Sensible au rouge, capteurs de couleur sensibles au bleu et sensibles au vert empilés les uns sur les autres au lieu d'être alignés en mosaïque - ce principe pourrait permettre de créer des capteurs d'image avec une résolution et une sensibilité à la lumière sans précédent. Cependant, jusque là, la réalité n'a pas tout à fait répondu aux attentes. Des chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich ont maintenant développé un prototype de capteur qui absorbe la lumière de manière presque optimale – et qui est également bon marché à produire.

L'œil humain possède trois types de cellules sensorielles différentes pour la perception de la couleur :des cellules respectivement sensibles au rouge, le vert et le bleu alternent dans l'œil et combinent leurs informations pour créer une image colorée globale. Capteurs d'images, par exemple dans les appareils photo des téléphones portables, fonctionnent de manière similaire :bleu, les capteurs verts et rouges alternent en un motif en mosaïque. Des algorithmes logiciels intelligents calculent une image couleur haute résolution à partir des pixels de couleur individuels.

Cependant, le principe a aussi des limites inhérentes :comme chaque pixel individuel ne peut absorber qu'une petite partie du spectre lumineux qui le frappe, une grande partie de la lumière est perdue. En outre, les capteurs ont pratiquement atteint les limites de la miniaturisation, et des perturbations d'image indésirables peuvent survenir ; ceux-ci sont connus sous le nom d'effets de moirage de couleur et doivent être laborieusement supprimés de l'image finie.

Transparent uniquement pour certaines couleurs

Les chercheurs travaillent donc depuis plusieurs années sur l'idée d'empiler les trois capteurs au lieu de les placer les uns à côté des autres. Bien sûr, cela nécessite que les capteurs du dessus laissent passer les fréquences lumineuses qu'ils n'absorbent pas vers les capteurs du dessous. A la fin des années 1990, ce type de capteur a été produit avec succès pour la première fois. Il se composait de trois couches de silicium empilées, dont chacun n'absorbait qu'une seule couleur.

Cela a en fait abouti à un capteur d'image disponible dans le commerce. Cependant, cela n'a pas eu de succès sur le marché car les spectres d'absorption des différentes couches n'étaient pas assez distincts, ainsi une partie de la lumière verte et rouge a été absorbée par la couche sensible au bleu. Les couleurs sont donc floues et la sensibilité à la lumière est donc plus faible que pour les capteurs de lumière ordinaires. En outre, la réalisation des couches de silicium absorbantes nécessitait un procédé de fabrication complexe et coûteux.

Les chercheurs de l'Empa ont maintenant réussi à développer un prototype de capteur qui contourne ces problèmes. Il se compose de trois types différents de pérovskites - un matériau semi-conducteur qui est devenu de plus en plus important au cours des dernières années, par exemple dans le développement de nouvelles cellules solaires, en raison de ses propriétés électriques exceptionnelles et de sa bonne capacité d'absorption optique. Selon la composition de ces pérovskites, ils peuvent, par exemple, absorber une partie du spectre lumineux, mais restent transparents pour le reste du spectre. Les chercheurs du groupe de Maksym Kovalenko à l'Empa et à l'ETH Zurich ont utilisé ce principe pour créer un capteur de couleur d'une taille d'un seul pixel. Les chercheurs ont pu reproduire à la fois des images unidimensionnelles simples et des images bidimensionnelles plus réalistes avec une fidélité des couleurs extrêmement élevée.

Reconnaissance précise des couleurs

Les avantages de cette nouvelle approche sont clairs :les spectres d'absorption sont clairement différenciés et la reconnaissance des couleurs est ainsi beaucoup plus précise qu'avec le silicium. En outre, les coefficients d'absorption, en particulier pour les composantes lumineuses avec des longueurs d'onde plus élevées (vert et rouge), sont considérablement plus élevés dans les pérovskites que dans le silicium. Par conséquent, les couches peuvent être considérablement réduites, ce qui permet à son tour des tailles de pixels plus petites. Ce n'est pas crucial dans le cas des capteurs de caméra ordinaires; cependant, pour les autres technologies d'analyse, comme la spectroscopie, cela pourrait permettre une résolution spatiale significativement plus élevée. Les pérovskites peuvent également être produites en utilisant un procédé relativement bon marché.

Cependant, davantage de travail est encore nécessaire afin de développer davantage ce prototype en un capteur d'image commercialement utilisable. Les domaines clés incluent la miniaturisation des pixels et le développement de méthodes pour produire une matrice entière de ces pixels en une seule étape. Selon Kovalenko, cela devrait être possible avec les technologies existantes.