Mengambil foto yang lebih baik dengan lebih sedikit cahaya: itulah janji sensor gambar berbasis perovskite. Bahan semikonduktor inovatif memungkinkan reproduksi warna yang lebih baik dan lebih sedikit artefak gambar. Selain itu, sensor perovskite sangat cocok untuk penglihatan mesin. Para peneliti di EMPA dan ETH Zurich telah mengembangkan teknologi dari awal. Prototipe sensor terbaru mereka menunjukkan potensi besar.
Sensor gambar dibangun ke dalam setiap smartphone dan setiap kamera digital. Mereka membedakan warna dengan cara yang mirip dengan mata manusia. Di retina kami, sel kerucut individu mengenali merah, hijau dan biru (RGB). Dalam sensor gambar, piksel individual menyerap panjang gelombang yang sesuai dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.
Sebagian besar sensor gambar terbuat dari silikon. Bahan semikonduktor ini biasanya menyerap cahaya di seluruh spektrum yang terlihat. Untuk memproduksinya menjadi sensor gambar RGB, lampu yang masuk harus disaring. Piksel untuk merah berisi filter yang memblokir (dan limbah) hijau dan biru, dan sebagainya. Setiap piksel dalam sensor gambar silikon dengan demikian hanya menerima sekitar sepertiga dari cahaya yang tersedia.
Maksym Kovalenko dan timnya terkait dengan ETH Zurich (Laboratorium Kimia Anorganik) dan EMPA (Laboratorium untuk Film Tipis dan Fotovoltaik), bekerja sama dengan Laboratorium EMPA untuk Transportasi di Antarmuka Nanoscale, telah mengusulkan solusi baru, yang memungkinkan mereka untuk memanfaatkan setiap foton cahaya untuk pengenalan warna. Selama hampir satu dekade, mereka telah meneliti sensor gambar berbasis perovskite. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Nature, mereka menunjukkan: The New Technology Works.
Dasar untuk sensor citra inovatif mereka adalah Lead Halide Perovskite. Bahan kristal ini juga merupakan semikonduktor. Berbeda dengan silikon, bagaimanapun, sangat mudah untuk diproses – dan sifat fisiknya bervariasi dengan komposisi kimianya yang tepat. Inilah tepatnya yang memanfaatkan para peneliti dalam pembuatan sensor gambar perovskite. Jika perovskit mengandung ion yodium sedikit lebih, itu menyerap lampu merah. Untuk hijau, para peneliti menambahkan lebih banyak bromin, untuk lebih banyak klorin biru – tanpa perlu filter. Lapisan piksel perovskite tetap transparan untuk panjang gelombang lainnya, memungkinkan mereka untuk melewati. Ini berarti bahwa piksel untuk merah, hijau dan biru dapat ditumpuk di atas satu sama lain dalam sensor gambar, tidak seperti sensor gambar silikon, di mana piksel diatur berdampingan.
Sensor gambar yang berfungsi
Berkat pengaturan ini, sensor gambar berbasis perovskite dapat, secara teori, dapat menangkap tiga kali lebih banyak cahaya sensor gambar konvensional dari area permukaan yang sama sambil juga menyediakan resolusi spasial tiga kali lebih tinggi. Para peneliti dari tim Kovalenko mampu menunjukkan hal ini beberapa tahun yang lalu, awalnya dengan piksel individu yang terlalu besar yang terbuat dari kristal tunggal milimeter-besar. Sekarang, untuk pertama kalinya, mereka telah membangun dua sensor gambar perovskite film tipis yang berfungsi penuh. “Kami sedang mengembangkan teknologi lebih jauh dari bukti kasar prinsip ke dimensi di mana ia benar -benar dapat digunakan,” kata Kovalenko. Kursus perkembangan yang normal untuk komponen elektronik: “Transistor pertama terdiri dari sepotong besar germanium dengan beberapa koneksi. Hari ini, 60 tahun kemudian, transistor hanya mengukur beberapa nanometer.”
Sensor gambar perovskite masih dalam tahap awal pengembangan. Namun, dengan dua prototipe, para peneliti dapat menunjukkan bahwa teknologi tersebut dapat miniatur. Diproduksi menggunakan proses film tipis yang umum di industri, sensor telah mencapai ukuran targetnya setidaknya dalam dimensi vertikal. “Tentu saja, selalu ada potensi untuk optimasi,” kata rekan penulis Sergii Yakunin, yang memimpin kegiatan terkait tim Kovalenko.
Dalam banyak percobaan, para peneliti menempatkan dua prototipe, yang berbeda dalam teknologi pembacaan mereka, melalui langkah mereka. Hasilnya membuktikan keunggulan perovskite: sensor lebih sensitif terhadap cahaya, lebih tepat dalam reproduksi warna dan dapat menawarkan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada teknologi silikon konvensional. Fakta bahwa setiap piksel menangkap semua cahaya juga menghilangkan beberapa artefak fotografi digital, seperti demosaicing dan efek Moiré.
Namun, kamera digital konsumen bukan satu -satunya area aplikasi untuk sensor gambar perovskite. Karena sifat material, mereka juga sangat cocok untuk digunakan dalam penglihatan mesin. Fokus pada merah, hijau dan biru ditentukan oleh mata manusia: sensor gambar kita bekerja dalam format RGB karena mata kita melihat dalam mode RGB. Namun, ketika menyelesaikan tugas -tugas tertentu, disarankan untuk menentukan rentang panjang gelombang optimal lainnya yang harus dibaca oleh sensor gambar komputer. Seringkali ada lebih dari tiga – yang disebut pencitraan hiperspektral.
Sensor perovskit memiliki keunggulan yang menentukan dalam pencitraan hiperspektral. Para peneliti dapat dengan tepat mengontrol rentang panjang gelombang yang mereka serap oleh masing -masing lapisan. “Dengan perovskite, kita dapat menentukan sejumlah besar saluran warna yang jelas terpisah satu sama lain,” kata Yakunin. Silikon, dengan spektrum penyerapannya yang luas, membutuhkan banyak filter dan algoritma komputer yang kompleks. “Ini sangat tidak praktis bahkan dengan jumlah warna yang relatif kecil,” Kovalenko meringkas. Sensor gambar hiperspektral yang didasarkan pada perovskit dapat digunakan dalam analisis medis atau dalam pemantauan otomatis pertanian dan lingkungan, misalnya.
Pada langkah berikutnya, para peneliti ingin lebih mengurangi ukuran dan meningkatkan jumlah piksel dalam sensor gambar perovskit mereka. Dua prototipe mereka memiliki ukuran piksel antara 0,5 dan 1 milimeter. Piksel dalam sensor gambar komersial termasuk dalam kisaran mikrometer. “Harus dimungkinkan untuk membuat piksel yang lebih kecil dari perovskite daripada dari silikon,” kata Yakunin. Koneksi elektronik dan teknik pemrosesan perlu diadaptasi untuk teknologi baru. “Elektronik pembacaan hari ini dioptimalkan untuk silikon. Tetapi perovskite adalah semikonduktor yang berbeda, dengan sifat material yang berbeda,” kata Kovalenko. Namun, para peneliti yakin bahwa tantangan ini dapat diatasi.
Sensor gambar berbasis perovskite (atas) menangkap tiga kali lebih banyak cahaya per piksel berkat penumpukan lapisan transparan. Ilustrasi: EMPA
