Depuis l’isolement du graphène, nous avons identifié un certain nombre de matériaux qui forment des feuilles atomiquement minces. Comme le graphène, certaines de ces feuilles sont constituées d’un seul élément ; d’autres se forment à partir de produits chimiques où les liaisons atomiques créent naturellement une structure en forme de feuille. Beaucoup de ces matériaux ont des propriétés distinctes. Alors que le graphène est un excellent conducteur d’électricité, un certain nombre d’autres sont des semi-conducteurs. Et il est possible d’affiner leurs propriétés en fonction de la façon dont vous organisez les couches d’une pile de plusieurs feuilles.

Compte tenu de toutes ces options, cela ne devrait surprendre personne que les chercheurs aient découvert comment fabriquer de l’électronique à partir de ces matériaux, y compris la mémoire flash et les plus petits transistors jamais fabriqués, selon certaines mesures. La plupart d’entre eux, cependant, sont des démonstrations de la capacité de fabriquer du matériel – ils ne sont pas intégrés dans un appareil utile. Mais une équipe de chercheurs a maintenant démontré qu’il est possible d’aller au-delà des simples démonstrations en construisant un capteur d’imagerie de 900 pixels à l’aide d’un matériau atomiquement mince.

Faire des photos

La plupart des capteurs d’image sont actuellement constitués de semi-conducteurs au silicium standard, fabriqués à l’aide des procédés habituels de semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire (CMOS). Mais il est possible de remplacer le silicium par un autre semi-conducteur. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé du disulfure de molybdène, un matériau atomiquement mince qui a été beaucoup utilisé dans les dispositifs expérimentaux.

Pour l’utiliser dans un dispositif, les chercheurs ont commencé par faire pousser une feuille monocouche de bisulfure de molybdène sur un substrat de saphir par dépôt en phase vapeur. Il a ensuite été soulevé du saphir et abaissé sur une surface de dioxyde de silicium préalablement fabriquée sur laquelle était déjà gravé un câblage. Un câblage supplémentaire a ensuite été déposé sur le dessus.

Le résultat final de ce processus était une grille de 30 par 30 de dispositifs, où chaque dispositif se compose d’une source et d’une électrode de drain reliées par une feuille de bisulfure de molybdène. Lorsqu’il est éclairé, chacun de ces dispositifs capterait des charges parasites, ce qui affecterait leur capacité à transmettre le courant entre les électrodes de source et de drain. Cette différence de résistance fournit une mesure de la quantité de lumière à laquelle l’appareil a été exposé, ce qui permet de reconstruire les informations d’image.

Alors que les charges qui s’accumulent après l’exposition à la lumière disparaissent lentement d’elles-mêmes, la plupart des appareils les éliminent activement en appliquant une forte tension entre les électrodes de source et de drain.

Bon et mauvais

En comparant cela à un capteur en silicium standard, c’est un peu une histoire mitigée : mieux à certains égards, notamment pire à d’autres. Du bon côté, les appareils nécessitent remarquablement peu d’énergie pour fonctionner; les chercheurs estiment qu’il faut moins d’un picoJoule par pixel lors des opérations. La réinitialisation de l’appareil reste un processus simple consistant à appliquer une grande différence de tension sur la feuille de bisulfure de molybdène.

Les chercheurs ont découvert que l’application d’une tension beaucoup plus faible aux bornes du bisulfure de molybdène pouvait le sensibiliser à la lumière. Cela permet un réglage simple de la sensibilité signal/bruit des capteurs d’image pendant le fonctionnement. Normalement, cela nécessite une bonne quantité de circuits externes sur du matériel d’imagerie à base de silicium, avec une augmentation correspondante de la complexité de fabrication et de la consommation d’énergie pendant l’imagerie. Ainsi, cet appareil offre quelques avantages.

Ce qu’il n’offre pas, c’est la vitesse. Alors que la réponse initiale à la lumière peut être enregistrée en aussi peu que 100 nanosecondes, une exposition complète à contraste élevé prend quelques secondes par couleur. Ainsi, une exposition bleue prend plus de deux secondes et le canal rouge a besoin de près de 10 secondes pour une exposition complète. Donc, ne vous attendez pas à l’utiliser pour récupérer des vidéos rapides sur votre téléphone portable.

Bien sûr, cela ne veut pas dire que c’est inutile ; cela limite juste ce pour quoi il est utile. Il existe de nombreuses applications où la puissance est une contrainte plus importante que le temps, comme les capteurs environnementaux et autres (les personnes qui l’ont développé sont enthousiasmées par les applications IoT). Mais la plus grande histoire ici est peut-être que les chercheurs ont construit un appareil assez grand et compliqué qui repose sur un matériau atomiquement mince.

Matériaux naturels2022. DOI : 10.1038/s41563-022-01398-9 (À propos des DOI).