Учёные создали рабочий датчик изображения с 900 пикселями толщиной в один атом

Открытие графена побудило ученых к экспериментам с другими «двумерными» материалами, которые способны создавать структуры толщиной в один или всего несколько атомов. Обычно такие эксперименты не заканчиваются созданием работающих устройств, но есть и исключения — недавно учёные создали работающий датчик изображения на основе «двумерного» полупроводника.

Каждый квадрат представляет собой одноатомную пленку дисульфата молибдена. Источник изображения: arstechnica.com

После открытия графена и его свойств, учёные открыли немало других материалов, также способных образовывать тонкие атомарные плёнки. Некоторые из этих материалов, как и графен, состоят из одного химического элемента, другие образуются из различных химических веществ, способных выстраивать свою структуру в виде слоя толщиной в один или несколько атомов. Большинство из этих новых материалов обладают уникальными свойствами. В то время как графен — отличный проводник электричества, ряд других материалов являются полупроводниками. Кроме того, их свойства можно изменять в зависимости от того, как расположены слои атомов в структуре.

Обычно учёные исследуют возможности этих новых материалов в экспериментальных устройствах и прототипах, которые часто демонстрируют рекордные показатели по быстродействию или миниатюрности, но при этом не являются полноценно работающими устройствами. Но на днях одна группа исследователей решила выйти за рамки простых демонстраций и создала 900-пиксельный датчик изображения с использованием атомарно тонкого материала.

Большинство датчиков изображения (матриц) в современных фото- и видеоустройствах состоят из стандартных кремниевых полупроводников, изготовленных по КМОП-технологии. Но что произойдёт, если заменить кремний другим полупроводником? В данном случае исследователи использовали дисульфид молибдена, атомарно тонкий материал, который получил широкое применение в экспериментальных устройствах.

Создание новой матрицы начали с выращивания атомарной плёнки дисульфида молибдена на сапфировой подложке методом осаждения из паровой фазы. Затем её сняли с сапфира и перенесли на предварительно подготовленную поверхность из диоксида кремния, на которой уже была вытравлена проводка. Сверху нанесли ещё одну проводку. Конечным результатом этого процесса стала сетка из 30 на 30 пикселов, где каждый пиксел представляет собой микроустройство, состоящее из источника и стокового электрода, соединённых слоем атомов дисульфида молибдена. Освещение, падающее на сетку, создаёт заряд на каждом из пикселов, что влияет на способность передавать ток между электродами источника и стока. Разница в сопротивлении между пикселами позволяет определить, степень освещённости и получить таким образом информацию об изображении.

Новый тип матрицы использует очень мало энергии для работы. По оценкам исследователей, на один пиксель расходуется менее одного пикоДжоуля. Также очень прост процесс очистки матрицы от зарядов путём подачи сильного напряжения между электродами источника и стока. Ещё одним важным преимуществом является высокая светочувствительность и низкий уровень шума.

Недостатки тоже есть. Слабым местом нового устройства является скорость работы. Хотя начальная реакция матрицы на свет может быть зарегистрирована всего за 100 наносекунд, полная, высококонтрастная экспозиция требует секунды на каждый цвет. Так, экспозиция синего цвета занимает более двух секунд, а красного — почти 10 секунд для полной экспозиции. Поэтому не стоит надеяться, что с помощью новой матрицы уже сейчас можно снимать видео на мобильный телефон. С другой стороны, это совсем не означает, что новое устройство бесполезно. Существует множество задач и сфер применения, где светочувствительность и энергопотребление имеют более приоритетное значение перед скоростью работы — например, всевозможные датчики и сенсоры. Разработчики этого устройства видят хорошие перспективы его применения в сфере IoT.