Ученые из Политехнического института Ренсселера (RPI) стали ключевыми участниками создания нового метода производства. Он может полностью изменить технологии инфракрасного обнаружения, сделав тепловизоры компактнее, точнее и намного дешевле.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, представляет инновационный метод «атомного отрыва». Он позволяет создавать сверхтонкие кристаллические мембраны, способные улавливать инфракрасное излучение с высокой чувствительностью. При этом им не требуются дорогие и громоздкие системы охлаждения.

Раньше массовое производство таких хрупких мембран тормозила сложная задача: как снять их с подложки, на которой они выращиваются, не повредив. Команде, в которую, помимо специалистов RPI, вошли исследователи из MIT и других университетов, удалось решить эту проблему и добиться высокоточного отслоения мембран.

Наш метод открывает путь к производству детекторов, не требующих охлаждения и способных покрыть весь дальний инфракрасный спектр. Это значительный шаг вперед для всей технологии, — пишут авторы работы.

Сверхтонкие слои кристаллического полупроводникового материала обычно «выращивают» на подложке со схожей кристаллической структурой. Но отделить готовую пленку от основы всегда было крайне сложно. Материалы срастаются настолько прочно, что разделить их, не разрушив хрупкую структуру, почти невозможно.

Один из подходов — создать между пленкой и подложкой специальный промежуточный «слой-жертву», облегчающий отделение, по принципу тефлонового покрытия на сковороде. Но это сильно усложняет и удорожает весь процесс.

Профессор инженерной школы RPI и один из ведущих авторов работы, доктор наук Юньфэн Ши, вместе с коллегами показал, что буферный слой не нужен, если в материале для сверхтонкой пленки содержится свинец. Группа Ши провела компьютерное моделирование, которое доказало: атомы свинца снижают перенос заряда на границе раздела пленки и подложки. Это ослабляет связь между слоями и позволяет провести «атомный отрыв».

Мы доказали, что разделительный слой, используемый в обычном методе, для некоторых систем на самом деле не нужен, — заявил Ши.

С помощью этой техники исследователям удалось наладить массовое производство тонких пленок из материала PMN-PT. Это пироэлектрик, который генерирует электрический ток в ответ на изменение температуры. Ученые достигли рекордной тепловой чувствительности, потому что смогли уменьшить толщину мембран до невероятных 10 нанометров.

Помимо технологий ночного видения, прорыв в чувствительности может привести к прогрессу в биомедицинской и астрономической визуализации. Метод пригодится и в сфере автономного вождения — для улучшения систем обнаружения препятствий в темноте. Исследователи также отмечают, что эту технику можно применять не только для инфракрасных детекторов, но и для многих других типов кристаллических оксидных мембран.

Этот прорыв подчеркивает преобразующую силу, которая рождается на стыке передового синтеза материалов, современных производственных методов и компьютерного моделирования, — отметил декан инженерной школы RPI, доктор наук Шехар Гарде. — Объединив экспериментальную изобретательность с точным моделированием в рамках междисциплинарного сотрудничества, Юньфэн Ши и его коллеги добились того, что годами не удавалось экспертам. Я с нетерпением жду множества практических применений этого открытия.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости демократизации и миниатюризации технологий. Сегодня высокочувствительные инфракрасные датчики — это дорогостоящая и часто громоздкая аппаратура, требующая сложного охлаждения (например, жидким азотом). Если метод «атомного отрыва» удастся масштабировать для промышленного производства, мы получим „тепловое зрение“ в каждом смартфоне, в каждой системе умного дома, в каждой машине. Это возможность для медиков дешево и быстро диагностировать воспаления или проблемы с кровообращением. Для строителей — видеть теплопотери в зданиях без сложного оборудования. Для экологов — отслеживать утечки газов с дронов. Это шаг к тому, чтобы воспринимать тепловой спектр так же легко, как сегодня мы воспринимаем обычный свет.

Основное «узкое место» исследования, которое сами авторы, вероятно, осознают, — это использование свинца. Свинец — токсичный материал, и его применение в массовой электронике накладывает серьезные ограничения из-за экологических норм (таких как директивы RoHS в ЕС). Потребуются дополнительные исследования, чтобы либо найти эффективную и безопасную инкапсуляцию свинца в устройстве, либо открыть другой, нетоксичный элемент, обладающий таким же эффектом ослабления межфазной связи. Кроме того, в статье Nature показан лабораторный успех, но путь до коммерческого продукта, устойчивого к перепадам температур, влажности и механическим воздействиям, может занять годы.

Ранее российские ученые создали систему сканирования для разных температур.