Il materiale 2D può abilitare Ultra

May 05, 2023

Un nuovo tipo di sensore pixel attivoche utilizza un nuovo materiale bidimensionale potrebbe consentire foto ultranitide dei cellulari e creare una nuova classe di sensori Internet of Things (IoT) estremamente efficienti dal punto di vista energetico, secondo un team di ricercatori della Penn State.

"Quando le persone cercano un nuovo telefono, quali sono le specifiche che cercano?" ha affermato Saptarshi Das, professore associato di scienze ingegneristiche e meccanica e autore principale dello studio pubblicato su Nature Materials. "Molto spesso cercano una buona fotocamera. Cosa significa per la maggior parte delle persone una buona fotocamera? Foto nitide e ad alta risoluzione."

La maggior parte delle persone scatta semplicemente una foto di un amico, di una riunione di famiglia o di un evento sportivo, e non pensa mai a cosa succede "dietro le quinte" all'interno del telefono quando si scatta una foto. Secondo Das, ci sono parecchie cose da fare per permetterti di vedere una foto subito dopo averla scattata, e questo implica l'elaborazione delle immagini.

"Quando scatti una foto, molte fotocamere hanno una sorta di elaborazione che avviene nel telefono e, in effetti, questo a volte rende la foto ancora migliore di quella che vedi con i tuoi occhi", ha detto Das. "La prossima generazione di fotocamere dei telefoni integra l'acquisizione delle immagini con l'elaborazione delle immagini per rendere tutto ciò possibile, cosa che non era possibile con le generazioni precedenti di fotocamere."

Tuttavia, le splendide foto scattate con le fotocamere più recenti hanno un problema: l'elaborazione richiede molta energia.

"C'è un costo energetico associato allo scatto di molte immagini", ha affermato Akhil Dodda, assistente di ricerca laureato alla Penn State al momento dello studio, che ora è membro dello staff di ricerca presso Western Digital e co-primo autore dello studio. . "Se scatti 10.000 immagini, va bene, ma qualcuno ne paga i costi energetici. Se riesci a ridurli di cento volte, puoi scattare 100 volte più immagini e comunque spendere la stessa quantità di energia. Rende la fotografia diventa più sostenibile, in modo che le persone possano scattare più selfie e altre foto mentre viaggiano. Ed è proprio qui che entra in gioco l'innovazione nei materiali."

L’innovazione nei materiali delineata nello studio ruota attorno al modo in cui hanno aggiunto l’elaborazione interna ai sensori a pixel attivi per ridurre il loro consumo di energia. Quindi, si sono rivolti a un nuovo materiale 2D, che è una classe di materiali spessi solo uno o pochi atomi, il disolfuro di molibdeno. È anche un semiconduttore ed è sensibile alla luce, il che lo rende ideale come potenziale materiale da esplorare per l'elaborazione delle immagini all'interno del sensore a bassa energia.

"Abbiamo scoperto che il disolfuro di molibdeno ha un'ottima risposta fotosensibile", ha affermato Darsith Jayachandran, assistente di ricerca laureato in ingegneria e meccanica e co-primo autore dello studio. "Da lì, l'abbiamo testato per le altre proprietà che stavamo cercando."

Queste proprietà includevano la sensibilità alla scarsa illuminazione, che è importante per la gamma dinamica del sensore. La gamma dinamica si riferisce alla capacità di "vedere" gli oggetti sia in condizioni di scarsa illuminazione come la luce della luna, sia in condizioni di luce intensa come la luce del sole. L'occhio umano può vedere le stelle di notte meglio della maggior parte delle fotocamere grazie alla gamma dinamica superiore.

Il bisolfuro di molibdeno ha inoltre dimostrato forti capacità di conversione del segnale, conversione da carica a tensione e trasmissione di dati. Ciò rende il materiale un candidato ideale per abilitare un sensore pixel attivo in grado di eseguire sia il rilevamento della luce che l’elaborazione delle immagini nel sensore.

"Da lì, abbiamo inserito i sensori in una serie", ha detto Jayachandran. "Ci sono 900 pixel in una matrice di nove millimetri quadrati che abbiamo sviluppato, e ogni pixel è di circa 100 micrometri. Sono molto più sensibili alla luce rispetto agli attuali sensori CMOS, quindi non richiedono alcun circuito aggiuntivo o consumo di energia. Quindi, ogni pixel richiede molta meno energia per funzionare, e questo significherebbe una migliore fotocamera del cellulare che consuma molta meno batteria."

Secondo Das, la gamma dinamica e l'elaborazione delle immagini consentirebbero agli utenti di scattare foto nitide in una varietà di condizioni avverse per la fotografia.