I ricercatori costruiscono una fotocamera funzionante con semiconduttori atomicamente sottili

Mar 09, 2024

John Timmer - 18 novembre 2022 20:51 UTC

Dall'isolamento del grafene, abbiamo identificato una serie di materiali che formano fogli atomicamente sottili. Come il grafene, alcuni di questi fogli sono costituiti da un unico elemento; altri si formano da sostanze chimiche in cui i legami atomici creano naturalmente una struttura simile a un foglio. Molti di questi materiali hanno proprietà distinte. Mentre il grafene è un eccellente conduttore di elettricità, molti altri sono semiconduttori. Ed è possibile ottimizzare ulteriormente le loro proprietà in base a come disponi gli strati di una pila di più fogli.

Date tutte queste opzioni, non dovrebbe sorprendere nessuno che i ricercatori siano riusciti a capire come realizzare componenti elettronici con questi materiali, tra cui la memoria flash e i transistor più piccoli mai realizzati, attraverso alcune misure. La maggior parte di questi, tuttavia, sono dimostrazioni della capacità di realizzare l'hardware: non sono integrati in un dispositivo utile. Ma un team di ricercatori ha ora dimostrato che è possibile andare oltre le semplici dimostrazioni costruendo un sensore di imaging da 900 pixel utilizzando un materiale atomicamente sottile.

La maggior parte dei sensori di immagine attualmente sono costituiti da semiconduttori di silicio standard, prodotti utilizzando i consueti processi CMOS (semiconduttori di ossido di metallo complementare). Ma è possibile sostituire il silicio con un altro semiconduttore. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato disolfuro di molibdeno, un materiale atomicamente sottile che ha visto molto utilizzo nei dispositivi sperimentali.

Per utilizzarlo in un dispositivo, i ricercatori hanno iniziato coltivando un foglio a strato singolo di bisolfuro di molibdeno su un substrato di zaffiro utilizzando la deposizione di vapore. È stato quindi sollevato dallo zaffiro e abbassato su una superficie di biossido di silicio precedentemente realizzata su cui erano già incisi alcuni cavi. Successivamente è stato depositato ulteriore cablaggio.

Il risultato finale di questo processo è stata una griglia di dispositivi 30 x 30, in cui ciascun dispositivo è costituito da un elettrodo di sorgente e di drenaggio collegati da un foglio di bisolfuro di molibdeno. Quando illuminati, ciascuno di questi dispositivi raccoglierebbe cariche vaganti, che influenzerebbero la loro capacità di trasmettere corrente tra gli elettrodi di sorgente e di scarico. Questa differenza di resistenza fornisce una misura della quantità di luce a cui è stato esposto il dispositivo, consentendo la ricostruzione delle informazioni sull’immagine.

Mentre le cariche che si accumulano dopo l'esposizione alla luce scompaiono lentamente da sole, la maggior parte dei dispositivi le elimina attivamente applicando una forte tensione tra gli elettrodi di sorgente e di scarico.

Confrontandolo con un sensore in silicio standard, la storia è un po' mista: migliore in alcuni sensi, notevolmente peggiore in altri. Il lato positivo è che i dispositivi richiedono una potenza notevolmente ridotta per funzionare; i ricercatori stimano che occorra meno di un picoJoule per pixel durante le operazioni. Il ripristino del dispositivo rimane un processo semplice che prevede l'applicazione di una grande differenza di tensione sul foglio di bisolfuro di molibdeno.

I ricercatori hanno scoperto che l’applicazione di una tensione molto più piccola ai capi del disolfuro di molibdeno potrebbe sensibilizzarlo alla luce. Ciò consente una semplice regolazione della sensibilità segnale-rumore dei sensori di immagine durante il funzionamento. Normalmente, ciò richiede una discreta quantità di circuiti esterni su hardware di imaging basato su silicio, con un corrispondente aumento della complessità di produzione e del consumo energetico durante l'imaging. Quindi, questo dispositivo offre un paio di vantaggi.

Ciò che non offre è la velocità. Mentre la risposta iniziale alla luce può essere registrata in soli 100 nanosecondi, un'esposizione completa e ad alto contrasto richiede pochi secondi, per colore. Pertanto, un'esposizione al blu richiede più di due secondi e il canale rosso richiede quasi 10 secondi per un'esposizione completa. Quindi, non aspettarti di usarlo per catturare alcuni video veloci sul tuo cellulare.

Naturalmente, questo non significa che sia inutile; limita solo ciò per cui è utile. Esistono molte applicazioni in cui la potenza rappresenta un vincolo più significativo del tempo, come i sensori ambientali e simili (le persone che l'hanno sviluppato sono entusiaste delle applicazioni IoT). Ma la notizia più importante qui potrebbe essere che i ricercatori hanno costruito un dispositivo abbastanza grande e complicato che si basa su materiale atomicamente sottile.