Farvepixel lavet af nanotråde tilbyder et nyt paradigme for digitale kameraer

(Phys.org) —De fleste af nutidens digitale kameraer opnår farve ved at bruge rødt, grøn, og blå Bayer -farvefiltre, hvorigennem lys passerer på vej til kameraets billedsensorer, som derefter konverterer lyset til elektriske signaler. Selvom denne farvefilterteknologi er meget udbredt, det har nogle ulemper i forbindelse med holdbarhed, lav absorptionskoefficient, og fabrikationskompleksitet. Ud over, det absorberede lys i farvefilteret kan ikke omdannes til fotostrøm. For at maksimere effektiviteten i tendenser med højere pixeltæthed, dette lys skal konverteres til fotostrøm.

I de seneste år, forskere har undersøgt nye måder at opnå farve på i digitale kameraer, der ikke er afhængige af konventionelle organiske farvefiltre. I et nyt blad udgivet i Nano bogstaver , et team af forskere fra Harvard University i Cambridge, Massachusetts, og Zena Technologies Inc., i Topsfield, Massachusetts, har præsenteret en ny filterfri tilgang til farvebilleder. Teknikken bruger silicium nanotråde med forskellige radier til at absorbere specifikke bølgelængder, og dermed farver, af lys og omdanner lyset til fotostrøm.

"Vores nanotrådsbaserede tilgang udfører farvebilleder uden konventionelle farvefiltre, " fortalte medforfatter Kenneth B. Crozier fra Harvard University Phys.org . "Dette har to store fordele. For det første vores tilgang forenkler fremstillingsprocessen. Nanowire-baserede billedsensorpixel med forskellige farvesvar kan defineres på samme tid gennem et enkelt litografitrin. Dette betyder, at der ikke er behov for yderligere materialer eller gentagne afsætningstrin for at adskille farver. Sekund, vores tilgang åbner mulighed for at øge effektiviteten af ​​en billedsensor. Hver nanotråd fanger lys i en bestemt farve, og konverterer det til fotostrøm. Hvis vi tilføjer substrat fotodetektor, vi kan fange resten af ​​spektret. På denne måde, billedsensoren kan have højere effektivitet, da fotoner ikke ville blive kasseret af absorberende filtre."

Den nye tilgang drager fordel af de unikke optiske og elektriske egenskaber ved endimensionale halvleder-nanotråde. Tidligere forskning har vist, at silicium nanotråde absorberer bølgelængder af lys, der varierer med nanotrådens radius, giver mulighed for kontrol af lysabsorption ved at fremstille nanotråde med kontrollerede radier ved hjælp af et enkelt litografitrin. Imidlertid, ingen farvebilledeksperimenter er blevet udført med silicium nanotråde indtil nu, dels på grund af vanskeligheden ved at samle et stort antal nanotråde i arrays.

I den nye undersøgelse, forskerne fremstillede med succes 100 x 100 arrays af lodrette nanotråde med radier på 80, 100, 120, og 140 nm, tillader nanotråde at absorbere forskellige bølgelængder af lys. Forskerne demonstrerede, at disse nanotrådbaserede fotodetektorer kan fotografere farvebilleder af testscener og Macbeth ColorChecker-kortet med en kvalitet, der meget ligner den, der opnås med et konventionelt kamera.

Den nye filterfri farvebilledteknik har nogle vigtige fordele sammenlignet med den konventionelle filterteknik, hvor det måske vigtigste er en højere absorptionseffektivitet, der giver mulighed for højere pixeltætheder og højere opløsning. Forskerne forudsiger, at tilføjelse af en bundfotodetektor til nanotrådsarrayet ville gøre det muligt, i princippet, for at enheden kan absorbere alt indgående lys og konvertere det til fotostrøm. En sådan enhed har potentiale for ekstremt høje fotoneffektiviteter sammenlignet med filterbaserede enheder, som i sagens natur absorberer cirka halvdelen af ​​det indkommende lys, før det når billedsensoren. Den større effektivitet ville så bane vejen for kameraer med højere opløsninger. Ud over en forbedret effektivitet, denne tilgang forenkler fremstillingsprocessen. Som forskerne forklarer, pixels med forskellige farveresponser kan defineres på samme tid gennem et enkelt litografitrin.

Desuden, de nanotrådbaserede fotodetektorer giver også mulighed for multispektral billeddannelse. Kameraer bruger multispektral billeddannelse til at fange lys ved forskellige frekvenser af spektret, inklusive frekvenser ud over det synlige lysområde. Med den nye metode forskellige dele af spektret kan målrettes til absorption ved at fremstille nanotråde med specifikke radier, en relativt enkel proces sammenlignet med fabrikationsfiltre og andre metoder. Forskerne planlægger at arbejde på at forbedre fotodetektorerne yderligere i fremtiden.

"Vi arbejder i øjeblikket på at inkorporere substratfotodetektorer for at øge effektiviteten, som vi nævnte ovenfor, "sagde medforfatter Hyunsung Park ved Harvard University." Desuden vi udvikler elliptiske nanotråd-baserede fotodetektorer til polarisationsopløst billeddannelse. Den største hindring for kommercialisering er det højere mørke nuværende niveau for disse enheder, fordi de fremstilles ved ætsning. Dette kommer af, at der er mange overfladetilstande, på grund af nanotrådernes store overflade-til-volumen-forhold og beskadigelse af siliciumkrystalstrukturen fra tør ætsning. Vi tror på, at dette vil blive løst i fremtiden gennem en alternativ fremstillingsproces eller ved at tilføje passiveringslag."

© 2014 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.