Исследователи построили работающую камеру из атомарно тонких полупроводников

Nov 25, 2023

Джон Тиммер — 18 ноября 2022 г., 20:51 UTC

С момента выделения графена мы идентифицировали ряд материалов, которые образуют атомарно тонкие листы. Как и графен, некоторые из этих листов состоят из одного элемента; другие образуются из химических веществ, где атомные связи естественным образом создают листовидную структуру. Многие из этих материалов имеют особые свойства. Хотя графен является отличным проводником электричества, ряд других материалов являются полупроводниками. И их свойства можно дополнительно настроить в зависимости от того, как вы упорядочиваете слои стопки из нескольких листов.

Учитывая все эти возможности, никого не должно удивлять, что исследователи выяснили, как сделать электронику из этих материалов, включая флэш-память и самые маленькие транзисторы, когда-либо созданные, по некоторым меркам. Однако большинство из них являются демонстрацией возможностей создания аппаратного обеспечения — они не интегрированы в полезное устройство. Но теперь группа исследователей продемонстрировала, что можно выйти за рамки простых демонстраций, создав датчик изображения с разрешением 900 пикселей из атомарно тонкого материала.

Большинство датчиков изображения в настоящее время состоят из стандартных кремниевых полупроводников, изготовленных с использованием обычных процессов комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП). Но кремний можно заменить другим полупроводником. В этом случае исследователи использовали дисульфид молибдена, атомарно тонкий материал, который широко использовался в экспериментальных устройствах.

Чтобы использовать это в устройстве, исследователи начали с выращивания однослойного листа дисульфида молибдена на сапфировой подложке методом осаждения из паровой фазы. Затем его подняли с сапфира и опустили на ранее изготовленную поверхность из диоксида кремния, на которой уже были выгравированы провода. Далее сверху укладывалась проводка.

Конечным результатом этого процесса стала сетка устройств 30 на 30, где каждое устройство состоит из электрода истока и стока, соединенных листом дисульфида молибдена. При освещении каждое из этих устройств будет собирать паразитные заряды, что повлияет на их способность передавать ток между электродами истока и стока. Эта разница в сопротивлении позволяет измерить количество света, которому подверглось устройство, что позволяет восстановить информацию об изображении.

Хотя заряды, которые накапливаются после воздействия света, постепенно исчезают сами по себе, большинство устройств активно их очищают, прикладывая сильное напряжение между электродами истока и стока.

Если сравнивать его со стандартным кремниевым датчиком, то ситуация неоднозначная: в чем-то лучше, в чем-то заметно хуже. С другой стороны, для работы устройств требуется удивительно мало энергии; По оценкам исследователей, во время операций требуется менее пикоджоуля на пиксель. Сброс устройства остается простым процессом подачи большой разницы напряжений на лист дисульфида молибдена.

Исследователи обнаружили, что приложение гораздо меньшего напряжения к дисульфиду молибдена может повысить его чувствительность к свету. Это позволяет легко регулировать соотношение сигнал/шум датчиков изображения во время работы. Обычно для этого требуется значительное количество внешних схем на кремниевом оборудовании для обработки изображений, что приводит к соответствующему увеличению сложности производства и энергопотребления во время обработки изображений. Итак, это устройство предлагает несколько преимуществ.

Чего он не предлагает, так это скорости. Хотя первоначальную реакцию на свет можно зарегистрировать всего за 100 наносекунд, полная высококонтрастная экспозиция занимает секунды — для каждого цвета. Так, экспозиция синего цвета занимает более двух секунд, а красному каналу для полной экспозиции требуется почти 10 секунд. Так что не ждите, что вы сможете использовать его для записи быстрых видеороликов на свой мобильный телефон.

Конечно, это не значит, что это бесполезно; это просто ограничивает то, для чего это полезно. Существует множество приложений, в которых мощность является более существенным ограничением, чем время, например, датчики окружающей среды и тому подобное (люди, которые их разработали, в восторге от приложений IoT). Но более важная история здесь может заключаться в том, что исследователи создали довольно большое и сложное устройство, основанное на атомарно тонком материале.