Grafenowy sensor światła 10 razy lepszy niż tradycyjne matryce światłoczułe CMOS

Znane powiedzenie jako jedyną troskę profesjonalnych fotografów wymienia światło. Najbardziej martwić się o nie muszą użytkownicy kompaktów i smartfonów. Nadzieją dla nich, choć w odległej jeszcze perspektywie, są osiągnięcia badaczy z Singapuru. Udoskonalili oni technikę wytwarzania sensorów światłoczułych wykorzystujących grafen jako warstwę aktywną. Do tego stopnia, że takie sensory mogą być nawet 10 razy wydajniejsze niż układy, które znajdują się dzisiaj w aparatach cyfrowych.

Taki skok ilościowy, który może przełożyć się również na jakość zdjęć, z pewnością najbardziej ucieszy branżę mobilną. W poszukiwaniu coraz lepszej jakości obrazów, zwłaszcza tych rejestrowanych w słabym oświetleniu lub przy bardzo krótkich czasach ekspozycji, producenci smartfonów sięgają po różnorodne rozwiązania - układy warstwowe, ultrapiksele czy "gigantyczne" z mobilnej perspektywy matryce jak Nokia PureView. W laboratoriach Nokii myśli się również o grafenowych sensorach, ale czy są to konstrukcje porównywalne z osiągnięciem zespołu profesora Wang Qijie z Uniwersytetu z Nanyang?

Zespół ten ulepszył dotychczasową technologię wytwarzania sensorów światłoczułych z warstwą grafenu. Oprócz wytworzenia struktur o charakterze kropek kwantowych dodane zostały nanostruktury w postaci defektów w warstwie grafenu, które wprowadzają barierę potencjału i pozwalają lepiej integrować sygnał elektryczny wygenerowany przez padające fotony. To oczywiście duże uproszczenie, a cały proces jest znacznie bardziej skomplikowany.

Dla dociekliwych schemat ilustrujący powstawanie komórek światłoczułych w grafenowej matrycy.

Wypadkowa czułość nowego typu sensorów jest około prawie 1000 razy wyższa niż czułość dotychczas wytwarzanych matryc grafenowych i około 10 razy większa niż matryc CMOS stosowanych w aparatach cyfrowych. Jednocześnie układy grafenowe potrzebują 10 razy mniej energii. Własności grafenu pozwalają przystosować sensory do pracy ze światłem w zakresie fal od widzialnych (532 nm) do średniej podczerwieni (10 um). 

Wspomniane zalety są bardzo istotne, ale niekoniecznie z perspektywy ewentualnego sukcesu rynkowego rozwiązania. Ważne jest to, że do ich produkcji można byłoby wykorzystać już istniejące linie przystosowane do technologii CMOS. A nadto istotny jest fakt, iż produkcja w przypadku masowego wdrożenia technologii ma być nawet kilka razy tańsza niż obecnej generacji matryc światłoczułych. Korzyści z nowej technologii najszybciej odczuje branża kosmiczna, telekomunikacja oraz nauka. Podobnie było zresztą w przypadku stosowanych obecnie matryc CCD i CMOS. Jednym z ciekawych zastosowań jest wykorzystanie grafenowych sensorów jako alternatywy dla półprzewodnikowych detektorów HgCdTe lub czujników z kwantową studnią potencjału (QWIP). Dopiero na końcu korzyści odczuje zwykły odbiorca.

Źródło: NTU