sensibile al rosso, sensori di colore sensibili al blu e al verde impilati uno sopra l'altro invece di essere allineati in un motivo a mosaico:questo principio potrebbe consentire la creazione di sensori di immagine con una risoluzione e una sensibilità alla luce senza precedenti. Però, finora, la realtà non ha del tutto soddisfatto le aspettative. I ricercatori dell'Empa e dell'ETH di Zurigo hanno ora sviluppato un prototipo di sensore che assorbe la luce in modo quasi ottimale ed è anche economico da produrre.

L'occhio umano possiede tre diversi tipi di cellule sensoriali per la percezione del colore:cellule che sono rispettivamente sensibili al rosso, il verde e il blu si alternano nell'occhio e combinano le loro informazioni per creare un'immagine colorata complessiva. Sensori di immagine, ad esempio nelle fotocamere dei telefoni cellulari, funzionano in modo simile:blu, i sensori verde e rosso si alternano in uno schema a mosaico. Algoritmi software intelligenti calcolano un'immagine a colori ad alta risoluzione dai singoli pixel di colore.

Però, il principio ha anche alcune limitazioni intrinseche:poiché ogni singolo pixel può assorbire solo una piccola parte dello spettro luminoso che lo colpisce, si perde gran parte della luce. Inoltre, i sensori hanno sostanzialmente raggiunto i limiti della miniaturizzazione, e possono verificarsi disturbi dell'immagine indesiderati; questi sono noti come effetti color moiré e devono essere laboriosamente rimossi dall'immagine finita.

Trasparente solo per alcuni colori

I ricercatori stanno quindi lavorando da diversi anni all'idea di impilare i tre sensori invece di posizionarli uno accanto all'altro. Certo, ciò richiede che i sensori in alto lascino passare le frequenze luminose che non assorbono ai sensori sottostanti. Alla fine degli anni '90, questo tipo di sensore è stato prodotto con successo per la prima volta. Consisteva di tre strati di silicio sovrapposti, ognuno dei quali assorbiva un solo colore.

Ciò ha effettivamente portato a un sensore di immagine disponibile in commercio. Però, questo non ha avuto successo sul mercato perché gli spettri di assorbimento dei diversi strati non erano sufficientemente distinti, così parte della luce verde e rossa è stata assorbita dallo strato sensibile al blu. I colori quindi sfocati e la sensibilità alla luce era quindi inferiore rispetto ai normali sensori di luce. Inoltre, la produzione degli strati assorbenti di silicio richiedeva un processo produttivo complesso e costoso.

I ricercatori dell'Empa sono ora riusciti a sviluppare un prototipo di sensore che aggira questi problemi. Consiste di tre diversi tipi di perovskite, un materiale semiconduttore che negli ultimi anni è diventato sempre più importante, ad esempio nello sviluppo di nuove celle solari, grazie alle sue eccezionali proprietà elettriche e alla buona capacità di assorbimento ottico. A seconda della composizione di queste perovskiti, loro possono, Per esempio, assorbire parte dello spettro luminoso, ma rimangono trasparenti per il resto dello spettro. I ricercatori del gruppo di Maksym Kovalenko presso l'Empa e l'ETH di Zurigo hanno utilizzato questo principio per creare un sensore di colore con una dimensione di un solo pixel. I ricercatori sono stati in grado di riprodurre sia semplici immagini unidimensionali sia immagini bidimensionali più realistiche con una fedeltà cromatica estremamente elevata.

Riconoscimento accurato dei colori

I vantaggi di questo nuovo approccio sono evidenti:gli spettri di assorbimento sono chiaramente differenziati e il riconoscimento del colore è quindi molto più preciso rispetto al silicio. Inoltre, i coefficienti di assorbimento, soprattutto per le componenti luminose con lunghezze d'onda maggiori (verde e rosso), sono notevolmente più elevate nelle perovskiti che nel silicio. Di conseguenza, gli strati possono essere resi significativamente più piccoli, che a sua volta consente dimensioni di pixel più piccole. Questo non è cruciale nel caso dei normali sensori della fotocamera; però, per altre tecnologie di analisi, come la spettroscopia, questo potrebbe consentire una risoluzione spaziale significativamente maggiore. Le perovskiti possono anche essere prodotte utilizzando un processo relativamente economico.

Però, è ancora necessario ulteriore lavoro per sviluppare ulteriormente questo prototipo in un sensore di immagine utilizzabile commercialmente. Le aree chiave includono la miniaturizzazione dei pixel e lo sviluppo di metodi per produrre un'intera matrice di tali pixel in un unico passaggio. Secondo Kovalenko, questo dovrebbe essere possibile con le tecnologie esistenti.