Учёные Университета Нагоя разработали нанолисты из оксида цинка, легированного галлием, с чувствительностью 800 ампер на ватт

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Университета Нагоя (Nagoya University) разработала нанолисты из оксида цинка, легированного галлием, которые позволяют одному пикселю одновременно обнаруживать красный, зелёный и синий свет. Этот материал может быть использован в компактных устройствах, таких как смартфоны и медицинские эндоскопы, для повышения разрешения камер.

В отличие от традиционных датчиков, эти нанолисты, оставаясь почти прозрачными, позволяют одному пикселю определять интенсивность красного, зелёного и синего света. Материал является сверхтонким, лёгким и выдерживает температуру до 400 градусов Цельсия, что делает его пригодным для экстремальных условий, таких как космическое оборудование и автомобильные системы. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Большинство коммерческих камер используют массив Байера, где красные, зелёные и синие светофильтры расположены в шахматном порядке на пикселях. Поскольку каждый пиксель воспринимает только один цвет, полноцветное изображение восстанавливается из соседних пикселей. Если один пиксель может обнаруживать все три цвета, общее количество пикселей можно сократить до 75%, что позволяет уменьшить размер сенсора при сохранении разрешения изображения. Прозрачные нанолисты идеально подходят для этого метода, так как они пропускают свет и могут быть вертикально сложены в несколько слоёв, каждый из которых обнаруживает определённый цвет. Такой сенсор также устраняет необходимость в сложных полупроводниковых процессах, требуемых для традиционных RGB-сенсоров, упрощая производство и снижая затраты.

Исследовательская группа под руководством профессора Минору Осады из Института материалов и систем для устойчивого развития Университета Нагоя (Institute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University), совместно с Рубеном Кантон-Виторией и Вивидом Милабом, сосредоточилась на нанолистах из оксида цинка, которые обладают высокой прозрачностью и химической стабильностью. Однако первоначальные эксперименты показали, что эти нанолисты слабо реагируют на видимый свет, что ограничивает их применение в камерах. Для преодоления этого ограничения команда настроила электронную структуру оксида цинка путём добавления галлия, создав ловушечные состояния, которые захватывают электроны и преобразуют свет в электрический сигнал. Это улучшение позволило нанолистам сильно реагировать на видимый свет, сохраняя при этом прозрачность.

Анализ показал, что нанолисты из оксида цинка, легированного галлием, преобразуют лишь 0,005% поглощённой световой энергии в фототок, пропуская 99,995% видимого света через каждый слой. Несмотря на чрезвычайно низкую энергоэффективность, улучшенные нанолисты достигли чувствительности 800 ампер на ватт, что значительно превышает типичные 10 ампер на ватт для коммерческих сенсоров. Ловушечные состояния обеспечивают сильный отклик на небольшое количество поглощённого света, в то время как большая часть света проходит к последующим слоям. Это свойство позволяет создавать цветоселективные стопки. Команда разработала сверхтонкий сенсор: первый слой из легированного галлием оксида цинка использует фотоактивные ловушечные состояния для обнаружения всего видимого спектра; после фильтрации красного света второй слой обнаруживает зелёный и синий компоненты; наконец, с помощью зелёного отсекающего фильтра последний слой отдельно обнаруживает синий свет. Эксперименты подтвердили, что устройство успешно воспроизводит полноцветные изображения с погрешностью вдвое меньшей, чем у традиционных камер. Минору Осада отметил, что этот оптический сенсор очень похож на то, как человеческий глаз различает красный, зелёный и синий цвета, а мозг восстанавливает цвет, комбинируя реакции трёх типов зрительных клеток.

Помимо оптических характеристик, устройство сохраняет стабильный фотоотклик при температуре до 400 градусов Цельсия на воздухе, а также демонстрирует стабильную работу в вакууме и во влажных условиях. Сенсор может быть изготовлен методом растворной обработки при комнатной температуре, без необходимости в высокотемпературной обработке и сложной микрообработке, требуемых для традиционных сенсоров. Интегрируя несколько функций обнаружения света в одном устройстве, команда продемонстрировала путь к созданию более компактных, интегрированных и высокопроизводительных оптоэлектронных устройств по сравнению с существующими камерами, причём с более низкой стоимостью.