Со времён изоляции двумерного графена учёные идентифицировали ещё несколько материалов, способных формировать тончайшие плёнки толщиной не более одного атома. В отличие от графена, который является проводником, некоторые инновационные двумерные материалы признаны прекрасными универсальными полупроводниками. Их свойства зависят от способа организации слоёв микросхемы, и тончайшие модификации структуры позволяют изготавливать необычные электронные компоненты. В частности, недавно команда учёных из Университета штата Пенсильвания использовала двумерный полупроводник из дисульфида молибдена (MoS₂) для создания действующей фотоматрицы.

Прежде учёные использовали двумерные материалы для производства флэш-памяти и самых маленьких транзисторов в истории, однако до сих пор это были скорее демонстрации способности специалистов изготовить компонент: их не интегрировали в какие-либо устройства. Команда исследователей Университета штата Пенсильвания пошла дальше, и построила на основе MoS₂ полноценную фотоматрицу. Сегодня подавляющее большинство камер используют матрицы, произведённые из стандартных кремниевых полупроводников по CMOS (КМОП) технологии. KМОП-матрица представляет собой структуру металл-оксид-полупроводник, которая стала бы значительно более энергоэффективной и простой в производстве благодаря двумерным светочувствительным полупроводниковым материалам. В модифицированной матрице учёные заменили кремний полупроводником из дисульфида молибдена (MoS₂), который прежде использовали в различных экспериментах с электронными компонентами.

Исследователи начали изготовление устройства с выращивания одноатомного слоя MoS₂ на сапфировой подложке методом химического осаждения вещества из газовой фазы. Затем тончайший слой дисульфида молибдена пересадили на заготовленную подложку из диоксида кремния с уже натравленными контактными дорожками, а затем имплантировали электроды и нанесли дополнительные дорожки. В итоге учёные получили крошечную фотоматрицу, представленную сеткой 30 x 30 фототранзисторов: каждый содержит электроды истока и стока, объединённые одноатомным слоем дисульфида молибдена. При взаимодействии со светом каждая рабочая единица матрицы принимает случайный заряд, что позволяет пропускать ток между электродами. Разность сопротивления между компонентами сенсора определяет количество «захваченного» света, который преобразуется в электрические сигналы. Размер сборки с разрешением 900 пикселей, в которой каждый фототранзистор соответствует всему одному пикселю, составляет около 0,09 см².

Как и традиционный КМОП-сенсор, версия с полупроводником MoS₂ имеет как достоинства, так и недостатки. К примеру, модифицированная фотоматрица потребляет гораздо меньше энергии. По оценкам экспертов, каждый пиксель потребляет до 1 пДж (пикоджоуля) в активном режиме, а в режиме «сна» – и того меньше. Как и в обычной КМОП-матрице, сброс зарядов в фотосенсоре с MoS₂ происходит путём подачи напряжения на электроды. Стоит отметить, что для восстановления светочувствительности модифицированному сенсору требуется меньший вольтаж. В процессе подбора уровня напряжения исследователи также обнаружили, что их изобретение обладает более оптимальным соотношением сигнал/шум. В стандартных КМОП-матрицах оптимизация этого соотношения происходит за счёт увеличения электронной «обвязки» пикселей, без которой можно обойтись в случае использования двумерного полупроводника из дисульфида молибдена.

Фотоматрица на базе MoS₂ получается энергоэффективной и более простой в производстве, однако за эти преимущества приходится платить временем. Другими словами, такой сенсор не может предложить высокой скорости съёмки. Хотя первичная реакция матрицы на свет занимает всего 100 наносекунд, на получения полной высококонтрастной экспозиции нужны целые секунды. Для регистрирования синего цвета матрице нужно 2 секунды, а каналам, фиксирующим красный цвет, необходимы все 10 секунд. Так что камера с таким сенсором вряд ли найдёт применение в бытовой или даже профессиональной фото- и видеосъёмке. Впрочем, его нельзя назвать бесполезным: он придётся кстати в устройствах, более требовательных к энергоэффективности компонентов и качеству съёмки, нежели к её скорости. К примеру, учёные видят перспективу применения подобной фотоматрицы в сенсорах устройств, входящих в концепцию IoT (интернет вещей), например, в датчиках окружающей среды.