El material 2D puede habilitar Ultra

May 05, 2023

Un nuevo tipo de sensor de píxeles activosque utiliza un material bidimensional novedoso puede permitir fotos de teléfonos celulares ultranítidas y crear una nueva clase de sensores de Internet de las cosas (IoT) extremadamente eficientes energéticamente, según un equipo de investigadores de Penn State.

"Cuando las personas buscan un teléfono nuevo, ¿cuáles son las especificaciones que buscan?" dijo Saptarshi Das, profesor asociado de ciencias de la ingeniería y mecánica y autor principal del estudio publicado en Nature Materials. "Muy a menudo buscan una buena cámara, y ¿qué significa una buena cámara para la mayoría de las personas? Fotos nítidas con alta resolución".

La mayoría de las personas simplemente toman una foto de un amigo, una reunión familiar o un evento deportivo, y nunca piensan en lo que sucede "detrás de escena" dentro del teléfono cuando uno toma una foto. Según Das, suceden bastantes cosas que te permiten ver una foto justo después de tomarla, y esto implica el procesamiento de imágenes.

"Cuando tomas una imagen, muchas de las cámaras tienen algún tipo de procesamiento que ocurre en el teléfono y, de hecho, esto a veces hace que la foto se vea incluso mejor que lo que ves con tus ojos", dijo Das. "Esta próxima generación de cámaras de teléfonos integra la captura de imágenes con el procesamiento de imágenes para que esto sea posible, y eso no era posible con las generaciones anteriores de cámaras".

Sin embargo, las excelentes fotos en las cámaras más nuevas tienen un problema: el procesamiento requiere mucha energía.

"Hay un costo de energía asociado con tomar muchas imágenes", dijo Akhil Dodda, asistente de investigación graduado en Penn State en el momento del estudio, quien ahora es miembro del personal de investigación en Western Digital y coautor principal del estudio. . "Si tomas 10 000 imágenes, está bien, pero alguien está pagando los costos de energía por eso. Si puedes reducirlo cien veces, entonces puedes tomar 100 veces más imágenes y seguir gastando la misma cantidad de energía. Hace fotografía más sostenible para que las personas puedan tomar más selfies y otras fotografías cuando viajan. Y aquí es exactamente donde la innovación en los materiales entra en escena".

La innovación en los materiales descrita en el estudio gira en torno a cómo agregaron el procesamiento en el sensor a los sensores de píxeles activos para reducir su uso de energía. Entonces, recurrieron a un nuevo material 2D, que es una clase de materiales de solo uno o unos pocos átomos de espesor, el disulfuro de molibdeno. También es un semiconductor y sensible a la luz, lo que lo hace ideal como material potencial para explorar el procesamiento de imágenes en el sensor de baja energía.

"Descubrimos que el disulfuro de molibdeno tiene una respuesta fotosensible muy buena", dijo Darsith Jayachandran, asistente de investigación graduado en ingeniería y mecánica y coautor principal del estudio. "A partir de ahí, lo probamos para las otras propiedades que estábamos buscando".

Estas propiedades incluían la sensibilidad a la poca luz, que es importante para el rango dinámico del sensor. El rango dinámico se refiere a la capacidad de "ver" objetos tanto con poca luz, como la luz de la luna, como con luz brillante, como la luz del sol. El ojo humano puede ver las estrellas por la noche mejor que la mayoría de las cámaras debido a que tiene un rango dinámico superior.

El disulfuro de molibdeno también demostró fuertes capacidades de conversión de señal, conversión de carga a voltaje y transmisión de datos. Esto hace que el material sea un candidato ideal para habilitar un sensor de píxeles activos que pueda realizar tanto la detección de luz como el procesamiento de imágenes en el sensor.

"A partir de ahí, colocamos los sensores en una matriz", dijo Jayachandran. "Hay 900 píxeles en una matriz de nueve milímetros cuadrados que desarrollamos, y cada píxel mide aproximadamente 100 micrómetros. Son mucho más sensibles a la luz que los sensores CMOS actuales, por lo que no requieren ningún circuito adicional ni uso de energía. Entonces, cada píxel requiere mucha menos energía para operar, y esto significaría una mejor cámara de teléfono celular que usa mucha menos batería".

El rango dinámico y el procesamiento de imágenes permitirían a los usuarios tomar fotos nítidas en una variedad de condiciones adversas para la fotografía, según Das.

"Por ejemplo, podrías tomar fotos más claras de amigos afuera por la noche o en un día lluvioso o con niebla", dijo Das. "La cámara podría eliminar el ruido para despejar la niebla y el rango dinámico permitiría, por ejemplo, una foto nocturna de un amigo con estrellas en el fondo".

Das señaló que las tres instalaciones principales del Instituto de Investigación de Materiales fueron fundamentales para crear y probar el material.

"Los materiales 2D que usamos para los experimentos se cultivaron en las instalaciones del Two-Dimensional Crystal Consortium en Penn State, que es una instalación de la Plataforma de Innovación de Materiales (MIP) de la Fundación Nacional de Ciencias, la caracterización del material se realizó en el Laboratorio de Caracterización de Materiales, y también usamos las salas limpias en el Laboratorio de Nanofabricación", dijo Das. "Tener un fácil acceso a estas instalaciones en el campus desempeñó un papel importante en el éxito de esta investigación".

Además de habilitar una cámara de teléfono de primer nivel en el futuro, el equipo también prevé que su tecnología de sensor mejorada podría tener otras aplicaciones. Esto incluiría mejores sensores de luz para aplicaciones de Internet de las Cosas e Industria 4.0. Industria 4.0 es el término para un movimiento en crecimiento que combina prácticas tradicionales de la industria y tecnología digital de vanguardia, como Internet de las cosas, almacenamiento de datos en la nube e inteligencia artificial/aprendizaje automático. El objetivo es mejorar la fabricación mediante el desarrollo de procesos y prácticas más eficientes a través de la automatización inteligente, y los sensores son clave.

"Los sensores que pueden ver a través de las máquinas mientras están en funcionamiento e identificar defectos son muy importantes en el IoT", dijo Dodda. "Los sensores convencionales consumen mucha energía, por lo que es un problema, pero desarrollamos un sensor extremadamente eficiente en energía que permite un mejor aprendizaje automático, etc. y ahorra mucho en costos de energía".

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de Penn State