Capacitores 2D para

A equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST) adaptou e aprimorou a estrutura central de um sensor de imagem de dispositivo acoplado de carga (CCD) para criar dispositivos de memória sensíveis à luz que podem ser programados pela luz. Em particular, a equipe de pesquisa incorporou o material bidimensional MoS2 em uma estrutura de capacitor semicondutor (MOSCAP) que sustenta os pixels de armazenamento de carga de um sensor CCD.

As estruturas Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si MOSCAP funcionam como um sensor "in-memory" de captura de carga que é sensível à luz visível e pode ser programado opticamente e apagado eletricamente.

"Os sensores de luz na memória são dispositivos de memória multifuncionais inteligentes que podem desempenhar as funções de vários dispositivos - tradicionalmente discretos - ao mesmo tempo, incluindo detecção óptica, armazenamento e computação", disse Nazek El-Atab, professor assistente de engenharia elétrica e de computação da KAUST e pesquisador principal do laboratório de aplicativos e dispositivos inteligentes de memória avançada.

"Nosso objetivo de longo prazo é ser capaz de demonstrar sensores na memória que podem detectar diferentes estímulos e computar", disse ela. "Isso supera a barreira da memória e permite uma análise de dados mais rápida e em tempo real usando consumo de energia reduzido, que é um requisito em muitos aplicativos futuristas e de última geração, como Internet das Coisas, carros autônomos e inteligência artificial, entre outros."

Experimentos com luz com um comprimento de onda em qualquer lugar na região espectral do azul ao vermelho indicam que uma carga fotogerada pode ser aprisionada ou armazenada com um tempo de retenção extremamente longo. A tensão resultante da "janela de memória" de > 2 V pode ser armazenada por até 10 anos antes de ser apagada eletricamente pela aplicação de um sinal de +/- 6 V. Ele também opera por muitos milhões de ciclos.

O objetivo final da pesquisa é criar um único dispositivo optoeletrônico que possa realizar sensoriamento óptico e armazenamento com recursos de computação.

Ao combinar a estrutura MoS2 MOSCAP com uma rede neural, a equipe mostrou que era possível realizar reconhecimento de imagem binária simples, distinguindo com sucesso entre imagens de um cachorro ou de um automóvel, com uma precisão de 91%. Cada imagem tinha 32 × 32 pixels de tamanho e apenas a informação azul das imagens foi extraída, pois corresponde ao pico de sensibilidade do dispositivo.

"Os dispositivos de memória atuais podem ser programados opticamente, mas requerem apagamento elétrico", disse o pesquisador Dayanand Kumar. "No futuro, gostaríamos de explorar sensores ópticos na memória que possam ser totalmente operados opticamente".

A equipe também está usando fósforo preto para criar uma sinapse memristiva optoeletrônica que imita os neurônios do cérebro para aplicações de computação neuromórfica.

O dispositivo multicamadas consiste em uma fina camada de fósforo preto e óxido de háfnio que é imprensada entre uma camada inferior de platina e uma camada superior de cobre. Ele funciona como um memristor optoeletrônico — um resistor que pode ter sua resistência elétrica programada pela luz visível.

Experimentos indicam que ele oferece recursos sinápticos altamente estáveis, como potenciação de longo prazo (um aumento duradouro na saída do sinal), depressão de longo prazo (uma diminuição duradoura na saída do sinal) e plasticidade de curto prazo (mudança na resposta ao longo do tempo).

A equipe construiu uma matriz sináptica 6 × 6 a partir dos dispositivos e, no futuro, espera que matrizes maiores possam ajudar a criar uma retina biomimética. É importante ressaltar que os dispositivos podem ser fabricados de forma econômica por processamento de solução e são flexíveis com operação estável com um raio de curvatura de 1 cm, oferecendo possibilidades para aplicações vestíveis.

DOI: 10.1038/s41377-023-01166-7

www.kaust.edu.sa