Onderzoekers van Penn State hebben een monolithische 3D-chip ontwikkeld die volledig op omgevingslicht werkt, zonder gebruik te maken van een batterij. Het geïntegreerde circuit is in staat berekeningen uit te voeren en chemicaliën te detecteren terwijl het gebruik maakt van zonne-energie, waardoor de noodzaak voor frequente batterijvervanging op afgelegen locaties tot een minimum wordt beperkt.
De chip heeft een ontwerp dat silicium-fotovoltaïsche cellen, MoS₂/WSe₂-complementaire logica en grafeen-chemische sensoren binnen een afstand van ongeveer 50 nanometer van elkaar stapelt. Deze compacte opstelling vermindert de vereisten voor het bordoppervlak, bedradingsverliezen en latentie die gepaard gaan met traditionele op batterijen werkende systemen.
Ingenieurs zijn steeds meer op zoek naar batterijloze elektronica die hernieuwbare energie gebruikt om te voldoen aan de eisen van het duurzame Internet of Things (IoT) en edge computing-systemen. Saptarshi Das, een van de auteurs van het onderzoek, verklaarde: “We hebben aangetoond dat heterogene materialen – silicium, grafeen, MoS₂ en WSe₂ – monolithisch in drie dimensies kunnen worden geïntegreerd om een zelfaangedreven detectie- en computersysteem te creëren.”
De grafeensensoren detecteren vloeistoffen en sturen elektrische signalen naar de logische laag, waar gegevens worden verwerkt. De silicium fotovoltaïsche module aan de onderkant zet omgevingslicht om in elektriciteit om het apparaat van stroom te voorzien. Deze aanpak slaat delen van de traditionele apparaatarchitectuur aanzienlijk over.
De ontwikkeling demonstreert niet alleen de mogelijkheden van een compacte batterijloze chip, maar opent ook de deur voor grotere 2D-circuits die vergelijkbare ontwerpprincipes zouden kunnen bevatten. Toekomstige toepassingen kunnen zich richten op het voeden van IoT-systemen op locaties waar de toegang tot de batterij voor onderhoud een uitdaging is.
