fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université d'État de Pennsylvanie a développé un circuit intégré (CI) alimenté par la lumière ambiante. Cette puce peut effectuer des opérations de calcul et la détection de substances chimiques tout en collectant de l'énergie. Cette avancée est considérée comme prometteuse pour le développement de dispositifs sans recharge permanente, adaptés aux applications sans source d'alimentation ou où le remplacement des batteries est difficile. L'article correspondant a été publié dans Nature Electronics.
Actuellement, la grande majorité des appareils électroniques portables, tels que les ordinateurs portables, les smartphones et les montres connectées, dépendent encore des batteries et nécessitent des recharges fréquentes. Au cours de la dernière décennie, les ingénieurs du monde entier se sont consacrés au développement de dispositifs électroniques sans batterie, capables de collecter de manière autonome l'énergie électrique à partir de sources d'énergie environnementales renouvelables comme la lumière naturelle, l'éclairage intérieur ou la chaleur résiduelle ambiante. La puce présentée par l'équipe de Das adopte une architecture d'intégration tridimensionnelle monolithique (M3D), intégrant la collecte d'énergie, la détection et les fonctions de calcul.
Saptarshi Yang, auteur correspondant de l'article, a indiqué que le laboratoire explore depuis longtemps la possibilité de créer un système électronique capable à la fois de percevoir les informations environnementales, de traiter les données localement et de s'alimenter de manière autonome à partir de l'énergie ambiante. À l'avenir, un grand nombre de dispositifs pour l'Internet des objets et le calcul en périphérie seront déployés dans des zones reculées ou difficiles d'accès pour la maintenance, où le remplacement des batteries est extrêmement coûteux. Cette étude valide une puce à architecture tridimensionnelle monolithique hautement intégrée, combinant ces trois fonctions.
Cette puce, développée par l'équipe de Das, intègre deux matériaux semi-conducteurs à transistors bidimensionnels — le disulfure de molybdène (MoS₂) et le diséléniure de tungstène (WSe₂) — ainsi qu'un module photovoltaïque en silicium et une unité de détection au graphène. L'ensemble de la puce est constitué de trois couches de puces empilées verticalement : la couche inférieure est une couche photovoltaïque en silicium, qui capte la lumière ambiante et la convertit en énergie électrique ; la couche intermédiaire utilise des semi-conducteurs bidimensionnels pour créer des circuits logiques à faible consommation ; la couche supérieure est équipée d'un capteur chimique au graphène. Lorsqu'un liquide entre en contact avec la couche de détection, les caractéristiques électriques du composant changent, générant un signal électrique qui est transmis via une structure d'interconnexion verticale à la couche logique intermédiaire pour être converti en signal numérique. Das a expliqué que l'ensemble de la puce est alimenté uniquement par le module de collecte de lumière de la couche inférieure, sans nécessiter d'alimentation externe.
Das a indiqué que ce circuit intégré est l'une des puces alimentées par la lumière les plus petites actuellement, avec un espacement de seulement 50 nanomètres entre les couches fonctionnelles des puces. À l'avenir, il sera possible de réduire davantage la distance entre les couches pour créer des dispositifs auto-alimentés par la lumière ambiante de plus petite taille. Cette étude valide la faisabilité de l'intégration de divers matériaux hétérogènes tels que le silicium, le graphène, le MoS₂ et le WSe₂ dans une architecture tridimensionnelle monolithique, réalisant un système de détection et de calcul auto-alimenté. Contrairement à l'assemblage de plusieurs puces indépendantes avec des interconnexions externes côte à côte, ce mode d'intégration compacte à l'échelle nanométrique permet de réduire la taille de la puce, de raccourcir les lignes d'interconnexion et de diminuer la consommation d'énergie de transmission.
Cette recherche ouvre la voie au développement de petits dispositifs innovants sans recharge, particulièrement adaptés à des scénarios tels que la surveillance environnementale en milieu naturel, les infrastructures intelligentes et la détection médicale. Das a déclaré que la prochaine étape de l'équipe consistera à perfectionner le système, à accroître sa complexité et à étendre sa capacité de mise à l'échelle, notamment en intégrant des circuits CMOS bidimensionnels plus vastes, en diversifiant les types de capteurs, en optimisant les unités photovoltaïques et de stockage d'énergie, et en intégrant finalement un module de communication sans fil à faible consommation. Un autre axe de recherche prioritaire est l'amélioration de la fiabilité des composants et du rendement de fabrication, afin de promouvoir l'intégration des matériaux bidimensionnels avec la technologie d'intégration tridimensionnelle monolithique traditionnelle à base de silicium dans le domaine des dispositifs de calcul en périphérie commerciaux.
