2D マテリアルがウルトラを可能にする可能性がある

May 05, 2023

新しいタイプのアクティブピクセルセンサーペンシルベニア州立大学の研究者チームによると、新しい二次元素材を使用したこの技術は、超鮮明な携帯電話の写真を可能にし、極めてエネルギー効率の高い新しいクラスのモノのインターネット（IoT）センサーを生み出す可能性があるという。

「人々が新しい携帯電話を探しているとき、どのような仕様を求めていますか?」 工学科学および機械学の准教授であり、Nature Materials に掲載された研究の筆頭著者であるサプタルシ・ダス氏は次のように述べています。 「彼らは良いカメラを探していることがよくあります。多くの人にとって良いカメラとは何を意味しますか?高解像度の鮮明な写真です。」

ほとんどの人は、友人、家族の集まり、またはスポーツ イベントの写真を撮るだけで、写真を撮るときに電話の中で「舞台裏」で何が起こっているかなど考えたこともありません。 Das 氏によると、写真を撮った直後に写真を確認できるようにするための取り組みがかなり進んでおり、これには画像処理が必要です。

「画像を撮影するとき、多くのカメラは携帯電話内で何らかの処理を行っており、実際、これにより写真が目で見ているものよりもさらに良く見えることがあります」とダス氏は語った。 「これらの次世代の携帯電話カメラは、画像キャプチャと画像処理を統合してこれを可能にしますが、旧世代のカメラでは不可能でした。」

ただし、最新のカメラの素晴らしい写真には落とし穴があります。処理には多大なエネルギーが必要です。

「大量の画像の撮影にはエネルギーコストがかかります」と、研究当時ペンシルベニア州立大学の大学院研究助手で、現在はウェスタンデジタルの研究スタッフであり、この研究の共同筆頭著者でもあるアキル・ドッダ氏は語る。 。 「10,000 枚の画像を撮影するのであれば問題ありませんが、そのためのエネルギーコストを誰かが支払っています。コストを 100 分の 1 に削減できれば、同じ量のエネルギーを費やしても 100 倍多くの画像を撮影できます。 「写真撮影がより持続可能になり、人々が旅行中に自撮り写真やその他の写真をより多く撮影できるようになります。そして、まさにここに素材の革新が関わってきます。」

この研究で概説されている材料の革新は、エネルギー使用量を削減するためにアクティブピクセルセンサーにセンサー内処理をどのように追加したかを中心に展開しています。 そこで彼らは、原子 1 個または数個の厚さしかない材料クラスの二硫化モリブデンである新しい 2D 材料に注目しました。 また、半導体であり光に敏感なため、低エネルギーのセンサー内画像処理を検討する潜在的な材料として理想的です。

「二硫化モリブデンは非常に優れた感光反応を示すことがわかりました」と、工学および機械学の大学院研究助手であり、この研究の共同筆頭著者であるダルシス・ジャヤチャンドラン氏は述べた。 「そこから、探していた他の物件についてもテストしました。」

これらの特性には、センサーのダイナミック レンジにとって重要な、微光に対する感度が含まれます。 ダイナミック レンジとは、月明かりなどの暗い光と太陽光などの明るい光の両方で物体を「見る」能力を指します。 人間の目は、優れたダイナミックレンジを備えているため、ほとんどのカメラよりも夜の星をよく見ることができます。

二硫化モリブデンは、強力な信号変換、電荷から電圧への変換、およびデータ送信能力も実証しました。 このため、この材料は、光検知とセンサー内画像処理の両方を実行できるアクティブ ピクセル センサーを実現するための理想的な候補となります。

「そこからセンサーをアレイに配置しました」とジャヤチャンドラン氏は語った。 「私たちが開発した 9 平方ミリメートルのアレイには 900 のピクセルがあり、各ピクセルは約 100 マイクロメートルです。現在の CMOS センサーよりも光に対する感度がはるかに高いため、追加の回路やエネルギーの使用は必要ありません。したがって、各ピクセルは動作に必要なエネルギーがはるかに少なくなり、これはバッテリー消費量がはるかに少ない、より優れた携帯電話カメラを意味します。」

ダス氏によると、ダイナミックレンジと画像処理により、ユーザーはさまざまな撮影条件下でも鮮明な写真を撮影できるようになるという。

「たとえば、夜や雨や霧の日に屋外で友人の写真をより鮮明に撮ることができます」とダス氏は言う。 「カメラは霧を取り除くためにノイズ除去を行うことができ、ダイナミック レンジにより、たとえば星を背景にした友人の夜の写真を撮影することができます。」

ダス氏は、材料研究所の 3 つの主要な施設が材料の作成とテストに役立っていると指摘しました。

「実験に使用した 2D 材料は、米国科学財団材料イノベーション プラットフォーム (MIP) 施設であるペンシルベニア州立大学の二次元結晶コンソーシアム施設で成長させられ、材料の特性評価は材料特性評価研究所で行われました。ナノファブリケーション研究所のクリーンルームも使用しました」とダス氏は語った。 「キャンパス内にあるこれらの施設に簡単にアクセスできることが、この研究の成功に大きな役割を果たしました。」

チームは、将来最高級の携帯電話カメラを実現することに加えて、改良されたセンサー技術が他の用途にも応用できる可能性があると構想しています。 これには、モノのインターネットやインダストリー 4.0 アプリケーション向けのより優れた光センサーが含まれます。 インダストリー 4.0 は、従来の業界の慣行と、モノのインターネット、クラウド データ ストレージ、人工知能/機械学習などの最先端のデジタル テクノロジーを組み合わせた成長する運動を表す用語です。 目標は、インテリジェントな自動化を通じてより効率的なプロセスと実践を開発することで製造を改善することであり、センサーが鍵となります。

「稼働中の機械を透視して欠陥を特定できるセンサーは、IoT において非常に重要です」とドッダ氏は述べています。 「従来のセンサーは多くのエネルギーを消費するため、それが問題でしたが、当社は非常にエネルギー効率の高いセンサーを開発したため、機械学習などの効率が向上し、エネルギーコストを大幅に節約できました。」

- このプレスリリースはもともとペンシルベニア州立大学のウェブサイトに掲載されたものです