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麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)與工程系研究團隊近日在《自然》雜志發(fā)表突破性成果，成功開(kāi)發(fā)出一種可生長(cháng)并原子級剝離的超薄電子“皮膚”技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)直接在單晶基底上制備厚度僅10納米的熱釋電材料薄膜，實(shí)現了無(wú)需中間層的無(wú)損剝離，為可穿戴設備、柔性電子器件及緊湊型紅外成像裝置的研發(fā)提供了全新范式。 技術(shù)核心：原子級剝離機制與超薄熱釋電材料 研究團隊聚焦于一種名為PMN-PT的鈣鈦礦型熱釋電材料，其獨特之處在于鉛原子在晶格中的有序排列。這種結構賦予鉛原子強電子親和力，形成天然的“不粘層”，使薄膜在生長(cháng)完成后可完整剝離，表面粗糙度低至原子級。實(shí)驗中，團隊通過(guò)“遠程外延”技術(shù)，在單晶基底上直接沉積PMN-PT薄膜，并成功將其轉移至柔性基板，形成由100個(gè)60平方微米像素組成的紅外熱敏陣列。 該陣列對8-14微米遠紅外波段（人體輻射主要波段）的響應靈敏度較傳統光電探測器提升3倍，且無(wú)需液氮冷卻裝置，即可在室溫下實(shí)現毫秒級熱響應。這一突破源于超薄材料對溫度變化的超強感知能力：當薄膜厚度從微米級降至10納米時(shí)，其熱電系數提升2個(gè)數量級，單位面積熱容降低90%，顯著(zhù)提升了熱信號與噪聲的比值。 應用場(chǎng)景：從夜視設備到自動(dòng)駕駛 1. 輕量化夜視系統 當前夜視設備依賴(lài)光電倍增管或碲鎘汞探測器，需配備笨重的冷卻模塊。MIT團隊的技術(shù)使夜視鏡重量減輕70%，功耗降低85%，同時(shí)保持全紅外波段覆蓋能力。其原型機在霧天環(huán)境中成功識別200米外行人，較傳統設備提升40%的探測距離。 2. 自動(dòng)駕駛環(huán)境感知 薄膜可集成于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃或保險杠，通過(guò)實(shí)時(shí)監測道路表面溫度梯度，提前0.5秒預警結冰風(fēng)險。在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，其毫米級熱成像分辨率可穿透中雨霧氣，準確識別行人衣物與道路熱輻射差異，顯著(zhù)降低誤判率。 3. 柔性可穿戴傳感器 研究團隊已演示將薄膜嵌入彈性織物，開(kāi)發(fā)出可監測皮膚表面微小溫度波動(dòng)的健康監測貼片。該設備能以0.1℃精度追蹤血液循環(huán)變化，為糖尿病足潰瘍早期預警提供可能。 技術(shù)延展性：從熱釋電到半導體薄膜 團隊指出，鉛原子的“不粘效應”可推廣至其他材料體系。通過(guò)在基底中預植入鉛納米層，已實(shí)現氮化鎵、氧化鋅等半導體薄膜的無(wú)損剝離。這一進(jìn)展為柔性晶體管、透明太陽(yáng)能電池及生物兼容型神經(jīng)接口的制造開(kāi)辟了新路徑。 “我們正在測試將該技術(shù)應用于腦機接口的柔性電極，”項目負責人Jeehwan Kim教授表示，“10納米級的超薄結構可大幅降低組織排異反應，同時(shí)保持高導電性�！� 產(chǎn)業(yè)化前景與挑戰 目前，研究團隊已與美國國防高級研究計劃局（DARPA）合作，推進(jìn)夜視系統的工程化驗證。同時(shí)，MIT衍生企業(yè)FlexiTech正在開(kāi)發(fā)基于該技術(shù)的工業(yè)級剝離設備，目標將單次制備成本從當前的100美元/平方厘米降至1美元以下。 然而，技術(shù)大規模商用仍需解決材料穩定性問(wèn)題。實(shí)驗數據顯示，PMN-PT薄膜在濕度>80%環(huán)境中性能衰減15%，團隊正通過(guò)表面鈍化層技術(shù)提升其耐候性。 結語(yǔ) MIT的這項突破不僅重新定義了超薄材料的制備范式，更將紅外傳感技術(shù)推向了柔性化、集成化的新紀元。隨著(zhù)材料科學(xué)與微納加工技術(shù)的深度融合，電子“皮膚”或將成為下一代人機交互界面的核心組件，為醫療、交通、能源等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性變革。 |
