Roodgevoelig, blauwgevoelige en groengevoelige kleursensoren die op elkaar zijn gestapeld in plaats van in een mozaïekpatroon te zijn opgesteld - met dit principe zouden beeldsensoren met een ongekende resolutie en gevoeligheid voor licht kunnen worden gecreëerd. Echter, tot dusver, de realiteit heeft niet helemaal aan de verwachtingen voldaan. Onderzoekers van Empa en ETH Zürich hebben nu een sensorprototype ontwikkeld dat licht bijna optimaal absorbeert – en bovendien goedkoop te produceren is.

Het menselijk oog heeft drie verschillende soorten sensorische cellen voor de waarneming van kleur:cellen die respectievelijk gevoelig zijn voor rood, groen en blauw wisselen elkaar af in het oog en combineren hun informatie om een ​​algeheel gekleurd beeld te creëren. Beeldsensoren, bijvoorbeeld in camera's van mobiele telefoons, werk op een vergelijkbare manier:blauw, groene en rode sensoren wisselen elkaar af in een mozaïekachtig patroon. Intelligente software-algoritmen berekenen uit de afzonderlijke kleurpixels een kleurenbeeld met hoge resolutie.

Echter, het principe heeft ook enkele inherente beperkingen:aangezien elke individuele pixel slechts een klein deel van het lichtspectrum kan absorberen dat erop valt, een groot deel van het licht gaat verloren. In aanvulling, de sensoren hebben in principe de grenzen van de miniaturisering bereikt, en ongewenste beeldstoringen kunnen optreden; deze staan ​​bekend als kleurmoiré-effecten en moeten moeizaam uit het voltooide beeld worden verwijderd.

Alleen transparant voor bepaalde kleuren

Onderzoekers werken daarom al een aantal jaren aan het idee om de drie sensoren op elkaar te stapelen in plaats van ze naast elkaar te plaatsen. Natuurlijk, dit vereist dat de sensoren bovenaan de lichtfrequenties doorlaten die ze niet absorberen naar de sensoren eronder. Aan het eind van de jaren negentig, dit type sensor werd voor het eerst met succes geproduceerd. Het bestond uit drie gestapelde siliciumlagen, die elk slechts één kleur absorbeerden.

Dit resulteerde in feite in een commercieel verkrijgbare beeldsensor. Echter, dit was niet succesvol op de markt omdat de absorptiespectra van de verschillende lagen niet duidelijk genoeg waren, dus een deel van het groene en rode licht werd geabsorbeerd door de blauwgevoelige laag. De kleuren waren daardoor wazig en de lichtgevoeligheid was dus lager dan bij gewone lichtsensoren. In aanvulling, de productie van de absorberende siliciumlagen vereiste een complex en duur fabricageproces.

Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd een sensorprototype te ontwikkelen dat deze problemen omzeilt. Het bestaat uit drie verschillende soorten perovskieten - een halfgeleidend materiaal dat de laatste jaren steeds belangrijker is geworden, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van nieuwe zonnecellen, vanwege zijn uitstekende elektrische eigenschappen en goede optische absorptiecapaciteit. Afhankelijk van de samenstelling van deze perovskieten, ze kunnen, bijvoorbeeld, een deel van het lichtspectrum absorberen, maar blijven transparant voor de rest van het spectrum. De onderzoekers van Maksym Kovalenko's groep bij Empa en ETH Zürich gebruikten dit principe om een ​​kleurensensor te maken met een grootte van slechts één pixel. De onderzoekers waren in staat om zowel eenvoudige eendimensionale als meer realistische tweedimensionale beelden te reproduceren met een extreem hoge kleurgetrouwheid.

Nauwkeurige herkenning van kleuren

De voordelen van deze nieuwe aanpak zijn duidelijk:de absorptiespectra zijn duidelijk gedifferentieerd en de kleurherkenning is dus veel nauwkeuriger dan bij silicium. In aanvulling, de absorptiecoëfficiënten, vooral voor de lichtcomponenten met hogere golflengten (groen en rood), zijn aanzienlijk hoger in de perovskieten dan in silicium. Als resultaat, de lagen kunnen aanzienlijk kleiner worden gemaakt, wat op zijn beurt kleinere pixelgroottes mogelijk maakt. Bij gewone camerasensoren is dit niet cruciaal; echter, voor andere analysetechnologieën, zoals spectroscopie, dit zou een aanzienlijk hogere ruimtelijke resolutie mogelijk kunnen maken. De perovskieten kunnen ook met een relatief goedkoop proces worden geproduceerd.

Echter, er is nog meer werk nodig om dit prototype verder te ontwikkelen tot een commercieel bruikbare beeldsensor. Sleutelgebieden zijn onder meer de miniaturisering van pixels en de ontwikkeling van methoden om in één stap een volledige matrix van dergelijke pixels te produceren. Volgens Kovalenko, dit moet mogelijk zijn met bestaande technologieën.