Punctele cuantice, QD, au reprezentat și încă reprezintă subiectul conversațiilor atunci când vine vorba de îmbunătățirea reproducerii culorilor și a eficienței energetice a ecranelor. În ultimii ani, au apărut televizoare bazate pe această tehnologie pe piață, iar în prezent cercetătorii de la Universitatea Chung-Ang din Coreea de Sud cred că punctele cuantice ar putea fi la fel de benefice și pentru fotografia digitală.
Punctele cuantice sunt nano-cristale semiconductoare care strălucesc într-o anumită culoare atunci când sunt activate de lumină, iar tehnologia are ca rezultat imagini mai luminoase, mai vii, mai precise și mai naturale în ceea ce privește culorile.
De ani de zile, megapixelii au fost o măsură puternic comercializată când vine vorba de capabilitățile îmbunătățite ale unei noi camere digitale care iese pe piață. A fi capabilă să capteze mai mulți pixeli înseamnă practic să poată captura mai multe detalii, dar pentru asta există o limită.
Pentru majoritatea consumatorilor care își împărtășesc fotografiile pe rețelele de socializare, capacitățile telefoanelor moderne și ale camerelor digitale sunt suficiente însă pe măsură ce nevoile aplicațiilor devin din ce în ce mai rafinate tehnologia convențională a senzorilor de imagine CMOS folosită pentru a oferi imagini color în dispozitivele obișnuite, începe să-și arate limitele. De exemplu, multe domenii de aplicare în creștere, cum ar fi mașinile autonome, asistența medicală și imagistica medicală, necesită rezoluții și niveluri de integrare și mai mari.
Principiul de funcționare al unui senzor de imagine CMOS, acronim pentru Complementary Metal Oxide Semiconductor, a fost conceput în a doua jumătate a anilor ‘60, dar dispozitivul nu a fost comercializat până când tehnologiile de microfabricare au devenit suficient de avansate în anii ‘90. CMOS este un semiconductor care servește și astăzi drept un „ochi electronic”.
Dacă este privit un senzor CMOS tipic sub un microscop, se poate observa o grilă de fotodiode acoperite de un filtru de culoare care permite captarea informațiilor despre datele de culoare. Dar fiecare foto-diodă poate capta doar informații despre o singură culoare (de obicei sunt două pentru verde lângă unul pentru roșu și unul pentru albastru), astfel fiind necesare patru pătrate pe grilă pentru a capta informațiile pline de culoare ale unui singur pixel într-o imagine. Dacă fiecare pătrat de pe acea grilă ar putea capta în schimb informații despre culoarea roșie, verde și albastră în același timp, densitatea și rezoluția unui senzor s-ar multiplica instantaneu de patru ori și aici intră în joc punctele cuantice.
În majoritatea senzorilor de imagine, componentele roșii, verzi și albastre ale unui pixel sunt capturate independent, folosind o „celulă” fotodetectoare dedicată pentru fiecare culoare.
În timp ce aceste trei celule ale fiecărui pixel sunt aranjate lateral și cât mai aproape una de cealaltă pentru a utiliza eficient zona disponibilă, designul ocupă de cel puțin trei ori mai mult spațiu decât fiecare celulă individuală. În plus, costurile de fabricație și procesare pentru aceste rețele de fotodetectoare pot fi ridicate din cauza complexității lor.
Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii au folosit senzori bazați pe puncte cuantice pentru a dezvolta un nou tip de fotodetector și au demonstrat integrarea acestuia într-o matrice densă de senzori pentru imagini multispectrale (color) de înaltă rezoluție. QD-urile sunt nanoparticule cu diametrul mai mic de 10 nanometri a căror dimensiune le face să manifeste anumite efecte cuantice, inclusiv absorbția fotonilor și conversia lor în purtători electrici.
Prin proiectarea precisă a dimensiunii și compoziției lor, QD-urile pot fi adaptate pentru a răspunde numai la lumina unei anumite culori. Avantajul QD-urilor față de aranjamentul tradițional de pixeli lateral, spun cercetătorii, este că QD-urile pot fi stivuite vertical în fiecare pixel.
„Deși s-ar crede că QD-urile din pozițiile inferioare ar fi obturate de cele de mai sus”, spun cercetătorii, „realitatea este că fotonii care nu sunt absorbiți de nivelurile superioare ale QD-urilor pătrund și ajung în cele inferioare. În acest fel, fotodetectorii pentru fiecare culoare din fiecare pixel pot fi acomodați într-o zonă mult mai îngustă.”
Folosind o procedură de fabricare la temperatură scăzută, cercetătorii raportează că au reușit să obțină un număr uimitor de mare de pixeli într-o zonă mică.
„Densitatea dispozitivelor din această gama de fotodetectoare este de 5500 pe centimetru pătrat”, spune profesorul Sung Kyu Park, un număr remarcabil mai mare decât cel raportat pentru soluțiile anterioare, care ajunge doar până la 1600 de dispozitive”.
În plus, pixelii QD așezați vertical au obținut o mare selectivitate a culorii și fotosensibilitate. Pe termen lung, se crede că acest tip de dispunere a QD-urilor poate să înlocuiască senzorii de imagine CMOS existenți în multe aplicații datorită fabricării lor simple, consumului redus de energie și a durabilității.
Acest design reprezintă pasul către stabilirea unui sistem de senzori de imagine integrat, de înaltă rezoluție și cu costuri reduse, care depășește așteptările convenționale. Direcția pe care această tehnologie o vizează la scară largă are rădăcini în domenii precum sistemele de senzori portabili, biomedicină și industria auto.
Articol de Larisa Ivan