Pesquisadores constroem uma câmera funcional com semicondutores atomicamente finos

Nov 25, 2023

John Timmer - 18 de novembro de 2022 20h51 UTC

Desde o isolamento do grafeno, identificamos vários materiais que formam folhas atomicamente finas. Assim como o grafeno, algumas dessas folhas são feitas de um único elemento; outros se formam a partir de produtos químicos onde as ligações atômicas criam naturalmente uma estrutura semelhante a uma folha. Muitos desses materiais têm propriedades distintas. Embora o grafeno seja um excelente condutor de eletricidade, vários outros são semicondutores. E é possível ajustar ainda mais suas propriedades com base em como você organiza as camadas de uma pilha de várias folhas.

Dadas todas essas opções, não deveria surpreender ninguém que os pesquisadores tenham descoberto como fazer eletrônicos a partir desses materiais, incluindo memória flash e os menores transistores já fabricados, em algumas medidas. A maioria deles, entretanto, são demonstrações da capacidade de fabricar o hardware – eles não estão integrados em um dispositivo útil. Mas uma equipe de pesquisadores demonstrou agora que é possível ir além de simples demonstrações construindo um sensor de imagem de 900 pixels usando um material atomicamente fino.

A maioria dos sensores de imagem atualmente consiste em semicondutores de silício padrão, fabricados usando os processos usuais de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Mas é possível substituir o silício por outro semicondutor. Nesse caso, os pesquisadores usaram dissulfeto de molibdênio, um material atomicamente fino que tem sido muito utilizado em dispositivos experimentais.

Para usar isso em um dispositivo, os pesquisadores começaram cultivando uma folha de dissulfeto de molibdênio de camada única em um substrato de safira usando deposição de vapor. Ele foi então retirado da safira e baixado sobre uma superfície de dióxido de silício previamente feita que já tinha alguns fios gravados nela. Mais fiação foi então depositada no topo.

O resultado final deste processo foi uma grade de dispositivos de 30 por 30, onde cada dispositivo consiste em um eletrodo de fonte e dreno conectado por uma folha de dissulfeto de molibdênio. Quando iluminados, cada um desses dispositivos captaria cargas perdidas, o que afetaria sua capacidade de transmitir corrente entre os eletrodos fonte e dreno. Essa diferença na resistência fornece uma medida de quanta luz o dispositivo foi exposto, permitindo a reconstrução das informações da imagem.

Embora as cargas que se acumulam após a exposição à luz desapareçam lentamente por conta própria, a maioria dos dispositivos as elimina ativamente aplicando uma forte tensão entre os eletrodos de fonte e de dreno.

Ao comparar isso com um sensor de silício padrão, a história é um pouco confusa: melhor em alguns aspectos, notavelmente pior em outros. O lado bom é que os dispositivos requerem muito pouca energia para funcionar; os pesquisadores estimam que seja necessário menos de um picoJoule por pixel durante as operações. A reinicialização do dispositivo continua sendo um processo simples de aplicação de uma grande diferença de tensão na folha de dissulfeto de molibdênio.

Os pesquisadores descobriram que a aplicação de uma voltagem muito menor ao dissulfeto de molibdênio poderia sensibilizá-lo à luz. Isto permite um ajuste simples da sensibilidade sinal-ruído dos sensores de imagem durante a operação. Normalmente, isso requer uma quantidade razoável de circuitos externos em hardware de imagem baseado em silício, com um aumento correspondente na complexidade de fabricação e no uso de energia durante a geração de imagens. Portanto, este dispositivo oferece algumas vantagens.

O que não oferece é velocidade. Embora a resposta inicial à luz possa ser registrada em apenas 100 nanossegundos, uma exposição completa e de alto contraste leva segundos – por cor. Portanto, uma exposição azul leva mais de dois segundos e o canal vermelho precisa de quase 10 segundos para uma exposição completa. Portanto, não espere usar isso para gravar alguns vídeos rápidos no seu celular.

Claro, isso não significa que seja inútil; apenas limita para que é útil. Existem muitas aplicações onde a energia é uma restrição mais significativa do que o tempo, como sensores ambientais e similares (as pessoas que os desenvolveram estão entusiasmadas com as aplicações IoT). Mas a grande história aqui pode ser que os pesquisadores construíram um dispositivo bastante grande e complicado que depende de um material atomicamente fino.