Forskere ved ETH Zürich og Empa har utviklet en ny bildesensor laget av perovskitt. Dette halvledermaterialet muliggjør bedre fargegjengivelse og færre bildeartefakter med mindre lys. Perovskittsensorer er også spesielt godt egnet for maskinsyn.
Bildesensorer finnes i alle smarttelefoner og digitale kameraer. De oppdager farger på en lignende måte som det menneskelige øyet. Mens individuelle tappeceller på netthinnen vår oppdager rødt, grønt og blått (RGB), bruker bildesensorer individuelle piksler som absorberer de tilsvarende bølgelengdene og konverterer dem til elektriske signaler.
De fleste bildesensorer er laget av silisium. Dette halvledermaterialet absorberer normalt lys over hele det synlige spekteret. For å bygge RGB-bildesensorer må det innkommende lyset filtreres. Piksler for rødt inneholder filtre som blokkerer (og dermed kaster bort) grønt og blått lys, og så videre. Hver piksel i en silisiumbildesensor mottar dermed bare omtrent en tredjedel av det totale innkommende lyset.
Forskere ledet av Maksym Kovalenko, som jobber ved både ETH Zürich og Empa, har foreslått en ny løsning som lar et kamera bruke alt lyset til fargeopptak. De har forsket på perovskitt-bildesensorer i nesten ti år. I en ny studie viser de at den nye teknologien fungerer.
Grunnlaget for den innovative bildesensoren er blyhalogenidperovskitt. Dette krystallinske materialet er en halvleder. I motsetning til silisium er det imidlertid spesielt lett å bearbeide – og dets fysiske egenskaper varierer avhengig av den nøyaktige kjemiske sammensetningen. Det er nettopp dette forskerne utnytter i produksjonen av perovskitt-bildesensorer.
Hvis perovskitten inneholder litt flere jodioner, absorberer den rødt lys. For grønt lys tilsetter forskerne mer brom, og for blått lys mer klor – alt uten filter. For de andre bølgelengdene forblir perovskitt-piksellagene transparente, slik at de kan passere gjennom. Dette gjør at de røde, grønne og blå pikslene kan stables oppå hverandre i bildesensoren, i motsetning til silisiumbildesensorer, hvor pikslene er plassert side om side.
Takket være denne ordningen kan perovskittbaserte bildesensorer teoretisk sett fange tre ganger så mye lys på samme overflateareal som konvensjonelle bildesensorer – og med tre ganger bedre oppløsning. Kovalenkos team kunne demonstrere funksjonaliteten deres for flere år siden, først med individuelle overdimensjonerte piksler laget av millimeterstore perovskittkrystaller. Nå har de bygget to fungerende tynnfilmperovskittbildesensorer for første gang.
«Vi utvikler teknologien fra et grovt konseptbevis til en skala der den faktisk kan brukes», sier Kovalenko. En naturlig utviklingsvei for elektroniske komponenter: «Den første transistoren besto av et stort stykke germanium med noen få tilkoblinger. I dag, 60 år senere, måler transistorer bare noen få nanometer.»
Perovskitt-bildesensorene er fortsatt i de tidlige stadiene av utviklingen. Med de to prototypene kunne forskerne imidlertid demonstrere at teknologien kan miniatyriseres. Sensorene er produsert ved hjelp av tynnfilmprosesser som er vanlige i industrien, og har nådd sin målstørrelse, i hvert fall vertikalt. «Selvfølgelig er det alltid potensial for optimalisering», sier medforfatter Sergii Yakunin fra Kovalenkos forskningsgruppe.
Forskerne testet grundig de to prototypene, som er forskjellige i avlesningsteknologi. Resultatene deres demonstrerer styrkene til perovskitt: Sensorene er mer lysfølsomme, gjengir farger mer presist og tilbyr betydelig høyere oppløsning enn konvensjonell silisiumteknologi. Dessuten, fordi hver piksel fanger opp alt lyset, elimineres noen artefakter fra digital fotografering, som demosaicing og moiré-effekten.
Men digitale forbrukerkameraer er ikke den eneste bruken for perovskitt-bildesensorer. På grunn av perovskittens egenskaper er de også spesielt godt egnet for bruksområder innen maskinsyn. Fokuset på rødt, grønt og blått skyldes det menneskelige øyet: Bildesensorene fungerer i RGB-format fordi øynene våre ser i RGB-modus. For spesifikke oppgaver er det imidlertid verdt å definere forskjellige bølgelengdeområder som kan leses av en datamaskin. Ofte er det mer enn tre – dette kalles hyperspektral avbildning.
Perovskittsensorer tilbyr en avgjørende fordel for denne typen avbildning. Forskere kan kontrollere bølgelengdeområdene de absorberer svært presist – for hvert lag. «Med perovskitt kan vi definere en rekke fargekanaler som er tydelig skillebare fra hverandre», sier Yakunin. Silisium, med sitt brede absorpsjonsspektrum, krever en rekke filtre og komplekse dataalgoritmer for dette. «Dette er svært upraktisk selv med et relativt lite antall farger», sier Kovalenko. Hyperspektrale bildesensorer laget av perovskitt kan brukes innen områder som medisinsk analyse eller automatisert overvåking av landbruk og miljø.
I neste trinn ønsker forskerne å redusere størrelsen på perovskitt-bildesensorene sine ytterligere, samtidig som de øker antallet piksler. De to prototypene deres har pikselstørrelser mellom 0,5 og 1 millimeter. Piksler i kommersielle bildesensorer er i mikrometerområdet (1 mikrometer er 0.001 millimeter). «Det burde til og med være mulig å lage enda mindre piksler fra perovskitt enn fra silisium», sier Yakunin. De elektroniske forbindelsene og behandlingsteknikkene må også tilpasses den nye teknologien. «Dagens avlesningselektronikk er optimalisert for silisium. Men perovskitt er en annen halvleder, med andre materialegenskaper», sier Kovalenko. Forskerne er imidlertid overbevist om at disse utfordringene kan overvinnes.
opprinnelige utgivelsen
Tsarev S, Proniakova D, Liu Nature, publiseringsdato, doi: 10.1038/s41586-025-09062-3.
