Los investigadores construyen una cámara funcional a partir de semiconductores atómicamente delgados

Mar 09, 2024

John Timmer - 18 de noviembre de 2022 8:51 pm UTC

Desde el aislamiento del grafeno, hemos identificado una serie de materiales que forman láminas atómicamente delgadas. Al igual que el grafeno, algunas de estas láminas están formadas por un solo elemento; otros se forman a partir de sustancias químicas donde los enlaces atómicos crean naturalmente una estructura en forma de lámina. Muchos de estos materiales tienen propiedades distintas. Si bien el grafeno es un excelente conductor de electricidad, muchos otros son semiconductores. Y es posible ajustar aún más sus propiedades en función de cómo se organizan las capas de una pila de varias hojas.

Dadas todas esas opciones, no debería sorprender a nadie que los investigadores hayan descubierto cómo fabricar productos electrónicos a partir de estos materiales, incluida la memoria flash y los transistores más pequeños jamás fabricados, según algunas medidas. La mayoría de ellas, sin embargo, son demostraciones de la capacidad de fabricar hardware: no están integradas en un dispositivo útil. Pero un equipo de investigadores ha demostrado ahora que es posible ir más allá de simples demostraciones construyendo un sensor de imágenes de 900 píxeles utilizando un material atómicamente delgado.

Actualmente, la mayoría de los sensores de imagen consisten en semiconductores de silicio estándar, fabricados mediante los procesos habituales de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS). Pero es posible sustituir el silicio por otro semiconductor. En este caso, los investigadores utilizaron disulfuro de molibdeno, un material atómicamente delgado que se ha utilizado mucho en dispositivos experimentales.

Para utilizar esto en un dispositivo, los investigadores comenzaron cultivando una lámina de una sola capa de disulfuro de molibdeno sobre un sustrato de zafiro mediante deposición de vapor. Luego lo sacaron del zafiro y lo bajaron sobre una superficie de dióxido de silicio previamente creada que ya tenía algunos cables grabados. Luego se depositó más cableado encima.

El resultado final de este proceso fue una cuadrícula de dispositivos de 30 por 30, donde cada dispositivo consta de una fuente y un electrodo de drenaje conectados por una lámina de disulfuro de molibdeno. Cuando se iluminan, cada uno de estos dispositivos captaría cargas perdidas, lo que afectaría su capacidad para transmitir corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje. Esa diferencia de resistencia proporciona una medida de la cantidad de luz a la que estuvo expuesto el dispositivo, lo que permite reconstruir la información de la imagen.

Si bien las cargas que se acumulan después de la exposición a la luz desaparecen lentamente por sí solas, la mayoría de los dispositivos las eliminan activamente aplicando un fuerte voltaje entre la fuente y los electrodos de drenaje.

Al comparar esto con un sensor de silicio estándar, la historia es un poco contradictoria: mejor en algunos aspectos, notablemente peor en otros. Lo bueno es que los dispositivos requieren muy poca energía para funcionar; Los investigadores estiman que se necesitan menos de un picojulio por píxel durante las operaciones. Restablecer el dispositivo sigue siendo un proceso simple de aplicar una gran diferencia de voltaje a través de la lámina de disulfuro de molibdeno.

Los investigadores descubrieron que aplicar un voltaje mucho menor a través del disulfuro de molibdeno podría sensibilizarlo a la luz. Esto permite un ajuste sencillo de la sensibilidad señal-ruido de los sensores de imagen mientras están en funcionamiento. Normalmente, esto requiere una buena cantidad de circuitos externos en hardware de imágenes basado en silicio, con el correspondiente aumento en la complejidad de fabricación y el uso de energía durante la toma de imágenes. Entonces, este dispositivo ofrece un par de ventajas.

Lo que no ofrece es velocidad. Si bien la respuesta inicial a la luz se puede registrar en tan sólo 100 nanosegundos, una exposición completa y de alto contraste tarda unos segundos, por color. Entonces, una exposición azul toma más de dos segundos y el canal rojo necesita casi 10 segundos para una exposición completa. Por lo tanto, no espere utilizar esto para grabar algunos videos rápidos en su teléfono celular.

Por supuesto, esto no significa que sea inútil; simplemente limita para qué es útil. Hay muchas aplicaciones en las que la energía es una limitación más importante que el tiempo, como los sensores ambientales y similares (las personas que las desarrollaron están entusiasmadas con las aplicaciones de IoT). Pero la historia más importante aquí puede ser que los investigadores construyeron un dispositivo bastante grande y complicado que se basa en un material atómicamente delgado.

Nature Materials, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01398-9 (Acerca de los DOI).