Bessere Bilder für Mensch und Maschine

Bildsensoren stecken in jedem Smartphone und jeder Digitalkamera. Sie erkennen Farben auf eine ?hnliche Art wie auch das menschliche Auge. Wo auf unserer Netzhaut einzelne Zapfenzellen Rot, Gr¨¹n und Blau (RGB) erkennen, sind es bei Bildsensoren einzelne Pixel, die die entsprechenden Wellenl?ngen absorbieren und in elektrische Signale umwandeln.

Die meisten Bildsensoren bestehen aus Silizium. Dieses Halbleiter-Material absorbiert normalerweise das Licht im gesamten sichtbaren Spektrum. Um daraus RGB-Bildsensoren zu bauen, muss das einfallende Licht gefiltert werden. Pixel f¨¹r Rot enthalten Filter, die Gr¨¹n und Blau blockieren (und so verschwenden), und so weiter. Jeder Pixel in einem Silizium-Bildsensor erh?lt so nur rund ein Drittel der gesamten einfallenden Lichtmenge.

Forschende rund um Maksym Kovalenko, die sowohl an der ETH Z¨¹rich als auch an der Empa arbeiten, haben eine neue L?sung vorgeschlagen, mit der eine Kamera das gesamte Licht f¨¹r die Farbaufzeichnung verwenden kann. Seit bald zehn Jahren forschen sie an Bildsensoren aus Perowskit. In einer neuen Studie, die soeben in der renommierten Fachzeitschrift ?Nature? publiziert wurde, zeigen sie: Die neue Technologie funktioniert.

Gestapelte Pixel

Grundlage f¨¹r den innovativen Bildsensor ist Bleihalogenid-Perowskit. Dieses kristalline Material ist ein Halbleiter. Im Gegensatz zu Silizium l?sst es sich aber besonders einfach verarbeiten ¨C und seine physikalischen Eigenschaften variieren mit seiner genauen chemischen Zusammensetzung. Genau das machen sich die Forschenden bei der Herstellung von Perowskit-Bildsensoren zunutze.

Enth?lt das Perowskit etwas mehr Jod-Ionen, absorbiert es rotes Licht. F¨¹r Gr¨¹n f¨¹gen die Forschenden mehr Brom hinzu, f¨¹r Blau mehr Chlor ¨C ganz ohne Filter. F¨¹r die anderen Wellenl?ngen bleiben die Perowskit-Pixelschichten transparent, lassen sie also durch. Somit k?nnen die Pixel f¨¹r Rot, Gr¨¹n und Blau im Bildsensor ¨¹bereinandergestapelt werden, anders als bei Silizium-Bildsensoren, wo die Pixel nebeneinander liegen.

Dank dieser Anordnung k?nnen Bildsensoren auf Perowskit-Basis auf derselben Fl?che theoretisch dreimal so viel Licht einfangen wie herk?mmliche Bildsensoren ¨C und das bei dreimal besserer Aufl?sung. Bereits vor einigen Jahren konnte Kovalenkos Team ihre Funktionsweise demonstrieren, zun?chst mit einzelnen ¨¹berdimensionalen Pixeln aus millimetergrossen Perowskit-Kristallen. Nun haben sie erstmals zwei funktionierende D¨¹nnschicht-Bildsensoren aus Perowskit gebaut.

?Wir entwickeln die Technologie weiter von einem groben ?Proof of Concept? und hin zu einer Dimension, in der sie tats?chlich zum Einsatz kommen k?nnte?, sagt Kovalenko. Ein nat¨¹rlicher Entwicklungsweg f¨¹r Elektronik-Komponenten: ?Der erste Transistor bestand aus einem grossen St¨¹ck Germanium mit ein paar Anschl¨¹ssen. Heute, 60 Jahre sp?ter, messen Transistoren nur noch wenige Nanometer.?

Die Perowskit-Bildsensoren stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Mit den zwei Prototypen konnten die Forschenden jedoch zeigen, dass die Technologie sich miniaturisieren l?sst. Hergestellt mit in der Industrie ¨¹blichen D¨¹nnschicht-Verfahren, haben die Sensoren zumindest in der Vertikale ihre Zielgr?sse erreicht. ?Es gibt nat¨¹rlich immer Optimierungspotenzial?, sagt Mitautor Sergii Yakunin aus Kovalenkos Forschungsgruppe.

Die beiden Prototypen, die sich in der Auslese-Technologie unterscheiden, haben die Forschenden auf Herz und Nieren experimentell untersucht. Ihre Ergebnisse belegen die St?rken von Perowskit: Die Sensoren sind lichtempfindlicher, geben die Farben pr?ziser wieder und k?nnen eine deutlich h?here Aufl?sung bieten als die herk?mmliche Silizium-Technologie. Dadurch, dass jeder Pixel das gesamte Licht einf?ngt, entfallen zudem einige Artefakte der Digitalfotografie, etwa das Demosaicing und der Moir¨¦-Effekt.

Maschinelles Sehen f¨¹r Medizin und Umwelt

Doch Digitalkameras f¨¹r Endverbraucher sind nicht das einzige Anwendungsgebiet f¨¹r Perowskit-Bildsensoren. Aufgrund der Eigenschaften von Perowskit eignen sie sich auch besonders gut f¨¹r Anwendungen im Bereich des maschinellen Sehens. Der Fokus auf Rot, Gr¨¹n und Blau ist dem menschlichen Auge geschuldet: Die Bildsensoren arbeiten im RGB-Format, weil unsere Augen im RGB-Modus sehen. F¨¹r spezifische Aufgaben lohnt es sich aber, abweichende Wellenl?ngenbereiche zu definieren, die von einem Computer ausgelesen werden. H?ufig sind es mehr als drei ¨C man spricht von der sogenannten hyperspektralen Bildgebung.

F¨¹r diese Art der Bildgebung haben Perowskit-Sensoren einen entscheidenden Vorteil. Die Wellenl?ngenbereiche, die sie absorbieren, k?nnen die Forschenden sehr pr?zise steuern ¨C f¨¹r jede Schicht. ?Mit Perowskit k?nnen wir zahlreiche Farbkan?le definieren, die sich klar voneinander unterscheiden?, sagt Yakunin. Silizium, mit seinem breiten Absorptionsspektrum, ben?tigt daf¨¹r zahlreiche Filter und aufw?ndige Computeralgorithmen. ?Das ist bereits bei einer relativ kleinen Anzahl Farben sehr unpraktisch?, so Kovalenko. Hyperspektrale Bildsensoren aus Perowskit k?nnten etwa im Bereich medizinischer Analysen oder bei der automatisierten ?berwachung der Landwirtschaft und der Umwelt zum Einsatz kommen.

In einem n?chsten Schritt wollen die Forschenden ihre Perowskit-Bildsensoren weiter verkleinern und gleichzeitig die Anzahl Pixel erh?hen. Ihre beiden Prototypen haben Pixelgr?ssen zwischen 0,5 und 1 Millimeter. Pixel in kommerziellen Bildsensoren befinden sich im Mikrometerbereich (1 Mikrometer ist 0.001 Millimeter). ?Es sollte sogar m?glich sein, aus Perowskit noch kleinere Pixel zu machen als aus Silizium?, so Yakunin. Auch m¨¹ssen die elektronischen Anschl¨¹sse und die Verarbeitungstechniken f¨¹r die neue Technologie angepasst werden. ?Die heutige Auslese-Elektronik ist f¨¹r Silizium optimiert. Perowskit ist aber ein anderer Halbleiter, mit anderen Materialeigenschaften?, sagt Kovalenko. Die Forschenden sind jedoch ¨¹berzeugt: Diese Herausforderungen lassen sich meistern.