Condensatori 2D per in

Il team della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) ha adattato e migliorato la struttura centrale di un sensore di immagine CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) per creare dispositivi di memoria sensibili alla luce che possono essere programmati dalla luce. In particolare, il gruppo di ricerca ha incorporato il materiale bidimensionale MoS2 in una struttura di condensatore a semiconduttore (MOSCAP) che è alla base dei pixel di accumulo di carica di un sensore CCD.

Le strutture MOSCAP Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si funzionano come un sensore "in memoria" con intrappolamento di carica, sensibile alla luce visibile e che può essere programmato otticamente e cancellato elettricamente.

"I sensori di luce in memoria sono dispositivi di memoria multifunzionali intelligenti in grado di svolgere contemporaneamente i ruoli di più dispositivi, tradizionalmente discreti, tra cui rilevamento ottico, archiviazione e calcolo", ha affermato Nazek El-Atab, professore assistente di ingegneria elettrica e informatica presso KAUST e ricercatore principale per il laboratorio di dispositivi e applicazioni di memoria intelligenti e avanzati.

"Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di essere in grado di dimostrare sensori in memoria in grado di rilevare stimoli e calcoli diversi", ha affermato. "Ciò supera il muro della memoria e consente un'analisi dei dati più rapida e in tempo reale utilizzando un consumo energetico ridotto, che è un requisito in molte applicazioni futuristiche e all'avanguardia come Internet of Things, automobili autonome e intelligenza artificiale, tra gli altri."

Esperimenti con luce con una lunghezza d'onda ovunque nella regione spettrale dal blu al rosso indicano che una carica fotogenerata può essere intrappolata o immagazzinata con un tempo di ritenzione estremamente lungo. La tensione risultante della "finestra di memoria" di >2 V può essere conservata fino a 10 anni prima di essere cancellata elettricamente applicando un segnale di +/- 6 V. Funziona anche per molti milioni di cicli.

Lo scopo finale della ricerca è creare un unico dispositivo optoelettronico in grado di eseguire il rilevamento e l'archiviazione ottica con capacità di calcolo.

Combinando la struttura MOSCAP MoS2 con una rete neurale, il team ha dimostrato che era possibile eseguire un semplice riconoscimento binario di immagini, distinguendo con successo tra le immagini di un cane o di un'automobile, con una precisione del 91%. Ogni immagine aveva una dimensione di 32×32 pixel e dalle immagini sono state estratte solo le informazioni blu poiché corrispondono alla sensibilità di picco del dispositivo.

"Gli attuali dispositivi di memoria possono essere programmati otticamente ma richiedono la cancellazione elettrica", ha affermato il ricercatore Dayanand Kumar. "In futuro, vorremmo esplorare sensori ottici in-memory che possano essere gestiti completamente otticamente."

Il team sta anche utilizzando il fosforo nero per creare una sinapsi memristiva optoelettronica che imita i neuroni del cervello per applicazioni di calcolo neuromorfico.

Il dispositivo multistrato è costituito da un sottile strato di fosforo nero e ossido di afnio inserito tra uno strato inferiore di platino e uno strato superiore di rame. Funziona come un memristor optoelettronico, un resistore la cui resistenza elettrica può essere programmata dalla luce visibile.

Gli esperimenti indicano che offre caratteristiche sinaptiche altamente stabili, come potenziamento a lungo termine (un aumento duraturo dell'uscita del segnale), depressione a lungo termine (una diminuzione duratura dell'uscita del segnale) e plasticità a breve termine (cambiamento nella risposta col tempo).

Il team ha costruito una matrice sinaptica 6×6 dai dispositivi e spera in futuro che matrici più grandi possano aiutare a realizzare una retina biomimetica. È importante sottolineare che i dispositivi possono essere fabbricati in modo economicamente vantaggioso mediante l'elaborazione della soluzione e sono flessibili con un funzionamento stabile con un raggio di curvatura di 1 cm, offrendo possibilità per applicazioni indossabili.

DOI: 10.1038/s41377-023-01166-7

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