据外媒报道，麻省理工学院（MIT）等机构的研究团队开发出能够感知热量和其他信号的超薄电子薄膜，有助于减少传统护目镜和光学观测设备（scope）的体积。在这项研究中，研究人员开发了一种可以生长和剥脱电子材料的超薄“皮肤”的技术。该方法有望推动新型电子设备发展，例如超薄可穿戴传感器、柔性晶体管及计算元件，以及高灵敏度和紧凑型成像设备。

（图片来源：麻省理工学院）

为了进行演示，该团队制备一种热释电材料薄膜，此类热敏材料可以随温度变化而产生电流。热释电材料越薄，越能感知到细微的热变化。在此过程中，研究人员利用新方法制造出迄今最薄的热释电膜（厚度仅为10纳米），并证明该薄膜对远红外波段的热量和辐射高度敏感。

新开发的薄膜能使远红外（IR）传感设备更轻、更便携且具有高精度，有潜力应用于夜视眼镜和雾天自动驾驶领域。当前的先进远红外传感器需要配备笨重的冷却元件。相比之下，新型热释电薄膜无需冷却，并对更小的温度变化很敏感。研究人员正在探索如何将该薄膜集成至更轻便、更高精度的夜视眼镜。MIT材料科学与工程系（DMSE）研究生Xinyuan Zhang表示：“该薄膜大大降低了重量和成本，这使其轻便易携且更容易集成，例如它可以直接用在眼镜上。”

该热敏膜还可用于环境和生物传感，以及发射远红外辐射的天体物理现象成像。更重要的是，这种剥脱工艺并不局限于热释电材料。研究人员计划将该方法应用于其他超薄高性能半导体薄膜制造领域。

化学剥脱

麻省理工学院Kim团队正在寻找新方法，以制造更小、更薄、更灵活的电子产品。其设想是这种超薄计算“皮肤”可集成于各种应用，包括智能隐形眼镜、可穿戴传感织物，以及可拉伸太阳能电池和可弯曲显示器等。为实现此类器件，研究人员一直在尝试各种方法来生长、剥脱和堆叠半导体元件，以制造超薄、多功能的电子薄膜。

Kim首创的一项技术是“远程外延（remote epitaxy）”，这是一种在单晶基底上生长半导体材料的技术（中间是超薄的石墨烯层）。单晶基底可作为新材料生长的支架，石墨烯层则发挥防粘作用（类似特氟龙），这使研究人员能够轻松剥脱新薄膜，并将其转移到柔性和堆叠式电子器件上。尤为重要的是，剥脱薄膜后的底层基质仍可重复利用，用于制备更多超薄膜。

Kim应用远程外延技术来制备具有各种特性的薄膜。在尝试不同的半导体元件组合时，研究人员偶然发现，一种名为PMN-PT的热释电材料无需中间层辅助即可与基底分离。研究人员只需在单晶基底上直接生长PMN-PT，便可剥脱已生长的薄膜，而不会使其精细的晶格结构撕裂或破损。Zhang表示：“效果出奇地好。我们发现剥脱后的薄膜能达到原子级光滑度。”

晶格剥脱

在这项新研究中，研究人员发现这种材料具有易剥脱特性的关键在于铅。该团队发现，作为其化学结构的一部分，热释电薄膜中的铅原子以有序方式排列，并具有极强的“电子亲和力”，这意味着铅会吸引电子并阻止电荷载流子迁移并连接至其他材料，如底层基质。铅充当微小的不粘单元，使材料可以整体剥脱，从而完好无损。

该团队基于这一发现制备了多个PMN-PT超薄薄膜（每个厚度约为10纳米）。研究人员剥脱热释电薄膜并将其转移至微型芯片上，从而构建包含100个超薄热敏像素的阵列，每个像素面积约60平方微米（约0.006平方厘米）。他们将薄膜暴露于梯度温度变化环境，并发现这些像素对远红外波段的微小温度变化高度敏感。

该热释电阵列的灵敏度可与先进的夜视设备相媲美。目前，这些夜视设备基于光电探测器材料，其中温度变化会诱导该材料的电子跨越能带间隙发生瞬时能量跃迁，随后返回基态。这一电子跃迁过程可转化为表征温度变化的电信号。然而，此类信号易受环境噪声干扰，因此现有光电探测器需集成冷却装置，将仪器降至液氮温度。目前使用的夜视仪和光学观测设备普遍存在笨重且体积大的问题。通过该团队开发的新型热释电基技术，夜视设备无需配备笨重的冷却装置即可实现同等灵敏度。

研究人员还发现，这些薄膜的灵敏度超出了现有夜视设备的探测范围，能够响应整个红外波段的波长。这意味着该薄膜可以集成至轻便易携的小型设备中，以满足不同红外波段的应用需求。例如，当集成至自动驾驶汽车平台时，这些薄膜可以让汽车在完全黑暗或雨雾环境中也能“看见”行人和车辆。该薄膜还可以用于气体传感器，用于实时和现场环境监测，帮助检测污染物。在电子领域，它们可以监测半导体芯片的热变化，从而捕捉元件故障的早期迹象。

该团队表示，这种新剥脱方法可以推广至本身不含铅的材料。通过将类似特氟隆的铅原子注入底层基质，有可能产生类似的剥脱效果。目前，该团队致力于将热释电薄膜集成到实用的夜视系统中。Zhang表示：“我们的设想是，这种超薄膜可以制成高性能夜视镜，因其具有室温广谱红外敏感特性，有望实现无需冷却系统的轻量化设计。要将其转化为实用夜视系统，需将功能性器件阵列与读出电路集成。此外，在各种环境条件下开展测试，对于实际应用十分重要。”