang. Alte aplicații pe care le are în vedere sunt senzori infraroșii care ar putea permite mașinilor autonome să se orienteze mai bine în condiții meteorologice dificile, cum ar fi în timpul unei cele mai mari. Dar putem face multe cu filmele ultra-subțire ușor fabricate.
Zhang consideră că metoda de ridicare atomică dezvoltată de echipa ei poate fi aplicată în alte filme, nu doar la cele care conțin plumb. Echipa ei suspectează că poate induce același efect non-stick folosind plumb în substrat, mai degrabă decât în film. Acest lucru ar trebui să deschidă o cale spre utilizarea lor în senzori purtabili, tranzistoare flexibile sau chiar computere foarte mici. „Dacă putem generaliza această metodă la alte materiale, o putem folosi în multe alte aplicații”, susține Zhang.
Natura, 2025. Doi: 10.1038/s41586-025-08874-7
Jacek Krywko este un scriitor de știință și tehnologie independentă care acoperă explorarea spațială, cercetarea inteligenței artificiale, informatică și tot felul de vrăjitorie de inginerie.
Comentarii recente