Большинство современных портативных электронных устройств, включая ноутбуки, смартфоны и смарт-часы, работают от аккумуляторов, которые нужно заряжать ежедневно или раз в несколько дней. Однако в последнее десятилетие некоторые инженеры изучают возможность создания электронных устройств без аккумуляторов, которые будут автономно получать электроэнергию из возобновляемых источников, таких как солнечный свет, искусственное освещение или тепло.
Исследовательская группа из Университета штата Пенсильвания недавно разработала компактную монолитную интегральную схему (ИС), которая получает энергию исключительно от окружающего света и использует ее для выполнения вычислений и определения химических веществ в окружающей среде. Этот чип, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, может позволить создать устройства, которые не требуют зарядки и поэтому могут работать без перебоев даже в условиях, когда нет возможности заменить батарею или подключиться к розетке.
Новый чип, разработанный Дасом и его коллегами, включает в себя два разных типа транзисторов на основе полупроводниковых материалов MoS₂ и WSe₂, а также кремниевый фотоэлектрический модуль и датчики на основе графена. Чип состоит из трех различных слоев, расположенных вертикально друг над другом.
«Нижний слой — это кремниевый фотоэлектрический модуль, который преобразует энергию окружающего света,» — объясняют исследователи. «Средний слой содержит маломощные логические схемы из двумерных полупроводников: транзисторов n-типа MoS2 и p-типа WSe2. Верхний слой содержит химические сенсоры на основе графена.»
Когда на сенсоры на основе графена попадает жидкость, это меняет их электрические характеристики. Полученные электрические сигналы проходят по вертикальным межсоединениям и достигают среднего логического уровня, где преобразуются в цифровой код.
Микросхема, разработанная этой исследовательской группой, является одной из самых компактных микросхем, работающих на энергии света, поскольку расстояние между ее слоями составляет всего 50 нм. В будущем это расстояние между слоями можно будет уменьшить еще больше, что позволит создавать устройства, работающие на окружающем свете, еще меньшего размера.