瑞士团队研发钙钛矿图像传感器，大幅提升光利用率与分辨率

IT之家 6 月 23 日消息，在当今数字化时代，图像传感器已成为智能手机和数码相机的核心组件。它们通过类似于人眼的方式识别颜色：在视网膜中，锥状细胞分别感知红、绿、蓝（RGB）光；而在图像传感器中，像素吸收相应波长的光并将其转换为电信号。绝大多数图像传感器是由硅制成的，这种半导体材料通常会吸收整个可见光谱范围内的光。为了将其制造成 RGB 图像传感器，必须对入射光进行过滤。红色像素包含的滤光片会阻挡（并浪费）绿色和蓝色光，依此类推。因此，硅图像传感器中的每个像素仅能接收到大约三分之一的可用光。

如今，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和瑞士材料科学研究所（Empa）的 Maksym Kovalenko 及其团队提出了一种创新解决方案，有望彻底改变这一现状。他们在《自然》杂志上发表的研究成果展示了一种新型钙钛矿基图像传感器，能够充分利用每一个光子进行颜色识别。近十年来，他们一直在研究基于钙钛矿的图像传感器。

据IT之家了解，钙钛矿图像传感器的基础材料是铅卤化物钙钛矿，这种晶体材料是一种半导体，与硅不同，它具有易于加工的特性，且其物理性质会随着化学成分的精确变化而改变。研究人员正是利用这一特性来制造钙钛矿图像传感器。通过调整钙钛矿中的离子含量，可以使其吸收特定波长的光：增加碘离子可吸收红光，增加溴离子可吸收绿光，增加氯离子则可吸收蓝光。由于钙钛矿像素层对其他波长保持透明，允许光线穿透，因此红、绿、蓝像素可以垂直堆叠在一起，而不是像硅图像传感器那样并排排列。

这种堆叠结构使得钙钛矿图像传感器在理论上能够捕获比传统图像传感器多三倍的光，并且提供三倍的空间分辨率。Kovalenko 团队几年前就通过毫米级单晶像素展示了这一潜力，如今他们首次成功制造出两个功能完备的薄膜钙钛矿图像传感器，标志着这项技术从概念验证向实际应用迈出了重要一步。

与传统硅基图像传感器相比，钙钛矿图像传感器具有显著优势。实验结果表明，钙钛矿传感器对光的敏感度更高，色彩还原更精准，分辨率也大幅提升。此外，由于每个像素能够捕获所有光线，一些常见的数字摄影伪影问题，如去马赛克和摩尔纹效应，也得以消除。

钙钛矿图像传感器的应用范围不仅限于消费级数码相机。由于其独特的材料特性，其在机器视觉领域也展现出巨大潜力。传统 RGB 图像传感器的设计基于人眼的视觉模式，但在特定任务中，计算机图像传感器需要读取其他最优波长范围，甚至超过三种颜色，即所谓的高光谱成像。钙钛矿传感器在高光谱成像方面具有决定性优势，研究人员可以通过调整每一层的吸收波长范围来精确控制颜色通道。与需要复杂滤光片和计算机算法的硅基传感器相比，钙钛矿传感器可以定义更多且相互独立的颜色通道，这使其在医疗分析、农业自动化监测和环境监测等领域具有广阔的应用前景。

尽管钙钛矿图像传感器仍处于早期发展阶段，但 Kovalenko 团队已经通过两个原型展示了其可微型化的潜力。目前，这两个原型的像素尺寸在 0.5 到 1 毫米之间，而商业图像传感器的像素尺寸通常在微米级别（1 微米 = 0.001 毫米）。研究人员计划在未来进一步缩小像素尺寸并增加像素数量。Yakunin 表示，钙钛矿有望实现比硅更小的像素尺寸，但这也需要对电子连接和处理技术进行适应性调整。尽管面临挑战，研究人员对克服这些难题充满信心。