Los sensores de imagen basados ​​en perovskita prometen una mayor sensibilidad y resolución que el silicio

Los sensores de imagen están integrados en cada teléfono inteligente y en cada cámara digital. Distinguen los colores de manera similar al ojo humano. En nuestras retinas, las células de cono individuales reconocen rojo, verde y azul (RGB). En los sensores de imagen, los píxeles individuales absorben las longitudes de onda correspondientes y las convierten en señales eléctricas.

La gran mayoría de los sensores de imagen están hechos de silicio. Este material semiconductor normalmente absorbe la luz en todo el espectro visible. Para fabricarlo en sensores de imagen RGB, la luz entrante debe filtrarse. Los píxeles para rojo contienen filtros que bloquean (y desperdician) verde y azul, y así sucesivamente. Cada píxel en un sensor de imagen de silicio, por lo tanto, solo recibe alrededor de un tercio de la luz disponible.

Maksym Kovalenko y su equipo asociados con ETH Zurich y Empa han propuesto una solución novedosa, lo que les permite utilizar cada fotón de luz para el reconocimiento de color. Durante casi una década, han estado investigando sensores de imagen basados ​​en perovskitas.

En un estudio publicado en NaturalezaMuestran cómo funciona la nueva tecnología.

Píxeles apilados

La base de su innovador sensor de imagen es la perovskita de haluro principal. Este material cristalino también es un semiconductor. Sin embargo, en contraste con el silicio, es particularmente fácil de procesar, y sus propiedades físicas varían con su composición química exacta. Esto es precisamente de lo que los investigadores están aprovechando en la fabricación de sensores de imagen de perovskita.

Si la perovskita contiene un poco más de iones de yodo, absorbe la luz roja. Para Green, los investigadores agregan más bromo, para el azul más cloro, sin necesidad de filtros. Las capas de píxeles de perovskita permanecen transparentes para las otras longitudes de onda, lo que les permite pasar.

Esto significa que los píxeles para rojo, verde y azul se pueden apilar uno encima del otro en el sensor de imagen, a diferencia de los sensores de imagen de silicio, donde los píxeles están dispuestos de lado a lado.

Sensores de imagen de trabajo

Gracias a esta disposición, los sensores de imagen basados ​​en perovskite pueden, en teoría, capturar tres veces más luz que los sensores de imagen convencionales de la misma superficie, al tiempo que proporcionan una resolución espacial tres veces mayor. Los investigadores del equipo de Kovalenko pudieron demostrar esto hace unos años, inicialmente con píxeles individuales de gran tamaño hechos de cristales individuales milimétricos.

Ahora, por primera vez, han construido dos sensores de imagen de perovskita de película delgada completamente funcional. “Estamos desarrollando la tecnología más lejos de una prueba de principio a una dimensión en la que realmente podría usarse”, dice Kovalenko.

Un curso de desarrollo normal para componentes electrónicos. “El primer transistor consistió en una gran pieza de germanio con un par de conexiones. Hoy, 60 años después, los transistores miden solo unos pocos nanómetros”.

Los sensores de imagen de perovskita todavía se encuentran en las primeras etapas del desarrollo. Sin embargo, con los dos prototipos, los investigadores pudieron demostrar que la tecnología puede ser miniaturizada. Fabricado con procesos de película delgada comunes en la industria, los sensores han alcanzado su tamaño objetivo en la dimensión vertical al menos.

“Por supuesto, siempre hay potencial para la optimización”, señala el coautor Sergii Yakunin del equipo de Kovalenko.

En numerosos experimentos, los investigadores pusieron los dos prototipos, que difieren en su tecnología de lectura, a través de sus ritmo. Sus resultados prueban las ventajas de perovskite: los sensores son más sensibles a la luz, más precisa en la reproducción del color y pueden ofrecer una resolución significativamente mayor que la tecnología de silicio convencional.

El hecho de que cada píxel captura toda la luz también elimina algunos de los artefactos de la fotografía digital, como la demostración y el efecto Moiré.

Visión artificial para la medicina y el medio ambiente

Sin embargo, las cámaras digitales de consumo no son la única área de aplicación para sensores de imagen perovskite. Debido a las propiedades del material, también son particularmente adecuadas para su uso en la visión artificial. El enfoque en el rojo, el verde y el azul está dictado por el ojo humano.

Estos sensores de imagen funcionan en formato RGB porque nuestros ojos ven en modo RGB. Sin embargo, al resolver tareas específicas, es aconsejable especificar otros rangos de longitud de onda óptimos que el sensor de imagen de la computadora debe leer. A menudo hay más de tres imágenes hiperespectrales.

Los sensores de perovskita tienen una ventaja decisiva en la imagen hiperespectral. Los investigadores pueden controlar con precisión el rango de longitud de onda que absorben por cada capa.

“Con perovskite, podemos definir una mayor cantidad de canales de color que están claramente separados entre sí”, dice Yakunin. El silicio, con su amplio espectro de absorción, requiere numerosos filtros y algoritmos informáticos complejos.

“Esto es muy poco práctico incluso con un número relativamente pequeño de colores”, dice Kovalenko. Los sensores de imagen hiperespectrales basados ​​en perovskita podrían usarse en análisis médico o en el monitoreo automatizado de la agricultura y el medio ambiente, por ejemplo.

En el siguiente paso, los investigadores quieren reducir aún más el tamaño y aumentar el número de píxeles en sus sensores de imagen de perovskita. Sus dos prototipos tienen tamaños de píxeles entre 0.5 y 1 milímetros. Los píxeles en los sensores de imágenes comerciales caen en la gama de micrómetro (1 micrómetro es 0.001 milímetros).

“Debería ser posible hacer píxeles aún más pequeños de perovskite que desde el silicio”, dice Yakunin. Las conexiones electrónicas y las técnicas de procesamiento deben adaptarse para la nueva tecnología.

“La electrónica de lectura de hoy está optimizada para el silicio. Pero la perovskita es un semiconductor diferente, con diferentes propiedades del material”, dice Kovalenko. Sin embargo, los investigadores están convencidos de que estos desafíos pueden superarse.