2D-materiaal kan ultrascherpe mobiele telefoonfoto’s bij weinig licht mogelijk maken

2D APS. a, 3D-schema (links) en optisch beeld (rechts) van een monolaag MoS2-fototransistor geïntegreerd met een programmeerbare gate-stack. De lokale back-gate-stapels, bestaande uit atomaire laagafzetting gegroeid met 50 nm Al2O3 op door sputteren gedeponeerd Pt/TiN, hebben een patroon als eilanden bovenop een Si/SiO2-substraat. De monolaag MoS2 die in deze studie werd gebruikt, werd gekweekt via een MOCVD-techniek met behulp van koolstofvrije voorlopers bij 900 ° C op een epitaxiaal saffiersubstraat om een ​​hoge filmkwaliteit te garanderen. Na de groei werd de film overgebracht op de TiN/Pt/Al2O3 back-gate-eilanden en vervolgens van een patroon voorzien, geëtst en gecontacteerd om fototransistors te fabriceren voor het multipixel APS-platform. b, Optisch beeld van een 900-pixel 2D APS-sensor gefabriceerd in een kruisbalkarchitectuur (links) en het bijbehorende schakelschema dat de rij- en kolomselectielijnen toont (rechts). Credit: Natuur materialen (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01398-9

Een nieuw type actieve pixelsensor die een nieuw tweedimensionaal materiaal gebruikt, kan zowel ultrascherpe mobiele telefoonfoto’s mogelijk maken als een nieuwe klasse van extreem energie-efficiënte Internet of Things (IoT) -sensoren creëren, volgens een team van Penn State-onderzoekers.

“Als mensen op zoek zijn naar een nieuwe telefoon, wat zijn dan de specificaties waarnaar ze op zoek zijn?” zei Saptarshi Das, universitair hoofddocent technische wetenschappen en mechanica en hoofdauteur van de studie gepubliceerd op 17 november in Natuur materialen. “Vaak zijn ze op zoek naar een goede camera, en wat betekent een goede camera voor de meeste mensen? Scherpe foto’s met een hoge resolutie.”

De meeste mensen maken gewoon een foto van een vriend, een familiebijeenkomst of een sportevenement en denken nooit na over wat er “achter de schermen” in de telefoon gebeurt als iemand een foto maakt. Volgens Das gebeurt er nogal wat om ervoor te zorgen dat je een foto meteen ziet nadat je hem hebt gemaakt, en daar komt beeldverwerking bij kijken.

“Als je een foto maakt, hebben veel van de camera’s een soort verwerking die in de telefoon plaatsvindt, waardoor de foto er soms zelfs beter uitziet dan wat je met je ogen ziet”, zei Das. “Deze volgende generatie telefooncamera’s integreren beeldopname met beeldverwerking om dit mogelijk te maken, en dat was niet mogelijk met oudere generaties camera’s.”

De geweldige foto’s in de nieuwste camera’s hebben echter een addertje onder het gras: de verwerking ervan kost veel energie.

“Er zijn energiekosten verbonden aan het maken van veel foto’s”, zegt Akhil Dodda, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij Penn State op het moment van de studie, die nu een onderzoeksmedewerker is bij Western Digital, en co-eerste auteur van de studie .

“Als je 10.000 foto’s maakt, is dat prima, maar iemand betaalt daarvoor de energiekosten. Als je het met het honderdvoudige kunt verminderen, kun je 100 keer meer foto’s maken en toch dezelfde hoeveelheid energie uitgeven. Het maakt fotografie duurzamer zodat mensen meer selfies en andere foto’s kunnen maken als ze op reis zijn. En dit is precies waar innovatie in materialen om de hoek komt kijken.”

De innovatie in materialen die in het onderzoek wordt geschetst, draait om hoe ze in-sensorverwerking hebben toegevoegd aan actieve pixelsensoren om hun energieverbruik te verminderen. Dus wendden ze zich tot een nieuw 2D-materiaal, een klasse materialen van slechts één of enkele atomen dik, molybdeendisulfide. Het is ook een halfgeleider en gevoelig voor licht, waardoor het ideaal is als potentieel materiaal om te verkennen voor energiezuinige verwerking van beelden in de sensor.

“We ontdekten dat molybdeendisulfide een zeer goede lichtgevoelige respons heeft”, zegt Darsith Jayachandran, afgestudeerd onderzoeksassistent in engineering en mechanica en co-eerste auteur van de studie. “Van daaruit hebben we het getest voor de andere eigenschappen waarnaar we op zoek waren.”

Deze eigenschappen omvatten gevoeligheid voor weinig licht, wat belangrijk is voor het dynamische bereik van de sensor. Het dynamische bereik verwijst naar het vermogen om objecten te “zien” bij zowel weinig licht, zoals maanlicht, als fel licht, zoals zonlicht. Het menselijk oog kan sterren ’s nachts beter zien dan de meeste camera’s vanwege het superieure dynamische bereik.

Molybdeendisulfide vertoonde ook sterke signaalconversie, lading-naar-spanning-conversie en datatransmissiemogelijkheden. Dit maakt het materiaal een ideale kandidaat om een ​​actieve pixelsensor mogelijk te maken die zowel lichtdetectie als beeldverwerking in de sensor kan uitvoeren.

“Van daaruit plaatsen we de sensoren in een array”, zei Jayachandran. “Er zijn 900 pixels in een array van negen vierkante millimeter die we hebben ontwikkeld, en elke pixel is ongeveer 100 micrometer. Ze zijn veel gevoeliger voor licht dan de huidige CMOS-sensoren, dus ze hebben geen extra circuits of energieverbruik nodig. Dus elke pixel vereist veel minder energie om te werken, en dit zou een betere gsm-camera betekenen die veel minder batterij verbruikt.”

Het dynamische bereik en de beeldverwerking zouden gebruikers volgens Das in staat stellen scherpe foto’s te maken in verschillende ongunstige omstandigheden voor fotografie.

“Je kunt bijvoorbeeld ’s nachts of op een regenachtige of mistige dag duidelijkere foto’s maken van vrienden buiten,” zei Das. “De camera zou ruis kunnen verwijderen om de mist op te ruimen en het dynamische bereik zou bijvoorbeeld een nachtfoto van een vriend met sterren op de achtergrond mogelijk maken.”

Das merkte op dat de drie belangrijkste faciliteiten in het Materials Research Institute een belangrijke rol speelden bij het maken en testen van het materiaal.

“De 2D-materialen die we voor de experimenten gebruikten, werden gekweekt in de Two-Dimensional Crystal Consortium-faciliteit in Penn State, een National Science Foundation Materials Innovation Platform (MIP) -faciliteit, de karakterisering van het materiaal werd gedaan in het Materials Characterization Laboratory, en we hebben ook de cleanrooms in het Nanofabrication Laboratory gebruikt, ‘zei Das. “Gemakkelijke toegang tot deze faciliteiten op de campus speelde een belangrijke rol bij het succesvol maken van dit onderzoek.”

Naast het mogelijk maken van een eersteklas telefooncamera in de toekomst, stelt het team zich ook voor dat hun verbeterde sensortechnologie andere toepassingen zou kunnen hebben. Denk hierbij aan betere lichtsensoren voor Internet of Things en Industry 4.0-toepassingen. Industry 4.0 is de term voor een groeiende beweging die traditionele industriepraktijken combineert met geavanceerde digitale technologie zoals het internet der dingen, gegevensopslag in de cloud en kunstmatige intelligentie/machine learning. Het doel is om de productie te verbeteren door efficiëntere processen en praktijken te ontwikkelen door middel van intelligente automatisering, en sensoren zijn de sleutelwoorden.

“Sensoren die door machines kunnen kijken terwijl ze in werking zijn en defecten kunnen identificeren, zijn erg belangrijk in het IoT”, zei Dodda. “Conventionele sensoren verbruiken veel energie, dus dat is een probleem, maar we hebben een extreem energiezuinige sensor ontwikkeld die onder meer beter machine learning mogelijk maakt en veel bespaart op energiekosten.”