Супертонкі ІЧ-плівки для окулярів з термальним зображенням у стилі “Хижака”

Протягом багатьох десятиліть висококласні прилади нічного бачення покладалися на громіздкі матриці на основі ртутно-кадмієвого телуриду (MCT), охолоджені рідким азотом, щоб досягти високої чутливості в середньо- та довгохвильовому інфрачервоному діапазоні. Нещодавно в журналі Nature команда MIT представила альтернативу: ультратонкі плівки з магнієвого ніобату свинцю та титану (PMN-PT) товщиною всього 10–30 нм. Ці п’єзоелектричні шари працюють при кімнатній температурі, мають повний спектральний діапазон від 3 до 14 мкм і обіцяють зменшити розміри термовізійних систем до формату окулярів.

Виклики виготовлення матеріалів для ІЧ-детекторів

Традиційні детектори MCT досягають температурних різниць, еквівалентних шуму (NETD), нижче 20 мК, пригнічуючи шум Джонсона та фононний шум при 77 К. Охолоджувальні пристрої, такі як кріокулери та вакуумні деваси, можуть додавати 1–2 кг до ваги та споживати десятки ватів. Альтернативи без охолодження, засновані на мікроболометрах або п’єзоелектричних кераміках, таких як турмалін, мають NETD в межах 50–200 мК і повільніший час реакції (100–200 мкс).

Зменшення товщини до кількох нанометрів викликає дві основні проблеми:

• Механічна крихкість: плівки товщиною менше 50 нм схильні до тріщин або зморшок під час відриву.
• Адгезія на межі: сильні ковалентні зв’язки з підкладкою заважають чистому відриву.

Магнієвий ніобат свинцю та титану (PMN-PT): Революційний п’єзоелектрик

PMN-PT є релаксаційним фероїком з високим п’єзоелектричним коефіцієнтом (p ≈ 700 мкК/м²·К) та низькими діелектричними втратами. На відміну від звичайних п’єзо-п’єзоелектриків, його перовскітна решітка витримує розтягування, що робить його ідеальним для прямого епітаксійного росту та відриву. Включивши атоми свинцю в підкладку (а не в якості шару для відриву), команда MIT послабила міжфазні зв’язки та досягла механічного відриву атомно-гладких плівок за частки секунди без графену або жертвувальних полімерних шарів.

Архітектура пристроїв та показники продуктивності

Демонстраційна матриця складається з 100 пікселів, кожен з яких має площу 60 мкм² і товщину 10 нм, перенесених на інтегральну схему зчитування CMOS (ROIC). Основні виміряні параметри включають:

• Спектральна чутливість: 3–14 мкм (повний інфрачервоний діапазон) в порівнянні з 8–12 мкм для MCT.
• NETD: приблизно 18 мК при 300 К, що відповідає або перевищує охолоджені детектори MCT.
• Час реакції: 45 мкс (покращено за рахунок зменшення теплової маси).
• Споживана потужність: менше 5 мВт для електроніки зчитування, без потреби в кріокулері.

Ці показники свідчать про те, що пристрої на основі PMN-PT можуть замінити мікроболометри в аеронаглядових системах, виявленні перешкод для автономних транспортних засобів та енергетичних аудитах будівель.

Масштабованість та аналіз витрат технології атомного відриву

Традиційна віддалена епітаксіальна технологія з графеновими шарами для відриву може коштувати до 1000 доларів за вафер і зазнавати втрат урожайності на рівні 30–40%. Натомість метод з підкладкою, легованою свинцем, зменшує етапи обробки на 50%, скорочує витрати на витратні матеріали на 70% і досягає урожайності понад 90% при обробці 150 мм ваферів. Команда наразі співпрацює з напівпровідниковим заводом для адаптації процесу до платформ 200 мм та 300 мм, використовуючи металлоорганічне хімічне осадження (MOCVD) та епітаксію молекулярного пучка (MBE).

Порівняльний аналіз з новими детекторами на основі 2D-матеріалів

Болометри на основі графену, фотодетектори з чорного фосфору та прототипи FPA на основі квантових точок показали чутливість при кімнатній температурі на рівні 10⁶ В/Вт, але зазвичай мають вузькосмугову роботу або потребують складних гетероструктур. Перевага PMN-PT полягає в його широкосмуговому поглинанні, вродженому п’єзоелектричному підсиленні та сумісності з CMOS, що спрощує інтеграцію в кінцевій стадії.

Потенційні застосування поза військовою сферою

Хоча початкове дослідження фінансувалося ВПС США, комерційні сектори можуть отримати вигоду:

• Доповнення автомобільних LIDAR: ІЧ-камери з можливістю проходження через туман.
• Носимі медичні монітори: картографування температури шкіри з точністю менше 0,1 °C.
• Структурний контроль: термографічне зображення мостів, трубопроводів та сонячних панелей в реальному часі.

Майбутні напрямки та перспективи досліджень

Команда MIT планує:

• Збільшити до мегапіксельних матриць з піксельним кроком 25 мкм.
• Дослідити безсвинцеві перовскіти (наприклад, BaTiO₃, леговані рідкоземельними елементами) для відповідності директивам RoHS.
• Інтегрувати на гнучкі підкладки для конформних зображувальних систем на дронах та роботах.

«Універсалізація підходу атомного відриву для різних перовскітів та 2D-напівпровідників може революціонізувати спосіб виготовлення оптоелектронних датчиків», — зазначає Сіньюань Чжан, провідний автор та доцент матеріалознавства в MIT.

Технічні характеристики в одному погляді

• Товщина плівки: ультратонкі шари PMN-PT товщиною 10–30 нм.
• Температура експлуатації: 20–40 °C (без активного охолодження).
• Спектральний діапазон: 3–14 мкм, повний ІЧ-діапазон.
• NETD: приблизно 18 мК при діафрагмі f/1.0.
• Час реакції: менше 50 мкс.
• Піксельний крок: поточний демонстраційний 60 мкм²; цільовий 25 мкм.
• Зчитування: сумісний з CMOS ROIC, менше 5 мВт на масив 100×100.

Думки експертів

Доктор Сара Лі, старший інженер в Офісі мікросистем DARPA, коментує: «Цей підхід при кімнатній температурі та широкій смузі може стати революційним для легких, енергоефективних платформ спостереження. Особливо вражає простота інтеграції».

Останні досягнення та вплив на індустрію

Одночасно дослідники Стенфордського університету нещодавно продемонстрували плазмонну наноантенну матрицю, яка підвищує ІЧ-поглинання в графені в 10 разів, тоді як консорціум на чолі з Fraunhofer IAF тестує мікроболометри з підтримкою CMOS із NETD менше 20 мК. Всі ці зусилля підкреслюють ширший перехід до неохолоджених, ваферних технологій ІЧ-іміджінгу.