2D-Material ermöglicht möglicherweise Ultra

May 05, 2023

Ein neuer Typ eines aktiven PixelsensorsLaut einem Team von Penn State-Forschern könnte ein neues zweidimensionales Material, das ein neuartiges zweidimensionales Material verwendet, sowohl ultrascharfe Mobiltelefonfotos ermöglichen als auch eine neue Klasse äußerst energieeffizienter Internet-of-Things-Sensoren (IoT) schaffen.

„Wenn Leute nach einem neuen Telefon suchen, nach welchen Spezifikationen suchen sie dann?“ sagte Saptarshi Das, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Hauptautor der in Nature Materials veröffentlichten Studie. „Oft sind sie auf der Suche nach einer guten Kamera, und was bedeutet eine gute Kamera für die meisten Menschen? Scharfe Fotos mit hoher Auflösung.“

Die meisten Leute machen einfach ein Foto von einem Freund, einem Familientreffen oder einer Sportveranstaltung und denken beim Fotografieren nie darüber nach, was „hinter den Kulissen“ im Inneren des Telefons passiert. Laut Das passiert einiges, damit man ein Foto gleich nach der Aufnahme sehen kann, und dazu gehört auch die Bildbearbeitung.

„Wenn Sie ein Bild aufnehmen, verfügen viele Kameras über eine Art Verarbeitung, die im Telefon erfolgt, und tatsächlich sieht das Foto dadurch manchmal sogar noch besser aus als das, was Sie mit Ihren Augen sehen“, sagte Das. „Diese nächste Generation von Telefonkameras integriert Bilderfassung und Bildverarbeitung, um dies zu ermöglichen, und das war mit älteren Kameragenerationen nicht möglich.“

Allerdings haben die tollen Fotos in den neuesten Kameras einen Haken: Die Verarbeitung erfordert viel Energie.

„Das Aufnehmen vieler Bilder ist mit Energiekosten verbunden“, sagte Akhil Dodda, zum Zeitpunkt der Studie ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Penn State University, der jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Western Digital und Co-Erstautor der Studie ist . „Wenn man 10.000 Bilder macht, ist das in Ordnung, aber irgendjemand zahlt die Energiekosten dafür. Wenn man sie um das Hundertfache reduzieren kann, kann man 100 Mal mehr Bilder machen und trotzdem die gleiche Energiemenge verbrauchen. Das macht.“ Fotografie nachhaltiger zu machen, damit Menschen auf Reisen mehr Selfies und andere Bilder machen können. Und genau hier kommen Materialinnovationen ins Spiel.“

Die in der Studie beschriebene Materialinnovation dreht sich darum, wie sie aktive Pixelsensoren mit In-Sensor-Verarbeitung ausstatten, um deren Energieverbrauch zu senken. Deshalb wandten sie sich einem neuartigen 2D-Material zu, einer Materialklasse, die nur ein oder wenige Atome dick ist: Molybdändisulfid. Es ist außerdem ein Halbleiter und lichtempfindlich, was es zu einem idealen Material für die Erforschung der energiearmen In-Sensor-Verarbeitung von Bildern macht.

„Wir haben herausgefunden, dass Molybdändisulfid eine sehr gute lichtempfindliche Reaktion aufweist“, sagte Darsith Jayachandran, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Ingenieurwesen und Mechanik und Co-Erstautorin der Studie. „Von da an haben wir es für die anderen Eigenschaften getestet, nach denen wir gesucht haben.“

Zu diesen Eigenschaften gehörte die Empfindlichkeit gegenüber schwachem Licht, die für den Dynamikbereich des Sensors wichtig ist. Der Dynamikbereich bezieht sich auf die Fähigkeit, Objekte sowohl bei schwachem Licht wie Mondlicht als auch bei hellem Licht wie Sonnenlicht zu „sehen“. Das menschliche Auge kann Sterne nachts besser sehen als die meisten Kameras, da es über einen überlegenen Dynamikbereich verfügt.

Molybdändisulfid zeigte auch starke Signalumwandlungs-, Ladungs-zu-Spannungs-Umwandlungs- und Datenübertragungsfähigkeiten. Dies macht das Material zu einem idealen Kandidaten, um einen aktiven Pixelsensor zu ermöglichen, der sowohl Lichterfassung als auch Bildverarbeitung im Sensor durchführen kann.

„Von dort aus haben wir die Sensoren in einem Array zusammengefasst“, sagte Jayachandran. „In einem von uns entwickelten 9-Quadratmillimeter-Array gibt es 900 Pixel, und jedes Pixel ist etwa 100 Mikrometer groß. Sie sind viel lichtempfindlicher als aktuelle CMOS-Sensoren, sodass sie keine zusätzlichen Schaltkreise oder Energieverbrauch erfordern. Also jedes Pixel.“ Der Betrieb erfordert viel weniger Energie, und das würde eine bessere Handykamera bedeuten, die viel weniger Batterie verbraucht.

Laut Das würden der Dynamikumfang und die Bildverarbeitung es Benutzern ermöglichen, scharfe Fotos unter verschiedenen für die Fotografie ungünstigen Bedingungen aufzunehmen.

„Man könnte zum Beispiel nachts oder an einem regnerischen oder nebligen Tag klarere Fotos von Freunden draußen machen“, sagte Das. „Die Kamera könnte eine Rauschunterdrückung durchführen, um den Nebel aufzuklären, und der Dynamikbereich würde beispielsweise ein Nachtfoto eines Freundes mit Sternen im Hintergrund ermöglichen.“

Das stellte fest, dass die drei Haupteinrichtungen des Materialforschungsinstituts maßgeblich an der Herstellung und Prüfung des Materials beteiligt waren.

„Die 2D-Materialien, die wir für die Experimente verwendet haben, wurden in der Einrichtung des Two-Dimensional Crystal Consortium in Penn State gezüchtet, einer Einrichtung der Materials Innovation Platform (MIP) der National Science Foundation. Die Charakterisierung des Materials wurde im Materials Characterization Laboratory durchgeführt „Wir haben auch die Reinräume im Nanofabrikationslabor genutzt“, sagte Das. „Der einfache Zugang zu diesen Einrichtungen direkt auf dem Campus spielte eine wichtige Rolle für den Erfolg dieser Forschung.“

Das Team geht davon aus, dass die verbesserte Sensortechnologie in Zukunft nicht nur eine Telefonkamera der Spitzenklasse ermöglichen könnte, sondern auch andere Anwendungen. Dazu gehören bessere Lichtsensoren für das Internet der Dinge und Industrie 4.0-Anwendungen. Industrie 4.0 ist der Begriff für eine wachsende Bewegung, die traditionelle Industriepraktiken und modernste digitale Technologien wie das Internet der Dinge, Cloud-Datenspeicherung und künstliche Intelligenz/maschinelles Lernen kombiniert. Das Ziel besteht darin, die Fertigung durch die Entwicklung effizienterer Prozesse und Praktiken durch intelligente Automatisierung zu verbessern. Dabei spielen Sensoren eine Schlüsselrolle.

„Sensoren, die während des Betriebs durch Maschinen hindurchschauen und Fehler erkennen können, sind im IoT sehr wichtig“, sagte Dodda. „Herkömmliche Sensoren verbrauchen viel Energie, das ist also ein Problem, aber wir haben einen äußerst energieeffizienten Sensor entwickelt, der besseres maschinelles Lernen usw. ermöglicht und viel Energiekosten spart.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website von Penn State veröffentlicht