de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Pennsylvania State University hat einen integrierten Schaltkreis (IC) entwickelt, der mit Umgebungslicht betrieben wird. Dieser Chip kann gleichzeitig Energie sammeln, Daten verarbeiten und chemische Substanzen nachweisen. Die Entwicklung gilt als vielversprechend für die Förderung von Geräten, die nie aufgeladen werden müssen, und eignet sich für Anwendungen ohne Stromversorgung oder mit schwierigem Batteriewechsel. Die entsprechende Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Electronics“ veröffentlicht.
Derzeit sind die meisten tragbaren elektronischen Geräte wie Laptops, Smartphones und Smartwatches noch auf Batterien angewiesen und müssen häufig aufgeladen werden. In den letzten zehn Jahren haben Ingenieure weltweit an der Entwicklung batterieloser elektronischer Geräte gearbeitet, die selbstständig Energie aus erneuerbaren Umweltquellen wie natürlichem Licht, Innenbeleuchtung oder Umgebungsabwärme gewinnen können. Der von Das‘ Team entwickelte Chip verwendet eine monolithische 3D-Integrationsarchitektur (M3D), die Energiegewinnung, Sensorik und Rechenfunktionen in einem vereint.
Der korrespondierende Autor der Studie, Saptarshi Yang, erklärte, dass das Labor seit langem erforscht, ob elektronische Systeme geschaffen werden können, die Umgebungsinformationen erfassen, Daten lokal verarbeiten und sich selbstständig mit Umgebungsenergie versorgen können. Zukünftig werden zahlreiche IoT- und Edge-Computing-Geräte in abgelegenen oder schwer zugänglichen Umgebungen eingesetzt, wo ein Batteriewechsel extrem kostspielig ist. Diese Studie validiert einen hochintegrierten monolithischen 3D-Chip, der diese drei Funktionen vereint.
Der von Das‘ Team entwickelte Chip integriert zwei Arten von zweidimensionalen Halbleitertransistormaterialien – Molybdändisulfid (MoS₂) und Wolframdiselenid (WSe₂) – sowie ein Silizium-Photovoltaikmodul und eine Graphen-Sensoreinheit. Der gesamte Chip besteht aus drei vertikal gestapelten Die-Schichten: Die untere Schicht ist eine Silizium-Photovoltaikschicht zur Erfassung von Umgebungslicht und Umwandlung in elektrische Energie; die mittlere Schicht verwendet zweidimensionale Halbleiter für eine energiesparende Logikschaltung; die oberste Schicht trägt einen Graphen-Chemosensor. Wenn eine Flüssigkeit die Sensorschicht berührt, ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Bauteils, es entsteht ein elektrisches Signal, das über vertikale Verbindungsstrukturen an die mittlere Logikschicht übertragen und dort in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das erklärte, dass der gesamte Chip vollständig von der unteren Lichterntemodul mit Strom versorgt wird und keine externe Stromquelle benötigt.
Das erklärte, dass dieser integrierte Schaltkreis einer der kleinsten lichtbetriebenen Chips ist, mit einem Abstand von nur 50 Nanometern zwischen den funktionalen Die-Schichten. Zukünftig könnten die Abstände zwischen den Schichten weiter verringert werden, um noch kleinere, mit Umgebungslicht selbstversorgende Geräte zu schaffen. Die Studie validiert die Machbarkeit der Integration verschiedener heterogener Materialien wie Silizium, Graphen, MoS₂ und WSe₂ in einer monolithischen 3D-Architektur, um ein selbstversorgendes Sensor- und Rechensystem zu realisieren. Im Gegensatz zu mehreren nebeneinander angeordneten, extern verbundenen Einzelchips ermöglicht diese nanoskalige, dichte Integration eine Verkleinerung der Chipgröße, kürzere Verbindungsleitungen und einen geringeren Übertragungsenergieverbrauch.
Die Studie ebnet den Weg für die Entwicklung kleiner, aufladefreier Innovationsgeräte, insbesondere für Anwendungen wie die Überwachung natürlicher Umweltbedingungen, intelligente Infrastruktur und medizinische Sensorik. Das erklärte, dass das Team als nächstes das System verbessern, die Komplexität erhöhen und die Skalierbarkeit vorantreiben wird, einschließlich der Integration größerer zweidimensionaler CMOS-Schaltungen, der Erweiterung der Sensortypen, der Optimierung von Photovoltaik- und Energiespeichereinheiten und schließlich der Integration eines energiesparenden drahtlosen Kommunikationsmoduls. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Fertigungsausbeute der Bauteile, um die Integration von zweidimensionalen Materialien mit herkömmlicher Silizium-Monolith-3D-Technologie in kommerzielle Edge-Computing-Geräte voranzutreiben.
