Перовскитный датчик изображения утроил захват света и повысил разрешение

Помимо камер, перовскитный датчик идеально подходит для медицинской диагностики и автоматизированного мониторинга в сельском хозяйстве и экологических системах.

Один из двух прототипов сенсора на основе перовскита, которые исследователи использовали для демонстрации возможности успешной миниатюризации технологии.

Эмпа / ETH Zurich

Исследователи из Швейцарии создали новый датчик изображения на основе перовскита, который превосходит обычные кремниевые датчики практически по всем показателям, включая светочувствительность, разрешение, точность цветопередачи и адаптируемость к машинному зрению.

Инновационный датчик, который, как сообщается, может произвести революцию не только в цифровой фотографии, но и в медицинской диагностике и мониторинге окружающей среды, был разработан доктором наук, профессором функциональных неорганических материалов в Швейцарской высшей технической школе Цюриха Максимом Коваленко и его исследовательской группой.

В ходе исследования команда Коваленко сотрудничала с экспертами Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa) для разработки и изготовления двух полностью функциональных тонкопленочных прототипов.

В отличие от традиционных датчиков, которые используют фильтры для определения цвета, что в конечном итоге приводит к значительным потерям света, в новых конструкциях используются многослойные перовскитные слои, каждый из которых настроен на поглощение определенной части видимого спектра.

Этот уникальный механизм позволяет каждому пикселю улавливать весь спектр входящего света, тем самым значительно повышая четкость изображения и точность цветопередачи, одновременно уменьшая распространенные цифровые артефакты.

Новая технология

Кремний на протяжении десятилетий доминировал в индустрии датчиков изображения, обеспечивая работу практически всех смартфонов и цифровых камер и различая цвета так же, как человеческий глаз.

Однако традиционные кремниевые датчики имеют фундаментальное ограничение, поскольку они используют цветные фильтры для разделения красного, зеленого и синего (RGB) света, что означает, что каждый пиксель захватывает только около трети доступных фотонов. Это в конечном итоге снижает эффективность и качество изображения.

Чтобы преодолеть эти проблемы, Коваленко и его команда разработали новый перовскитный датчик, который использует многоуровневые пиксели, способные поглощать каждый фотон света для распознавания цвета без необходимости использования фильтров.

Инновационная технология создана на основе кристаллического материала, называемого перовскитом галогенида свинца, — полупроводника, свойства поглощения света которого можно настраивать, изменяя его химический состав.

Как это работает

В отличие от кремния, перовскит гораздо проще в обработке, а его физические свойства меняются в зависимости от его химического состава, что исследователи использовали при создании нового датчика.

Регулируя смесь ионов йода, брома и хлора в кристалле перовскита, исследователи могут нацеливаться на определенные длины волн света, при этом позволяя проходить другим длинам волн.

Например, если перовскит содержит больше ионов йода, он поглощает красный свет. Чтобы поглотить зеленый, исследователи добавляют больше брома, а для синего — больше хлора, и все это без необходимости использования фильтров.

Конструкция позволяет датчикам изображения на основе перовскита потенциально улавливать в три раза больше света, чем обычные датчики того же размера, а также обеспечивать в три раза большее пространственное разрешение.

Ранее Коваленко и его команда продемонстрировали эту концепцию с помощью больших монокристаллических пикселей, но теперь им впервые удалось миниатюризировать технологию, используя методы изготовления тонких пленок.

«Мы развиваем технологию дальше, от грубого доказательства принципа до уровня, где ее можно было бы реально использовать», — сказал Коваленко, объясняя, как первый транзистор был сделан из большого куска германия с парой соединений. «Сегодня, 60 лет спустя, транзисторы измеряются всего в несколько нанометров».

Взгляд вперед

Два прототипа датчиков, разработанных группой, различаются по технологии считывания и темпам, но оба подтверждают концепцию. Команда считает, что они достигли толщины, релевантной для отрасли, и продемонстрировали масштабируемость технологии.

Более того, потребительские цифровые камеры — не единственная область, где могут использоваться новые датчики изображения. Благодаря уникальным свойствам материала они также хорошо подходят для приложений машинного зрения.

По словам Сергея Якунина, доктора наук, преподавателя кафедры химии и прикладных биологических наук Швейцарской высшей технической школы Цюриха и одного из соавторов исследования, перовскитные сенсоры обладают ключевым преимуществом в гиперспектральной визуализации, поскольку каждый слой можно точно настроить на поглощение определенного диапазона длин волн.

В то время как текущие прототипы имеют размеры пикселей от 0,5 до 1 миллиметра, что намного больше, чем пиксели микрометрового масштаба в коммерческих датчиках, исследователи полагают, что пиксели перовскита можно сделать даже меньше, чем в устройствах на основе кремния. Достижение этого потребует перепроектирования поддерживающей электроники, которая в настоящее время оптимизирована под свойства материала кремния.

«Из перовскита можно будет изготавливать даже более мелкие пиксели, чем из кремния», — сказал Якунин, объяснив, что электронные соединения и методы обработки необходимо адаптировать для новой технологии.

«Сегодняшняя считывающая электроника оптимизирована для кремния», — заключил Коваленко в пресс-релизе. «Но перовскит — это другой полупроводник, с другими свойствами материала».

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Sourse: interestingengineering.com