Le matériau 2D peut activer Ultra

May 05, 2023

Un nouveau type de capteur à pixels actifsqui utilise un nouveau matériau bidimensionnel peut à la fois permettre des photos de téléphone portable ultra-nettes et créer une nouvelle classe de capteurs Internet des objets (IoT) extrêmement économes en énergie, selon une équipe de chercheurs de Penn State.

"Lorsque les gens recherchent un nouveau téléphone, quelles sont les spécifications qu'ils recherchent ?" a déclaré Saptarshi Das, professeur agrégé de sciences de l'ingénieur et de mécanique et auteur principal de l'étude publiée dans Nature Materials. "Assez souvent, ils recherchent un bon appareil photo, et qu'est-ce qu'un bon appareil photo signifie pour la plupart des gens ? Des photos nettes avec une haute résolution."

La plupart des gens prennent simplement une photo d'un ami, d'une réunion de famille ou d'un événement sportif, et ne pensent jamais à ce qui se passe "dans les coulisses" à l'intérieur du téléphone quand on prend une photo. Selon Das, il se passe pas mal de choses pour vous permettre de voir une photo juste après l'avoir prise, et cela implique un traitement d'image.

"Lorsque vous prenez une image, de nombreux appareils photo ont une sorte de traitement qui se déroule dans le téléphone, et en fait, cela rend parfois la photo encore meilleure que ce que vous voyez avec vos yeux", a déclaré Das. "Cette nouvelle génération d'appareils photo pour téléphones intègre la capture d'image avec le traitement d'image pour rendre cela possible, ce qui n'était pas possible avec les anciennes générations d'appareils photo."

Cependant, les superbes photos des appareils photo les plus récents ont un hic : le traitement nécessite beaucoup d'énergie.

"Il y a un coût énergétique associé à la prise de beaucoup d'images", a déclaré Akhil Dodda, assistant de recherche diplômé à Penn State au moment de l'étude, qui est maintenant membre du personnel de recherche de Western Digital et co-premier auteur de l'étude. . "Si vous prenez 10 000 images, c'est bien, mais quelqu'un paie les coûts énergétiques pour cela. Si vous pouvez le réduire au centuple, vous pouvez prendre 100 fois plus d'images et toujours dépenser la même quantité d'énergie. Cela fait photographie plus durable afin que les gens puissent prendre plus de selfies et d'autres photos lorsqu'ils voyagent. Et c'est exactement là que l'innovation dans les matériaux entre en jeu. "

L'innovation dans les matériaux décrite dans l'étude tourne autour de la façon dont ils ont ajouté un traitement dans le capteur aux capteurs à pixels actifs pour réduire leur consommation d'énergie. Ils se sont donc tournés vers un nouveau matériau 2D, qui est une classe de matériaux d'un seul ou de quelques atomes d'épaisseur, le disulfure de molybdène. C'est également un semi-conducteur sensible à la lumière, ce qui le rend idéal comme matériau potentiel à explorer pour le traitement d'images à faible énergie dans le capteur.

"Nous avons découvert que le bisulfure de molybdène a une très bonne réponse photosensible", a déclaré Darsith Jayachandran, assistant de recherche diplômé en ingénierie et mécanique et co-premier auteur de l'étude. "A partir de là, nous l'avons testé pour les autres propriétés que nous recherchions."

Ces propriétés comprenaient la sensibilité à la faible luminosité, ce qui est important pour la plage dynamique du capteur. La plage dynamique fait référence à la capacité de "voir" des objets à la fois dans des conditions de faible luminosité telles que le clair de lune et de lumière vive comme la lumière du soleil. L'œil humain peut mieux voir les étoiles la nuit que la plupart des caméras en raison de sa plage dynamique supérieure.

Le disulfure de molybdène a également démontré de fortes capacités de conversion de signal, de conversion charge-tension et de transmission de données. Cela fait du matériau un candidat idéal pour activer un capteur à pixels actifs capable à la fois de détecter la lumière et de traiter l'image dans le capteur.

"A partir de là, nous avons placé les capteurs dans un réseau", a déclaré Jayachandran. "Il y a 900 pixels dans une matrice de neuf millimètres carrés que nous avons développée, et chaque pixel mesure environ 100 micromètres. Ils sont beaucoup plus sensibles à la lumière que les capteurs CMOS actuels, ils ne nécessitent donc aucun circuit supplémentaire ni consommation d'énergie. Ainsi, chaque pixel nécessite beaucoup moins d'énergie pour fonctionner, et cela signifierait un meilleur appareil photo pour téléphone portable qui utilise beaucoup moins de batterie."

La gamme dynamique et le traitement d'image permettraient aux utilisateurs de prendre des photos nettes dans une variété de conditions défavorables pour la photographie, selon Das.

"Par exemple, vous pouvez prendre des photos plus claires d'amis à l'extérieur la nuit ou un jour de pluie ou de brouillard", a déclaré Das. "L'appareil photo pourrait faire du débruitage pour dissiper le brouillard et la plage dynamique permettrait, par exemple, une photo de nuit d'un ami avec des étoiles en arrière-plan."

Das a noté que les trois principales installations de l'Institut de recherche sur les matériaux ont joué un rôle déterminant dans la création et le test du matériau.

"Les matériaux 2D que nous avons utilisés pour les expériences ont été cultivés dans l'installation du Two-Dimensional Crystal Consortium à Penn State, qui est une installation de la National Science Foundation Materials Innovation Platform (MIP), la caractérisation du matériau a été effectuée dans le laboratoire de caractérisation des matériaux, et nous avons également utilisé les salles blanches du laboratoire de nanofabrication », a déclaré Das. "Avoir un accès facile à ces installations directement sur le campus a joué un rôle majeur dans le succès de cette recherche."

En plus d'activer une caméra de téléphone haut de gamme à l'avenir, l'équipe envisage également que leur technologie de capteur améliorée pourrait avoir d'autres applications. Cela inclurait de meilleurs capteurs de lumière pour les applications de l'Internet des objets et de l'industrie 4.0. L'industrie 4.0 est le terme désignant un mouvement croissant qui combine les pratiques industrielles traditionnelles et les technologies numériques de pointe telles que l'Internet des objets, le stockage de données dans le cloud et l'intelligence artificielle/apprentissage automatique. L'objectif est d'améliorer la fabrication en développant des processus et des pratiques plus efficaces grâce à une automatisation intelligente, et les capteurs sont essentiels.

"Les capteurs qui peuvent voir à travers les machines en fonctionnement et identifier les défauts sont très importants dans l'IoT", a déclaré Dodda. "Les capteurs conventionnels consomment beaucoup d'énergie, c'est donc un problème, mais nous avons développé un capteur extrêmement économe en énergie qui permet un meilleur apprentissage automatique, etc. et permet d'économiser beaucoup sur les coûts énergétiques."

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de Penn State