Подавляющее большинство датчиков изображения изготовлены из кремния. Этот полупроводниковый материал обычно поглощает свет во всём видимом спектре. Чтобы изготовить из него датчики изображения RGB, необходимо отфильтровать поступающий свет. Пиксели для красного цвета содержат фильтры, которые блокируют (и не используют) зелёный и синий цвета, и так далее. Таким образом, каждый пиксель в кремниевом датчике изображения получает лишь около трети доступного света.
Максим Коваленко и его команда, работающая в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и компании Empa, предложили новое решение, которое позволяет использовать каждый фотон света для распознавания цвета. Почти десять лет они занимались исследованиями датчиков изображения на основе перовскита.
В исследовании, опубликованном в Nature, они показывают, как работает новая технология.
Основой для их инновационного датчика изображения является перовскит на основе галогенида свинца. Этот кристаллический материал также является полупроводником. Однако, в отличие от кремния, его особенно легко обрабатывать, а его физические свойства зависят от точного химического состава. Именно этим исследователи и пользуются при производстве перовскитовых датчиков изображения.
Если перовскит содержит немного больше ионов йода, он поглощает красный свет. Для получения зелёного цвета исследователи добавляют больше брома, для получения синего — больше хлора — без каких-либо фильтров. Слои перовскитных пикселей остаются прозрачными для других длин волн, пропуская их.
Это означает, что пиксели красного, зелёного и синего цветов могут располагаться друг над другом в датчике изображения, в отличие от кремниевых датчиков изображения, где пиксели расположены рядом. Благодаря такому расположению датчики изображения на основе перовскита теоретически могут улавливать в три раза больше света, чем обычные датчики изображения с той же площадью поверхности, при этом обеспечивая в три раза более высокое пространственное разрешение. Исследователи из команды Коваленко смогли продемонстрировать это несколько лет назад, сначала с помощью отдельных пикселей большого размера, изготовленных из монокристаллов размером в миллиметр. Теперь они впервые создали два полностью функциональных тонкоплёночных перовскитовых датчика изображения. «Мы развиваем эту технологию, чтобы перейти от грубого подтверждения принципа к масштабу, в котором её можно будет использовать», — говорит Коваленко.
Перовскитовые датчики изображения всё ещё находятся на ранней стадии разработки. Однако с помощью двух прототипов исследователи смогли показать, что эту технологию можно миниатюризировать. Изготовленные с использованием тонкоплёночных процессов, распространённых в промышленности, датчики достигли целевого размера по крайней мере в вертикальном направлении.
В ходе многочисленных экспериментов исследователи протестировали два прототипа, отличающихся технологией считывания данных. Полученные результаты подтверждают преимущества перовскита: датчики более чувствительны к свету, точнее воспроизводят цвета и могут обеспечить значительно более высокое разрешение, чем традиционная кремниевая технология.
Тот факт, что каждый пиксель улавливает весь свет, также устраняет некоторые артефакты цифровой фотографии, такие как демозаику и эффект муара.
Однако потребительские цифровые камеры — не единственная область применения перовскитовых датчиков изображения. Благодаря свойствам материала они также особенно хорошо подходят для использования в машинном зрении. Человеческий глаз фокусируется на красном, зелёном и синем цветах.
Эти датчики изображения работают в формате RGB, потому что наши глаза видят в режиме RGB. Однако при решении конкретных задач желательно указывать другие оптимальные диапазоны длин волн, которые должен считывать датчик изображения компьютера. Часто их больше трёх — так называемая гиперспектральная съёмка.