Esquema que muestra la configuración para caracterizar un dispositivo piroeléctrico fabricado basado en membranas independientes habilitadas para ALO. Crédito: Naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08874-7. https://www.nature.com/articles/s41586-025-08874-7
Los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para cultivar y pelar las “pieles” ultrafinas del material electrónico. El método podría allanar el camino para nuevas clases de dispositivos electrónicos, como sensores portátiles ultrafinos, transistores flexibles y elementos informáticos, y dispositivos de imagen altamente sensibles y compactos.
Como demostración, el equipo fabricó una membrana delgada de material piroeléctrico, una clase de material de detección de calor que produce una corriente eléctrica en respuesta a los cambios de temperatura. Cuanto más delgado sea el material piroeléctrico, mejor será para detectar variaciones térmicas sutiles.
Con su nuevo método, el equipo fabricó la membrana piroeléctrica más delgada hasta ahora, midiendo 10 nanómetros de espesor, y demostró que la película es altamente sensible al calor y la radiación a través del espectro de infrarrojo lejano.
La película recientemente desarrollada podría permitir dispositivos de detección de infrarrojo (IR) más ligeros, más portátiles y altamente precisos, con posibles aplicaciones para gafas de visión nocturna y conducción autónoma en condiciones de niebla.
Los sensores actuales de IR de última generación requieren elementos de enfriamiento voluminosos. En contraste, la nueva película delgada piroeléctrica no requiere enfriamiento y es sensible a cambios mucho más pequeños en la temperatura. Los investigadores están explorando formas de incorporar la película en gafas más ligeras y de visión nocturna de mayor precisión.
“Esta película reduce considerablemente peso y costo, lo que lo hace liviano, portátil y más fácil de integrar”, dijo Xinyuan Zhang, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT. “Por ejemplo, podría usarse directamente en gafas”.
La película de detección del calor también podría tener aplicaciones en la detección ambiental y biológica, así como las imágenes de fenómenos astrofísicos que emiten radiación de infrarrojo lejano.
Además, la nueva técnica de despegue es generalizable más allá de los materiales piroeléctricos. Los investigadores planean aplicar el método para hacer otras películas semiconductoras de alto rendimiento y de alto rendimiento.
Sus resultados se informan en un artículo que aparece en la revista Nature. The study’s MIT co-authors are first author Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, and Jeehwan Kim, associate professor of mechanical engineering and of materials science and engineering, along with researchers at the University Wisconsin at Madison led by Professor Chang-Beom Eom y autores de varias otras instituciones.
Cáscara química
El grupo de Kim en el MIT está encontrando nuevas formas de hacer electrónica más pequeña, más delgada y más flexible. Imaginan que tales “pieles” ultrafinas se pueden incorporar a todo, desde lentes de contacto inteligentes y telas de detección de portátiles hasta células solares elásticas y pantallas flexibles.
Para realizar tales dispositivos, Kim y sus colegas han estado experimentando con los métodos para crecer, pelar y acumular elementos semiconductores, para fabricar membranas de películas delgadas ultrafinas y multifuncionales.
Un método que Kim ha sido pionero es la “epitaxia remota”, una técnica en la que los materiales semiconductores se cultivan en un sustrato cristalino único, con una capa ultrafina de grafeno en el medio. La estructura cristalina del sustrato sirve como un andamio a lo largo del cual el nuevo material puede crecer.
El grafeno actúa como una capa antiadherente, similar al teflón, lo que facilita a los investigadores despegar la nueva película y transferirla a dispositivos electrónicos flexibles y apilados. Después de despegar la nueva película, el sustrato subyacente se puede reutilizar para hacer películas delgadas adicionales.
Kim ha aplicado una epitaxia remota para fabricar películas delgadas con varias características. Al probar diferentes combinaciones de elementos semiconductores, los investigadores notaron que un cierto material piroeléctrico, llamado PMN-PT, no requería una asistencia de capa intermedia para separarse de su sustrato.
Simplemente cultivando PMN-PT directamente en un sustrato de cristal único, los investigadores podrían eliminar la película cultivada, sin rasgaduras ni lágrimas a su delicada red.
“Funcionó sorprendentemente bien”, dice Zhang. “Encontramos que la película pelada es atómicamente suave”.
Despegue de la red
En su nuevo estudio, el MIT y los investigadores de UW Madison analizaron el proceso y descubrieron que la clave de la propiedad de un orineo fácil del material era el plomo.
Como parte de su estructura química, el equipo, junto con sus colegas del Instituto Politécnico de Rensselaer, descubrió que la película piroeléctrica contiene una disposición ordenada de átomos de plomo que tienen una gran “afinidad electrónica”, lo que significa que el plomo atrae a los electrones y evita que los portadores de carga viajen y se conecten a otros materiales como un sustrato subyacente. El plomo actúa como pequeñas unidades antiadherentes, lo que permite que el material en su conjunto se despegue, perfectamente intacto.
El equipo corrió con la realización y fabricó múltiples películas ultrafinas de PMN-PT, cada una de unos 10 nanómetros delgadas. Se despegaron de películas piroeléctricas y las transferieron a un pequeño chip para formar una variedad de 100 píxeles de detección de calor ultrafina, cada uno de aproximadamente 60 micras cuadradas (aproximadamente .006 centímetros cuadrados). Expusieron las películas a cambios en la temperatura cada vez más delgados y descubrieron que los píxeles eran altamente sensibles a pequeños cambios en el espectro de infrarrojo lejano.
La sensibilidad de la matriz piroeléctrica es comparable a la de los dispositivos de visión nocturna de última generación. Estos dispositivos se basan actualmente en materiales de fotodetector, en los que un cambio de temperatura induce a los electrones del material a saltar en energía y cruzar brevemente una “brecha de banda” de energía antes de volver a su estado fundamental.
Este salto de electrones sirve como una señal eléctrica del cambio de temperatura. Sin embargo, esta señal puede verse afectada por el ruido en el entorno y para evitar tales efectos, los fotodetectores también deben incluir dispositivos de enfriamiento que reduzcan los instrumentos a temperaturas de nitrógeno líquido.
Las gafas y los ámbitos de la visión nocturna actuales son pesadas y voluminosas. Con el nuevo enfoque basado en piroeléctrico del grupo, los NVD podrían tener la misma sensibilidad sin el peso de enfriamiento.
Los investigadores también encontraron que las películas eran sensibles más allá del rango de dispositivos de visión nocturna actuales y podrían responder a las longitudes de onda en todo el espectro infrarrojo.
Esto sugiere que las películas podrían incorporarse en dispositivos pequeños, livianos y portátiles para diversas aplicaciones que requieren diferentes regiones infrarrojas. Por ejemplo, cuando se integran en plataformas de vehículos autónomos, las películas podrían permitir que los automóviles “se ve” de peatones y vehículos en completa oscuridad o en condiciones de neblina y lluviosa.
La película también podría usarse en sensores de gas para el monitoreo ambiental en tiempo real y en el sitio, ayudando a detectar contaminantes. En electrónica, podrían monitorear los cambios de calor en las chips de semiconductores para atrapar signos tempranos de elementos que funcionan mal.
El equipo dice que el nuevo método de despegue se puede generalizar a materiales que pueden no contener plomo. En esos casos, los investigadores sospechan que pueden infundir átomos de plomo similar al de teflón en el sustrato subyacente para inducir un efecto de desplazamiento similar. Por ahora, el equipo está trabajando activamente para incorporar las películas piroeléctricas en un sistema funcional de visión nocturna.
“Imaginamos que nuestras películas ultrafinas podrían convertirse en gafas de visión nocturna de alto rendimiento, considerando su sensibilidad infrarroja de amplio espectro a temperatura ambiente, lo que permite un diseño liviano sin un sistema de enfriamiento”, dice Zhang.
“Para convertir esto en un sistema de visión nocturna, una matriz de dispositivos funcionales debe integrarse con los circuitos de lectura. Además, las pruebas en condiciones ambientales variadas son esenciales para aplicaciones prácticas”.
Más información: Jeehwan Kim, despegue atómico de membranas epitaxiales para la detección de infrarrojos sin enfriamiento, naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08874-7. www.nature.com/articles/s41586-025-08874-7
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.
Cita: la nueva ‘piel’ electrónica podría habilitar gafas livianas de visión nocturna (2025, 23 de abril) recuperado el 23 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-ectronic-skin-endable-lightwightwight.html
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