二维材料可以在弱光下拍摄超清晰的手机照片

宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员表示，一种使用新型二维材料的新型有源像素传感器既可以实现超清晰的手机照片，又可以创造出一种新型的极其节能的物联网(IoT)传感器。

“当人们在寻找新手机时，他们正在寻找的规格是什么?”工程科学与力学副教授、该研究的主要作者SaptarshiDas说，该研究于11月17日发表在《自然材料》杂志上。“很多时候，他们正在寻找一台好的相机，而一台好的相机对大多数人来说意味着什么?高分辨率的清晰照片。”

大多数人只是拍一张朋友、家庭聚会或体育赛事的照片，而从来没有想过拍照时手机“幕后”发生了什么。根据Das的说法，有很多事情可以让你在拍完照片后立即看到照片，这涉及到图像处理。

“当你拍摄一张照片时，许多相机都会在手机中进行某种处理，事实上，这有时会使照片看起来比你用眼睛看到的还要好，”达斯说。“这些下一代手机摄像头将图像捕捉与图像处理相结合，使这成为可能，而这在老一代相机中是不可能的。”

然而，最新相机拍摄的精美照片有一个问题——处理过程需要大量能量。

“拍摄大量图像会产生能源成本，”研究期间宾夕法尼亚州立大学的研究生研究助理AkhilDodda说，他现在是西部数据的研究人员，也是该研究的共同第一作者.

“如果你拍摄10,000张图像，那很好，但有人为此付出了能源成本。如果你可以将它降低一百倍，那么你可以拍摄多100倍的图像，并且仍然消耗相同的能量。它使得摄影更具可持续性，这样人们在旅行时就可以拍更多的自拍照和其他照片。而这正是材料创新发挥作用的地方。”

研究中概述的材料创新围绕着他们如何将传感器内处理添加到有源像素传感器以减少其能源使用。因此，他们转向了一种新型二维材料，这是一类只有一个或几个原子厚的二硫化钼材料。它也是一种半导体并且对光敏感，这使其成为探索低能量传感器内图像处理的理想材料。

“我们发现二硫化钼具有非常好的光敏反应，”该研究的共同第一作者、工程与力学研究生研究助理DarsithJayachandran说。“从那里，我们测试了我们正在寻找的其他属性。”

这些特性包括对低光的敏感性，这对传感器的动态范围很重要。动态范围是指在低光(如月光)和强光(如日光)下“看到”物体的能力。由于具有出色的动态范围，人眼在夜间比大多数相机更能看到星星。

二硫化钼还展示了强大的信号转换、电荷-电压转换和数据传输能力。这使得该材料成为有源像素传感器的理想候选材料，该传感器可以进行光传感和传感器内图像处理。

“从那里，我们将传感器放入阵列中，”Jayachandran说。“我们开发的九平方毫米阵列中有900个像素，每个像素约为100微米。它们对光的敏感度比目前的CMOS传感器高得多，因此它们不需要任何额外的电路或能源使用。因此，每个像素运行所需的能量要少得多，这意味着手机摄像头性能更好，电池消耗更少。”

Das表示，动态范围和图像处理将使用户能够在各种不利的摄影条件下拍摄出清晰的照片。

“例如，你可以在晚上或雨天或大雾天为朋友拍出更清晰的照片，”达斯说。“相机可以进行降噪以清除雾气，动态范围可以让朋友拍一张背景为星星的夜景照片。”

达斯指出，材料研究所的三个主要设施在创建和测试材料方面发挥了重要作用。

“我们用于实验的二维材料是在宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟设施中生长的，该设施是国家科学基金会材料创新平台(MIP)设施，材料的表征是在材料表征实验室完成的，并且我们还使用了纳米制造实验室的洁净室，”Das说。“在校园内轻松使用这些设施对这项研究的成功起到了重要作用。”

除了在未来实现顶级手机摄像头外，该团队还设想他们改进的传感器技术可以用于其他应用。这将包括用于物联网和工业4.0应用的更好的光传感器。工业4.0是一个不断发展的运动术语，它结合了传统行业实践和尖端数字技术，如物联网、云数据存储和人工智能/机器学习。目标是通过智能自动化开发更高效的流程和实践来改善制造，而传感器是关键。

Dodda说：“能够在机器运行时透视并识别缺陷的传感器在物联网中非常重要。”“传统传感器消耗大量能源，这是一个问题，但我们开发了一种非常节能的传感器，可以实现更好的机器学习等，并节省大量能源成本。”

更多信息：AkhilDodda等人，基于单层MoS2光电晶体管阵列的有源