（來源：MIT Technology Review）
熱釋電材料是一種極性晶體，晶體中存在著自發極化。當溫度變化時，自發極化強度也會發生變化，從而在表面產生電荷。因此，熱釋電材料廣泛應用於熱感測、熱成像、熱能收集等領域。
近日，麻省理工學院的工程師們開發了一種新技術，能夠製造厚度僅為 10 奈米的熱釋電材料。該薄膜對遠紅外光譜的熱量和輻射高度敏感，有望幫助解決長期存在的光學感測難題，例如製造輕量級夜視眼鏡，以及改進自動駕駛汽車在惡劣條件下的導航效能。
相關研究以題為“Atomic lift-off of epitaxial membranes for cooling-free infrared detection”發表在 Nature 期刊。
熱釋電材料是一類熱感應材料，可響應溫度變化而產生電流。熱釋電材料越薄，它就越能更好地感知細微的熱變化。
為了尋找製造更小、更薄、更靈活的電子產品的新方法。研究人員設想開發一種超薄電子“皮膚”可以融入各種裝置，從智慧隱形眼鏡、可穿戴感測織物，到彈性太陽能電池和可彎曲顯示器。為了實現這樣的裝置，團隊一直在嘗試各種方法來生長、剝離和堆疊半導體元件，以製造超薄、多功能的電子薄膜。
他們首創的一種稱為“遠端外延”的方法——一種在單晶基底上生長半導體材料，並在其間放置一層超薄石墨烯的技術。基底的晶體結構充當支架，新材料可以沿著其生長。石墨烯起到類似特氟龍的不粘層的作用，使研究人員可以輕鬆剝離新薄膜並將其轉移到柔性和堆疊的電子裝置上。剝離新薄膜後，底層基底可以重複使用，用於製作其他薄膜。
麻省理工學院材料科學與工程系教授 Jeehwan Kim 已應用遠端外延技術來製備具有各種特性的薄膜。在嘗試不同的半導體元件組合時偶然發現，一種名為 PMN-PT 的熱釋電材料無需中間層輔助即可與基底分離。只需在單晶基板上直接生長 PMN-PT，研究人員便可移除生長的薄膜，而不會對其精細的晶格造成任何撕裂或撕裂。
“效果出奇的好，我們發現剝離後的薄膜光滑到原子級。”這項研究的主要作者 Xinyuan Zhang 表示。
在這項新研究中，麻省理工學院和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員仔細研究了這一過程，發現這種材料易剝離特性的關鍵是鉛。作為其化學結構的一部分，該團隊與倫斯勒理工學院的同事一起發現，熱釋電薄膜包含有序排列的鉛原子，這些鉛原子具有較大的“電子親和力”，這意味著鉛會吸引電子，並阻止電荷載流子移動並連線到其他材料，例如底層基板。鉛充當了微小的不粘裝置，使整個材料可以完好無損地剝離。
該團隊在實現這一目標後執行並製造了多層 PMN-PT 超薄薄膜，每層薄膜的厚度約為 10 奈米。他們剝下熱釋電薄膜並將它們轉移到一個小晶片上，形成一個由 100 個超薄熱感應畫素組成的陣列，每個畫素約為 60 平方微米（約 0.006 平方釐米）。他們將薄膜暴露在細微的溫度的變化中，發現這些畫素對遠紅外光譜中的微小變化高度敏感。
熱釋電陣列的靈敏度可與最先進的夜視裝置相媲美。這些裝置目前基於光電探測器材料，其中溫度的變化會誘導材料的電子躍遷能量並短暫地穿過能量“帶隙”，然後穩定回到基態。這種電子躍遷作為溫度變化的電訊號。然而，該訊號可能會受到環境噪聲的影響，為了防止這種影響，光電探測器還必須包括冷卻裝置，使儀器降至液氮溫度。
目前的夜視鏡和瞄準鏡又重又笨重。藉助該小組基於熱釋電技術的新方法，夜視儀可以在沒有冷卻裝置的情況下具有相同的靈敏度。
研究人員還發現，這些薄膜的靈敏度超出了當前夜視裝置的探測範圍，並且可以對整個紅外光譜中的波長做出反應。這表明這些薄膜可以整合到小型、輕便和行動式裝置中，用於需要不同紅外區域的各種應用。例如，當整合到自動駕駛汽車平臺中時，這些薄膜可以使汽車在完全黑暗或有霧和下雨的情況下“看到”行人和車輛。
該薄膜還可用於氣體感測器，用於即時現場環境監測，幫助檢測汙染物。在電子產品領域，他們可以監測半導體晶片中的熱量變化，以捕捉元件故障的早期跡象。
該團隊表示，新的剝離方法可以推廣到本身不含鉛的材料。在這些情況下，研究人員懷疑他們可以將類似特氟龍的鉛原子注入底層基板中，以產生類似的剝離效果。目前，該團隊正在積極努力將熱釋電薄膜整合到夜視系統中。
“考慮到我們的超薄薄膜在室溫下的廣譜紅外靈敏度，我們可以設想我們的超薄薄膜可以製成高效能夜視鏡，這允許在沒有冷卻系統的情況下實現輕量化設計，要將其製成夜視系統，應將功能性器件陣列與讀出電路整合在一起。此外，在各種環境條件下進行測試對於實際應用至關重要。”Xinyuan Zhang 表示。
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/new-electronic-skin-could-enable-lightweight-night-vision-glasses-0423