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麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)與工程系研究團(tuán)隊(duì)近日在《自然》雜志發(fā)表突破性成果，成功開發(fā)出一種可生長并原子級(jí)剝離的超薄電子“皮膚”技術(shù)。該技術(shù)通過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(xiàn)了無需中間層的無損剝離，為可穿戴設(shè)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(jí)剝離機(jī)制與超薄熱釋電材料 研究團(tuán)隊(duì)聚焦于一種名為PMN-PT的鈣鈦礦型熱釋電材料，其獨(dú)特之處在于鉛原子在晶格中的有序排列。這種結(jié)構(gòu)賦予鉛原子強(qiáng)電子親和力，形成天然的“不粘層”，使薄膜在生長完成后可完整剝離，表面粗糙度低至原子級(jí)。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過“遠(yuǎn)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(zhuǎn)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(duì)8-14微米遠(yuǎn)紅外波段（人體輻射主要波段）的響應(yīng)靈敏度較傳統(tǒng)光電探測(cè)器提升3倍，且無需液氮冷卻裝置，即可在室溫下實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)熱響應(yīng)。這一突破源于超薄材料對(duì)溫度變化的超強(qiáng)感知能力：當(dāng)薄膜厚度從微米級(jí)降至10納米時(shí)，其熱電系數(shù)提升2個(gè)數(shù)量級(jí)，單位面積熱容降低90%，顯著提升了熱信號(hào)與噪聲的比值。 應(yīng)用場(chǎng)景：從夜視設(shè)備到自動(dòng)駕駛 1. 輕量化夜視系統(tǒng) 當(dāng)前夜視設(shè)備依賴光電倍增管或碲鎘汞探測(cè)器，需配備笨重的冷卻模塊。MIT團(tuán)隊(duì)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(jī)在霧天環(huán)境中成功識(shí)別200米外行人，較傳統(tǒng)設(shè)備提升40%的探測(cè)距離。 2. 自動(dòng)駕駛環(huán)境感知 薄膜可集成于汽車擋風(fēng)玻璃或保險(xiǎn)杠，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路表面溫度梯度，提前0.5秒預(yù)警結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中，其毫米級(jí)熱成像分辨率可穿透中雨霧氣，準(zhǔn)確識(shí)別行人衣物與道路熱輻射差異，顯著降低誤判率。 3. 柔性可穿戴傳感器 研究團(tuán)隊(duì)已演示將薄膜嵌入彈性織物，開發(fā)出可監(jiān)測(cè)皮膚表面微小溫度波動(dòng)的健康監(jiān)測(cè)貼片。該設(shè)備能以0.1℃精度追蹤血液循環(huán)變化，為糖尿病足潰瘍?cè)缙陬A(yù)警提供可能。 技術(shù)延展性：從熱釋電到半導(dǎo)體薄膜 團(tuán)隊(duì)指出，鉛原子的“不粘效應(yīng)”可推廣至其他材料體系。通過在基底中預(yù)植入鉛納米層，已實(shí)現(xiàn)氮化鎵、氧化鋅等半導(dǎo)體薄膜的無損剝離。這一進(jìn)展為柔性晶體管、透明太陽能電池及生物兼容型神經(jīng)接口的制造開辟了新路徑。 “我們正在測(cè)試將該技術(shù)應(yīng)用于腦機(jī)接口的柔性電極，”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jeehwan Kim教授表示，“10納米級(jí)的超薄結(jié)構(gòu)可大幅降低組織排異反應(yīng)，同時(shí)保持高導(dǎo)電性。” 產(chǎn)業(yè)化前景與挑戰(zhàn) 目前，研究團(tuán)隊(duì)已與美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）合作，推進(jìn)夜視系統(tǒng)的工程化驗(yàn)證。同時(shí)，MIT衍生企業(yè)FlexiTech正在開發(fā)基于該技術(shù)的工業(yè)級(jí)剝離設(shè)備，目標(biāo)將單次制備成本從當(dāng)前的100美元/平方厘米降至1美元以下。 然而，技術(shù)大規(guī)模商用仍需解決材料穩(wěn)定性問題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，PMN-PT薄膜在濕度>80%環(huán)境中性能衰減15%，團(tuán)隊(duì)正通過表面鈍化層技術(shù)提升其耐候性。 結(jié)語 MIT的這項(xiàng)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(jì)元。隨著材料科學(xué)與微納加工技術(shù)的深度融合，電子“皮膚”或?qū)⒊蔀橄乱淮藱C(jī)交互界面的核心組件，為醫(yī)療、交通、能源等領(lǐng)域帶來顛覆性變革。 |
