de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der japanischen Universität Nagoya (Nagoya University) ist die Entwicklung von mit Gallium dotierten Zinkoxid-Nanoblättern gelungen, die es einem einzelnen Pixel ermöglichen, gleichzeitig rotes, grünes und blaues Licht zu erkennen. Dieses Material könnte in kompakten Geräten wie Smartphones und medizinischen Endoskopen eingesetzt werden, um die Kameraauflösung zu verbessern.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren ermöglichen diese Nanoblätter, die nahezu transparent bleiben, dass ein einzelnes Pixel die Intensität von rotem, grünem und blauem Licht erfasst. Das Material ist ultradünn, leicht und hält Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius stand, was es für extreme Umgebungen wie Weltraumhardware und Kfz-Systeme geeignet macht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ veröffentlicht.
Die meisten handelsüblichen Kameras verwenden ein Bayer-Muster, bei dem rote, grüne und blaue Farbfilter in einem Schachbrettmuster auf den Pixeln angeordnet sind. Da jedes Pixel nur eine Farbe wahrnimmt, muss ein Vollfarbbild aus benachbarten Pixeln rekonstruiert werden. Wenn ein einzelnes Pixel alle drei Farben erkennen kann, kann die Gesamtzahl der Pixel um bis zu 75 % reduziert werden, wodurch der Sensor bei gleichbleibender Bildauflösung verkleinert werden kann. Transparente Nanoblätter eignen sich hervorragend für diesen Ansatz, da sie Licht durchlassen und vertikal in mehreren Schichten gestapelt werden können, wobei jede Schicht eine andere Farbe erkennt. Ein solcher Sensor macht zudem die bei herkömmlichen Rot-Grün-Blau-Sensoren erforderlichen komplexen Halbleiterprozesse überflüssig, vereinfacht die Produktion und senkt die Kosten.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Minoru Osada vom Institut für Materialien und Systeme für Nachhaltigkeit der Universität Nagoya (Institute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University) konzentrierte sich zusammen mit Ruben Canton-Vitoria und Vivid Meelab auf Zinkoxid-Nanoblätter, die hochtransparent und chemisch stabil sind. Erste Experimente zeigten jedoch, dass diese Nanoblätter nur schwach auf sichtbares Licht reagieren, was ihren Einsatz in Kamerasensoren einschränkte. Um diese Einschränkung zu überwinden, passte das Team die elektronische Struktur von Zinkoxid durch die Zugabe von Gallium an und schuf so Haftstellen (Trap-Zustände), die Elektronen einfangen und Licht in elektrische Signale umwandeln können. Diese Verbesserung führte dazu, dass die Nanoblätter stark auf sichtbares Licht reagieren, während sie gleichzeitig ihre Transparenz behalten.
Analysen zeigten, dass die mit Gallium dotierten Zinkoxid-Nanoblätter nur 0,005 % der absorbierten Lichtenergie in Photostrom umwandeln, während jede Schicht 99,995 % des sichtbaren Lichts durchlässt. Trotz der extrem geringen Energieausbeute erreichten die verbesserten Nanoblätter eine Empfindlichkeit von 800 Ampere pro Watt, was weit über den typischen 10 Ampere pro Watt handelsüblicher Sensoren liegt. Die Haftstellen ermöglichen eine starke Reaktion auf die geringe Menge absorbierten Lichts, während der Großteil des Lichts zu den nachfolgenden Schichten durchgelassen wird. Diese Eigenschaft ermöglicht ein farbselektives Stapeln. Das Team entwickelte einen ultradünnen Sensor: Die erste Schicht aus mit Gallium dotiertem Zinkoxid nutzt photoaktive Haftstellen, um das gesamte sichtbare Spektrum zu erfassen; nach dem Herausfiltern des roten Lichts erfasst die zweite Schicht aus mit Gallium dotiertem Zinkoxid die grünen und blauen Anteile; schließlich erfasst die letzte Schicht nach einem Grün-Sperrfilter nur noch das blaue Licht. Experimente bestätigten, dass das Gerät erfolgreich Vollfarbbilder mit einer Fehlerrate von nur der Hälfte herkömmlicher Kameras reproduzierte. Minoru Osada erklärte, dass dieser optische Sensor der Art und Weise, wie das menschliche Auge rote, grüne und blaue Farben unterscheidet, sehr ähnlich sei, indem das Gehirn die Reaktionen der drei Sehzellen kombiniert, um Farben zu rekonstruieren.
Neben der optischen Leistung zeigte das Gerät eine stabile Lichtreaktion bei Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius an der Luft sowie eine gleichbleibende Leistung unter Vakuum- und Feuchtigkeitsbedingungen. Der Sensor kann zudem durch einen Raumtemperatur-Lösungsprozess hergestellt werden, ohne die für herkömmliche Sensoren erforderlichen Hochtemperaturbehandlungen und komplexen Mikrostrukturierungsprozesse. Durch die Integration mehrerer Lichtdetektionsfunktionen in ein einziges Gerät hat das Team einen Weg zu kleineren, stärker integrierten und leistungsfähigeren optoelektronischen Geräten zu geringeren Kosten aufgezeigt als bei herkömmlichen Kameras.
