Практически в каждом смартфоне и фотоаппарате стоит сенсор изображения. Он различает цвета примерно так же, как человеческий глаз: в сетчатке у нас есть колбочки, чувствительные к красному, зеленому и синему (RGB). В цифровых камерах эту работу выполняют пиксели, которые улавливают свет определенных длин волн и превращают его в электрические сигналы.

Почти все сенсоры сегодня делают из кремния. Этот материал поглощает весь видимый свет, поэтому для цветной съемки приходится использовать фильтры. Красные пиксели отсекают зеленый и синий, зеленые — красный и синий, и так далее. В итоге каждый пиксель получает лишь треть доступного света — остальное тратится впустую.

Группа исследователей под руководством Максима Коваленко (ETH Zurich и Empa) предложила более эффективное решение. Почти десять лет они работают над сенсорами на основе перовскита — материала, который можно «настроить» на определенный цвет без фильтров. Их последние результаты опубликованы в журнале Nature, и они подтверждают: технология работает.

Перовскит — кристаллический материал, который легко адаптировать под разные задачи. Меняя его химический состав (например, добавляя йод или бром), можно «настроить» поглощение света на конкретный цвет — от инфракрасного до ультрафиолетового.

Как это устроено

Ключевое отличие перовскита от кремния — его химический состав можно менять, регулируя чувствительность к разным цветам:

• больше йода — сенсор ловит красный,
• больше брома — зеленый,
• больше хлора — синий.

При этом остальные цвета свободно проходят сквозь слой, поэтому пиксели можно расположить друг над другом, а не рядом, как в кремниевых матрицах.

Что это дает

• Больше света — каждый пиксель использует почти весь поток, а не треть.
• Выше детализация — разрешение может быть втрое лучше при том же размере сенсора.
• Лучшая цветопередача — нет артефактов вроде муара и цветовых искажений.

Сначала ученые создали прототипы с крупными пикселями (до 1 мм), но теперь перешли к тонкопленочной технологии, которая применяется в промышленности.

Мы движемся от лабораторного образца к реальному устройству, — говорит Коваленко. — Первый транзистор был размером с ладонь, а сегодня его элементы измеряются нанометрами.

Где это пригодится

Перовскитные сенсоры особенно перспективны для машинного зрения. В отличие от человеческого глаза, компьютеру не обязательно ограничиваться RGB — можно настроить чувствительность под конкретные задачи. Например:

• в медицине — для анализа тканей,
• в сельском хозяйстве — для мониторинга состояния растений,
• в экологии — для отслеживания загрязнений.

Следующий шаг — уменьшение пикселей до микроразмеров и адаптация электроники под перовскит.

Сейчас системы заточены под кремний, но мы уверены, что решим эти задачи, — добавляет Сергей Якунин из команды Коваленко.

Главное преимущество перовскитных сенсоров — эффективность. Они могут кардинально улучшить качество съемки в условиях слабого освещения (например, в астрофотографии или эндоскопии) и снизить энергопотребление камер. Для машинного зрения это открывает возможность более точного анализа данных — скажем, беспилотники смогут лучше различать объекты в тумане, а медицинские сканеры — точнее диагностировать заболевания на ранних стадиях.

Основная проблема — стабильность перовскитов. Они чувствительны к влаге, температуре и деградируют быстрее кремния. Пока неясно, как поведет себя материал после 5–10 лет эксплуатации. Кроме того, промышленное внедрение потребует перестройки производственных линий, что увеличит стоимость первых партий.

Ранее ученые усовершенствовали перовскитные солнечные батареи.