Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Университета штата Пенсильвания создала интегральную схему (ИС), работающую от энергии окружающего освещения. Этот чип способен одновременно собирать энергию, выполнять вычисления и обнаруживать химические вещества. Считается, что данное достижение может способствовать созданию устройств, не требующих подзарядки, пригодных для использования в местах без источника питания или с труднодоступными для замены батареями. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Electronics.
В настоящее время большинство портативных электронных устройств, таких как ноутбуки, смартфоны и умные часы, по-прежнему работают от аккумуляторов и требуют частой подзарядки. За последние десять лет инженеры по всему миру активно работали над созданием электронных устройств без батарей, способных автономно собирать электроэнергию из возобновляемых источников окружающей среды, таких как естественный свет, искусственное освещение или остаточное тепло. Чип, представленный командой Даса, использует архитектуру монолитной трехмерной интеграции (M3D), объединяя функции сбора энергии, сенсорики и вычислений.
Автор статьи Саптарши Янг отметил, что лаборатория давно изучает возможность создания электронных систем, которые могли бы воспринимать информацию об окружающей среде, обрабатывать данные локально и питаться от возобновляемых источников энергии. В будущем огромное количество устройств Интернета вещей и периферийных вычислений будет развернуто в удаленных или труднодоступных для обслуживания местах, где замена батарей обходится очень дорого. Данное исследование подтверждает возможность создания высокоинтегрированного чипа с монолитной трехмерной архитектурой, объединяющего все три указанные функции.
Чип, разработанный командой Даса, объединяет два типа полупроводниковых транзисторных материалов на основе двумерных структур — дисульфид молибдена (MoS₂) и диселенид вольфрама (WSe₂), а также кремниевый фотомодуль и графеновый сенсорный элемент. Вся микросхема состоит из трех вертикально уложенных слоев кристаллов: нижний слой — кремниевый фотоэлектрический, предназначенный для улавливания энергии окружающего света и преобразования ее в электричество; средний слой — логическая схема с низким энергопотреблением на основе двумерных полупроводников; верхний слой — графеновый химический сенсор. При контакте жидкости с сенсорным слоем электрические характеристики устройства изменяются, генерируя электрический сигнал, который через вертикальные межсоединения передается в средний логический слой для преобразования в цифровой сигнал. По словам Даса, вся микросхема полностью питается от нижнего светособирающего модуля и не требует внешнего источника питания.
Дас отметил, что данная интегральная схема является одним из самых маленьких чипов, питаемых светом, а расстояние между функциональными слоями кристаллов составляет всего 50 нанометров. В будущем можно еще больше уменьшить межслойное расстояние, создавая устройства меньшего размера, работающие от энергии окружающего освещения. Исследование подтвердило возможность интеграции различных гетерогенных материалов, таких как кремний, графен, MoS₂ и WSe₂, в единой монолитной трехмерной архитектуре для создания самопитающейся сенсорно-вычислительной системы. В отличие от параллельного размещения нескольких отдельных чипов с внешними межсоединениями, такая наноразмерная плотная интеграция позволяет уменьшить размер чипа, сократить длину межсоединений и снизить энергопотребление при передаче.
Данное исследование прокладывает путь к созданию небольших инновационных устройств, не требующих подзарядки, особенно пригодных для таких сценариев, как мониторинг природной среды в полевых условиях, интеллектуальная инфраструктура и медицинская сенсорика. Дас сообщил, что на следующем этапе команда планирует усовершенствовать систему, повысить ее сложность и расширить возможности масштабирования, включая интеграцию более крупных двумерных КМОП-схем, расширение типов сенсоров, оптимизацию фотоэлектрических и накопительных элементов, а также в конечном итоге оснащение низкопотребляющим модулем беспроводной связи. Еще одним направлением разработок является повышение надежности устройств и процента выхода годных изделий, чтобы продвинуть технологию монолитной трехмерной интеграции двумерных материалов с традиционным кремнием в область коммерческих устройств периферийных вычислений.
