钙钛矿成为图像传感器中硅的替代材料

智能手机和数码相机中的图像传感器识别颜色的方式与人眼类似。在视网膜中，单个视锥细胞负责识别红、绿、蓝（RGB）三色。而在图像传感器中，单个像素吸收相应波长的光并将其转换为电信号。

目前，绝大多数图像传感器由硅制成。这种半导体材料通常能吸收整个可见光谱范围内的光。为了制造RGB图像传感器，入射光必须经过滤光处理。红色像素的滤光片会阻挡（并浪费）绿光和蓝光，其他颜色像素同理。因此，硅图像传感器中的每个像素仅能接收约三分之一的有效光。

薄膜技术：研究人员使用的两款钙钛矿传感器原型之一，该原型成功验证了这项技术可实现微型化

近日，苏黎世联邦理工学院和瑞士联邦材料科学与技术研究所的研究人员提出了一种解决方案，能够利用每一个光子进行颜色识别。他们的图像传感器基于卤化铅钙钛矿——一种半导体晶体材料。与硅不同，钙钛矿易于加工，且其物理性质会随化学成分的微小变化而调整。

如果钙钛矿含有稍多的碘离子，它会吸收红光；若增加溴含量，则吸收绿光；而添加更多氯时，则吸收蓝光，全程无需滤光片。钙钛矿像素层对其他波长的光保持透明，允许其穿透。这意味着，红、绿、蓝像素可以堆叠在图像传感器中，而硅传感器则需要将像素并排排列。

得益于这种结构，理论上，钙钛矿图像传感器在相同表面积下可捕获的光量是传统传感器的三倍，同时提供三倍的空间分辨率。研究团队几年前就已通过毫米级单晶制成的超大像素初步验证了这一理论。

如今，他们成功制造出两款功能完整的薄膜钙钛矿图像传感器。研究员Maksym Kovalenko表示：“我们正在将这项技术从原理验证阶段推进至可应用规模。”电子元件的开发通常遵循这一路径，第一个晶体管由一块锗和几个连接点构成，而60年后的今天，晶体管的尺寸已缩小至纳米级。

当前，钙钛矿图像传感器仍处于早期发展阶段。但通过这两款原型，研究人员证明了该技术可以实现微型化。采用工业常用的薄膜工艺制造后，传感器至少在垂直维度上已达到目标尺寸。

通过实验，研究人员对两款采用不同读出技术的原型进行了全面测试。结果表明，相较于传统硅技术，这些传感器对光更敏感，色彩还原更精准，并能提供更高的分辨率。由于每个像素可捕获全部光线，数字摄影中的某些伪影（如摩尔纹）也得以消除。

消费级数码相机，并非钙钛矿图像传感器的唯一应用领域。得益于材料特性，它们还可用于机器视觉。红、绿、蓝三色的聚焦基于人眼特性，这些传感器以RGB格式工作是因为人眼以RGB模式感知。但在解决特定任务时，可设定计算机图像传感器读取其他最佳波长范围，通常涉及三种以上的所谓高光谱成像。

钙钛矿传感器在高光谱成像中具有决定性优势：研究人员可通过每层材料精确控制吸收的波长范围。研究员Sergii Yakunin指出：“利用钙钛矿，我们能定义更多彼此区分明确的颜色通道。”而硅因其宽吸收光谱需依赖大量滤光片和复杂算法。基于钙钛矿的高光谱图像传感器可应用于医学分析或农业与环境自动化监测等领域。

下一步，研究人员计划进一步缩小钙钛矿图像传感器的尺寸并增加像素数量。目前两款原型的像素尺寸在0.5至1毫米之间。Yakunin表示：“钙钛矿的像素甚至可能比硅更小。”但新技术的电子连接和处理工艺仍需调整。目前的读出电子技术针对硅优化，而钙钛矿是另一种半导体，具有不同的材料特性。不过，研究人员相信这些挑战终将被攻克。