Investigadores de la ETH de Zúrich y Empa han desarrollado un nuevo sensor de imagen hecho de perovskita.
Este material semiconductor permite una mejor reproducción del color y reduce los artefactos de imagen con menos luz. Los sensores de perovskita también son especialmente adecuados para la visión artificial.
En resumen
- Tomar mejores fotografías con menos luz: esa es la promesa de un nuevo sensor de imagen de perovskita desarrollado por investigadores de la ETH de Zúrich y Empa.
- El nuevo sensor es más sensible a la luz, reproduce los colores con mayor precisión y ofrece una resolución significativamente mayor que los sensores de silicio convencionales.
- Además de las cámaras digitales, el sensor de perovskita es especialmente adecuado para el análisis médico o para la vigilancia automatizada del medio ambiente y la agricultura.
Los sensores de imagen están integrados en todos los teléfonos inteligentes y cámaras digitales. Distinguen los colores de forma similar al ojo humano. En nuestras retinas, los conos individuales reconocen el rojo, el verde y el azul (RGB). En los sensores de imagen, cada píxel absorbe las longitudes de onda correspondientes y las convierte en señales eléctricas.
La gran mayoría de los sensores de imagen están hechos de silicio. Este material semiconductor normalmente absorbe luz en todo el espectro visible. Para fabricarlo en sensores de imagen RGB, es necesario filtrar la luz entrante. Los píxeles para el rojo contienen filtros que bloquean (y desperdician) el verde y el azul, etc. Por lo tanto, cada píxel de un sensor de imagen de silicio solo recibe alrededor de un tercio de la luz disponible.
Maksym Kovalenko y su equipo, asociados con la ETH de Zúrich y Empa, han propuesto una novedosa solución que les permite utilizar cada fotón de luz para el reconocimiento de colores. Llevan casi una década investigando sensores de imagen basados en perovskita. En un nuevo estudio publicado en la prestigiosa revista Nature, demuestran que la nueva tecnología funciona.
píxeles apilados
La base de su innovador sensor de imagen es la perovskita de haluro de plomo. Este material cristalino también es un semiconductor. Sin embargo, a diferencia del silicio, es especialmente fácil de procesar y sus propiedades físicas varían según su composición química exacta. Esto es precisamente lo que los investigadores aprovechan en la fabricación de sensores de imagen de perovskita.
Si la perovskita contiene un poco más de iones de yodo, absorbe la luz roja. Para el verde, los investigadores añaden más bromo, y para el azul, más cloro, sin necesidad de filtros. Las capas de píxeles de perovskita permanecen transparentes para las demás longitudes de onda, lo que permite su paso. Esto significa que los píxeles para el rojo, el verde y el azul pueden apilarse uno encima del otro en el sensor de imagen, a diferencia de los sensores de imagen de silicio, donde los píxeles están dispuestos uno junto al otro.
Gracias a esta disposición, los sensores de imagen basados en perovskita pueden, en teoría, capturar tres veces más luz que los sensores de imagen convencionales de la misma superficie, a la vez que ofrecen una resolución espacial tres veces mayor. Investigadores del equipo de Kovalenko lograron demostrarlo hace unos años, inicialmente con píxeles individuales de gran tamaño compuestos por monocristales de un milímetro de grosor.
Ahora, por primera vez, han construido dos sensores de imagen de perovskita de película delgada completamente funcionales. «Estamos desarrollando la tecnología desde una prueba de concepto preliminar hasta una dimensión donde realmente pueda utilizarse», afirma Kovalenko. Un proceso de desarrollo normal para componentes electrónicos: «El primer transistor consistía en una gran pieza de germanio con un par de conexiones. Hoy, 60 años después, los transistores miden tan solo unos pocos nanómetros».
Los sensores de imagen de perovskita aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo. Sin embargo, con los dos prototipos, los investigadores demostraron que la tecnología se puede miniaturizar. Fabricados mediante procesos de película delgada comunes en la industria, los sensores han alcanzado su tamaño objetivo, al menos en la dimensión vertical. «Por supuesto, siempre hay potencial de optimización», señala el coautor Sergii Yakunin, del equipo de Kovalenko.
En numerosos experimentos, los investigadores pusieron a prueba los dos prototipos, que difieren en su tecnología de lectura. Los resultados demuestran las ventajas de la perovskita: los sensores son más sensibles a la luz, más precisos en la reproducción del color y pueden ofrecer una resolución significativamente mayor que la tecnología de silicio convencional. El hecho de que cada píxel capture toda la luz también elimina algunos de los artefactos de la fotografía digital, como el demosaico y el efecto muaré.
Visión artificial para la medicina y el medio ambiente
Sin embargo, las cámaras digitales de consumo no son el único ámbito de aplicación de los sensores de imagen de perovskita. Gracias a las propiedades del material, también son especialmente adecuados para su uso en visión artificial. El enfoque en rojo, verde y azul lo determina el ojo humano: estos sensores de imagen funcionan en formato RGB porque nuestros ojos ven en modo RGB. Sin embargo, al resolver tareas específicas, es recomendable especificar otros rangos de longitud de onda óptimos que el sensor de imagen de la computadora debe leer. A menudo hay más de tres, lo que se conoce como imágenes hiperespectrales.
Los sensores de perovskita ofrecen una ventaja decisiva en la obtención de imágenes hiperespectrales. Los investigadores pueden controlar con precisión el rango de longitud de onda que absorbe cada capa. «Con la perovskita, podemos definir un mayor número de canales de color claramente separados entre sí», afirma Yakunin. El silicio, con su amplio espectro de absorción, requiere numerosos filtros y complejos algoritmos informáticos. «Esto resulta muy poco práctico incluso con un número relativamente pequeño de colores», resume Kovalenko. Los sensores de imagen hiperespectral basados en perovskita podrían utilizarse, por ejemplo, en análisis médicos o en la monitorización automatizada de la agricultura y el medio ambiente.
En el siguiente paso, los investigadores quieren reducir aún más el tamaño y aumentar la cantidad de píxeles en sus sensores de imagen de perovskita. Sus dos prototipos tienen tamaños de píxel de entre 0,5 y 1 milímetro. Los píxeles en los sensores de imagen comerciales están en el rango micrométrico (1 micrómetro equivale a 0,001 milímetro). «Debería ser posible fabricar píxeles incluso más pequeños a partir de perovskita que de silicio», afirma Yakunin. Las conexiones electrónicas y las técnicas de procesamiento deben adaptarse a la nueva tecnología. «La electrónica de lectura actual está optimizada para el silicio. Pero la perovskita es un semiconductor diferente, con propiedades materiales diferentes», afirma Kovalenko. No obstante, los investigadores están convencidos de que estos desafíos pueden superarse.
Referencias
S Tsarev, D Proniakova, X Liu, E Wu, G Matt, K Sakhatskyi, L Ferraressi, R Kothandaraman, F Fu, I Shorubalko, S Yakunin, MV Kovalenko: fotodetectores de color de perovskita monolíticos apilados verticalmente; Naturaleza, Veröffentlichungsdatum, doi: : 10.1038/s41586-025-09062-3
ETH Zürich News. Traducido al español
