Sensível ao vermelho, sensores de cor sensíveis ao azul e ao verde empilhados uns sobre os outros em vez de alinhados em um padrão de mosaico - esse princípio poderia permitir a criação de sensores de imagem com resolução e sensibilidade à luz sem precedentes. Contudo, até aqui, a realidade ainda não atendeu às expectativas. Pesquisadores da Empa e da ETH Zurich desenvolveram agora um protótipo de sensor que absorve luz de maneira quase ideal - e também é barato de produzir.

O olho humano possui três tipos diferentes de células sensoriais para a percepção da cor:células que são respectivamente sensíveis ao vermelho, o verde e o azul se alternam no olho e combinam suas informações para criar uma imagem colorida geral. Sensores de imagem, por exemplo, em câmeras de telefones celulares, funcionam de maneira semelhante:azul, sensores verdes e vermelhos alternam em um padrão de mosaico. Algoritmos de software inteligentes calculam uma imagem colorida de alta resolução a partir de pixels de cores individuais.

Contudo, o princípio também tem algumas limitações inerentes:como cada pixel individual pode absorver apenas uma pequena parte do espectro de luz que o atinge, uma grande parte da luz é perdida. Além disso, os sensores basicamente atingiram os limites da miniaturização, e podem ocorrer distúrbios de imagem indesejados; estes são conhecidos como efeitos de moiré de cor e devem ser laboriosamente removidos da imagem final.

Transparente apenas para certas cores

Os pesquisadores, portanto, vêm trabalhando há vários anos na ideia de empilhar os três sensores em vez de colocá-los lado a lado. Claro, isso requer que os sensores na parte superior deixem passar as frequências de luz que eles não absorvem para os sensores na parte inferior. No final da década de 1990, este tipo de sensor foi produzido com sucesso pela primeira vez. Consistia em três camadas de silício empilhadas, cada um absorvendo apenas uma cor.

Na verdade, isso resultou em um sensor de imagem disponível comercialmente. Contudo, isso não teve sucesso no mercado porque os espectros de absorção das diferentes camadas não eram distintos o suficiente, portanto, parte da luz verde e vermelha foi absorvida pela camada sensível ao azul. As cores, portanto, ficaram borradas e a sensibilidade à luz foi menor do que para sensores de luz comuns. Além disso, a produção das camadas de silício absorventes exigia um processo de fabricação complexo e caro.

Os pesquisadores da Empa agora conseguiram desenvolver um protótipo de sensor que contorna esses problemas. É composto por três tipos diferentes de perovskitas - um material semicondutor que se tornou cada vez mais importante nos últimos anos, por exemplo, no desenvolvimento de novas células solares, devido às suas excelentes propriedades elétricas e boa capacidade de absorção óptica. Dependendo da composição dessas perovskitas, eles podem, por exemplo, absorver parte do espectro de luz, mas permanecem transparentes para o resto do espectro. Os pesquisadores do grupo de Maksym Kovalenko na Empa e na ETH Zurich usaram esse princípio para criar um sensor de cores com o tamanho de apenas um pixel. Os pesquisadores foram capazes de reproduzir imagens unidimensionais simples e imagens bidimensionais mais realistas com uma fidelidade de cores extremamente alta.

Reconhecimento preciso de cores

As vantagens desta nova abordagem são claras:os espectros de absorção são claramente diferenciados e o reconhecimento de cores é, portanto, muito mais preciso do que com o silício. Além disso, os coeficientes de absorção, especialmente para os componentes de luz com maiores comprimentos de onda (verde e vermelho), são consideravelmente maiores nas perovskitas do que no silício. Como resultado, as camadas podem ser significativamente menores, o que, por sua vez, permite tamanhos de pixel menores. Isso não é crucial no caso de sensores de câmera comuns; Contudo, para outras tecnologias de análise, como espectroscopia, isso poderia permitir uma resolução espacial significativamente maior. As perovskitas também podem ser produzidas usando um processo comparativamente barato.

Contudo, mais trabalho ainda é necessário para desenvolver este protótipo em um sensor de imagem utilizável comercialmente. As principais áreas incluem a miniaturização de pixels e o desenvolvimento de métodos para produzir uma matriz inteira de tais pixels em uma única etapa. De acordo com Kovalenko, isso deve ser possível com as tecnologias existentes.