Perowskity zapewnią lepsze kolory i lepszą rozdzielczość zdjęć przy mniejszej ilości światła

Współpraca naukowców z Politechniki Federalnej w Zurychu i Federalnego Instytutu Badań i Technologii Materiałów (Empa) zaowocowała stworzeniem nowej matrycy światłoczułej wykonanej z perowskitów. Zapewnią ona lepszą reprodukcję kolorów i mniej błędów obrazu przy gorszych warunkach oświetleniowych. Jednocześnie pozwala na reprodukcję obrazów w znacznie wyższej rozdzielczości niż matryce z krzemu. Perowskitowa matryca może być szczególnie przydatna w obrazowaniu medycznym i automatycznym monitoringu.

Matryce światłoczułe znajdziemy obecnie w każdym smartfonie i cyfrowym aparacie fotograficznym. Rozpoznają kolory podobnie, jak nasze oczy. Odbierają kolory czerwony, zielony i niebieski. Czujniki takie wykonane są z krzemu, który absorbuje całe spektrum światła widzialnego. Żeby spowodować, by odbierały konkretne długości fali, stosuje się filtry. Piksele odpowiedzialne za odbieranie koloru czerwonego korzystają z filtrów, które nie przepuszczają niebieskiego i zielonego, itp. Zatem każdy piksel krzemowej matrycy odbiera około 1/3 zakresu światła widzialnego.

Uczeni z ETH Zurich i Empa, pracujący pod kierunkiem Maksyma Kovalenko, przez niemal dekadę pracowali nad matrycami korzystającymi z perowskitów. Właśnie poinformowali na łamach Nature, że ich matryca działa.

Nowa matrycę stworzono z perowskitu ołowiowo-halogenkowego. W przeciwieństwie do krzemu jest on bardzo łatwy w przetwarzaniu, a jego właściwości można precyzyjnie dobierać, zmieniając skład chemiczny. Jeśli zawiera nieco więcej jonów jodu, absorbuje światło czerwone, gdy dodamy bromu materiał absorbuje kolor zielony, a chlor odpowiada za kolor niebieski. Nie trzeba przy tym stosować żadnych filtrów. Co więcej, poszczególne warstwy są przezroczyste dla kolorów, które nie są dla nich przeznaczone. A to oznacza, że piksele odpowiedzialne za czerwony, zielony i niebieski mogą znajdować się jeden na drugim. W krzemowych matrycach muszą znajdować się obok siebie.

Dzięki możliwości układania warstw pikseli kolorów na sobie perowskitowy czujnik może, co najmniej w teorii, przechwycić trzykrotnie więcej światła niż matryca krzemowa i zapewnia trzykrotnie większa rozdzielczość na tej samej powierzchni. To zresztą zespół Kovalenki udowodnił kilka lat temu, prezentując w laboratorium działające duże piksele o wymiarach sięgających milimetra.

Teraz zaś, po raz pierwszy, uczeni zbudowali działające perowskitowe matryce światłoczułe. Rozwinęliśmy technologię z dużego urządzenia demonstracyjnego, do matrycy, której rozmiary pozwalają zastosować ją w praktyce. Pierwszy tranzystor był wielkim kawałkiem germanu z licznymi połączeniami. Teraz, 60 lat później, rozmiary tranzystorów liczymy w nanometrach, mówi współautor badań, Sergii Yakunin.

Perowskitowe matryce znajdują się na wczesnym etapie rozwoju. Jednak dwa zaprezentowane prototypy dowodzą, że można je miniaturyzować za pomocą powszechnie używanych metod technologii cienkowarstwowej. Twórcy matryc przeprowadzili liczne eksperymenty, w czasie których wykazali, że są one bardziej czułe na światło, lepiej oddają kolory i zapewniają wyższą rozdzielczość niż matryce krzemowe. Sam fakt, że każdy z pikseli może przechwytywać pełne spektrum światła eliminuje niektóre zakłócenia obrazu, takie jak mora.

Perowskitowe matryce, dzięki możliwości bardzo precyzyjnego dobierania zakresu fali światła, którą pochłaniają, mogą szczególnie przydać się w obrazowaniu medycznym. Dzięki nim można bowiem zdefiniować bardzo wiele zakresów kolorów. W przypadku krzemu dla każdego koloru trzeba zastosować osobny filtr, co jest trudne i niepraktyczne nawet w przypadku niewielu barw.

Twórcy nowego czujnika skupiają się teraz na zmniejszeniu rozmiarów pojedynczego piksela. Obecnie ich piksele mają od 0,5 do 1 mmm długości. W komercyjnych matrycach ich wielkości są liczone w mikrometrach. Perowskity powinny pozwolić na stworzenie piksela mniejszego nawet niż piksele na krzemie, wyjaśnia Yakunin. Trzeba też dostosować całą elektronikę, za pomocą której połączona jest matryca. Obecnie wszelkie połączenia i techniki przetwarzania obrazu są zoptymalizowane pod kątem współpracy z krzemem. Szwajcarscy badacze są przekonani, że poradzą sobie z tymi wyzwaniami.

Źródło: Vertically stacked monolithic perovskite colour photodetectors, https://www.nature.com/articles/s41586-025-09062-3

perowskit matryca światłoczuła aparat fotografia cyfrowa obrazowanie medyczne