Parempia kameroita perovskiitilla

Sveitsiläisten Empan ja ETH:n tutkijat kehittävät perovskiitista valmistettua kuvakennoa, joka pystyy tuottamaan todellisia värejä myös huonoissa valaistusolosuhteissa.

Nykyään digitaalinen valokuvaus on yksinkertaista ja siksi yleistä. Joka vuosi uusimmat laitteet lupaavat entistä paremman kuvakennon, jossa on entistä enemmän megapikseleitä. Yleisin anturityyppi perustuu piihin mutta se ei ole ainoa tapa tehdä digitaalinen kuvakenno – eikä ehkä edes paras.

Empan ja ETH Zurichin tutkijat työskentelevät perovskiitista tehdyn kuvasensorin parissa, joka kykenee vangitsemaan huomattavasti enemmän valoa kuin sen piistä tehty vastine.

Piikuvakennossa RGB-pikselit on järjestetty vierekkäin ruudukoksi. Jokainen pikseli vangitsee vain noin kolmanneksen sen saavuttavasta valosta. Värisuodatin estää loput kaksi kolmasosaa.

Lyijyhalogenidiperovskiiteista tehdyt pikselit eivät tarvitse lisäsuodatinta: se on jo niin sanotusti "rakennettu" materiaaliin. Sveitsiläiset tutkijat ovat onnistuneet tuottamaan lyijyhalogenidiperovskiitteja siten, että ne absorboivat vain tietyn aallonpituuden valoa – ja siten väriä – mutta ovat läpinäkyviä muille aallonpituuksille.

Tämä tarkoittaa, että punaisen, vihreän ja sinisen pikselit voidaan pinota päällekkäin sen sijaan, että ne järjestettäisiin vierekkäin. Tuloksena oleva pikseli voi absorboida näkyvän valon koko aallonpituusspektrin.

"Perovskite-anturi pystyisi siksi sieppaamaan kolme kertaa enemmän valoa alueelta kuin tavallinen piianturi", selittää Empan tutkija Ivan Shorubalko. Lisäksi perovskiitti muuntaa suuremman osan absorboidusta valosta sähköiseksi signaaliksi, mikä tekee kuvasensorista entistä tehokkaamman.

Maksym Kovalenkon tiimi pystyi ensimmäisen kerran valmistamaan yksittäisiä toimivia pinottuja perovskiittipikseleitä vuonna 2017.

Kovalenkon johtama ETH-Empa-konsortio on nyt tehnyt yhteistyötä elektroniikkateollisuuden kanssa. "Haasteita on löytää uusien materiaalien valmistus- ja kuviointiprosessit sekä perovskiittien kanssa yhteensopivien elektronisten lukuarkkitehtuurien suunnittelu ja toteutus", korostaa Kovalenko.

Tutkijat työskentelevät nyt alun perin jopa viiden millimetrin kokoisten pikselien pienentämiseksi ja niiden kokoamiseksi toimivaksi kuvakennoksi. "Laboratoriossa emme tuota kameroissa käytettäviä suuria usean megapikselin antureita", Shorubalko selittää, "mutta noin 100 000 pikselin anturin koolla voimme jo näyttää, että tekniikka toimii.

Toinen perovskiittipohjaisten kuva-anturien etu on niiden valmistus. Toisin kuin muut puolijohteet, perovskiitit ovat vähemmän herkkiä materiaalivirheille, joten niitä voidaan valmistaa suhteellisen helposti, esimerkiksi kerrostamalla ne liuoksesta kantajamateriaalille.

Jos vuoden 2025 loppuun kestävä hanke onnistuu, teknologia on valmis siirrettäväksi teollisuuteen.

Aiheesta aiemmin:

Värikuvan anturi pinoamalla

Perovskiitti sopii memristoriin ja transistoriin