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 compuestas por un solo elemento; otros se forman a partir de productos químicos donde los enlaces atómicos crean naturalmente una estructura similar a una lámina. Muchos de estos materiales tienen propiedades distintas. Si bien el grafeno es un excelente conductor de electricidad, varios otros son semiconductores. Y es posible ajustar aún más sus propiedades en función de cómo organice las capas de una pila de varias hojas.
Dadas todas esas opciones, no debería sorprender a nadie que los investigadores hayan descubierto cómo hacer componentes electrónicos con estos materiales, incluida la memoria flash y los transistores más pequeños jamás fabricados, según algunas medidas. Sin embargo, la mayoría de estos son demostraciones de la capacidad de fabricar el hardware; no están integrados en un dispositivo útil. Pero un equipo de investigadores ahora ha demostrado que es posible ir más allá de las simples demostraciones mediante la construcción de un sensor de imágenes de 900 píxeles utilizando un material atómicamente delgado.
hacer fotos
La mayoría de los sensores de imagen consisten actualmente en semiconductores de silicio estándar, fabricados utilizando los procesos habituales de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS). Pero es posible reemplazar el silicio con otro semiconductor. En este caso, los investigadores utilizaron disulfuro de molibdeno, un material atómicamente delgado que se ha utilizado mucho en dispositivos experimentales.
Para usar esto en un dispositivo, los investigadores comenzaron cultivando una lámina de una sola capa de disulfuro de molibdeno en un sustrato de zafiro mediante deposición de vapor. Luego se levantó del zafiro y se bajó sobre una superficie de dióxido de silicio previamente hecha que ya tenía algunos cables grabados. Luego se depositó más cableado en la parte superior.
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 están iluminados, cada uno de estos dispositivos recogería cargas perdidas, lo que afectaría su capacidad de transmitir corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje. Esa diferencia en la resistencia proporciona una medida de la cantidad de luz a la que se expuso 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 desaparecerán lentamente por sí solas, la mayoría de los dispositivos las eliminan activamente aplicando un fuerte voltaje entre la fuente y los electrodos de drenaje.
Bueno y malo
Al comparar esto con un sensor de silicio estándar, es una historia un poco mixta: mejor en algunos aspectos, notablemente peor en otros. En el lado bueno, los dispositivos requieren muy poca energía para funcionar; los investigadores estiman que se necesita 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 la aplicación de un voltaje mucho más pequeño a través del disulfuro de molibdeno podría sensibilizarlo a la luz. Esto permite un ajuste simple de la sensibilidad de señal a ruido de los sensores de imagen mientras están en funcionamiento. Normalmente, esto requiere una buena cantidad de circuitos externos en hardware de imagen basado en silicio, con el correspondiente aumento en la complejidad de fabricación y el uso de energía durante la imagen. 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 solo 100 nanosegundos, una exposición completa de alto contraste toma 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 usar esto para capturar 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 significativa que el tiempo, como los sensores ambientales y similares (las personas que lo 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.
Materiales de la naturaleza2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01398-9 (Acerca de los DOI).