透明图像传感器：石墨烯和量子点赋能未来
2023-09-24 09:23:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
石墨烯和量子点在图像传感器设计中的结合具有革命性的意义。石墨烯是单层碳原子，以其强度、柔韧性和导电性而闻名。量子点是一种可以吸收和发射光的微小半导体颗粒，通常用于显示技术。
据麦姆斯咨询报道，近日，来自巴塞罗那科学技术研究所（ICFO）和Qurv Technologies公司的研究人员研制了一种柔性、透明的图像传感器，这种传感器可用于镜子、窗户和眼镜等多种应用领域。相关研究成果以“Semitransparent Image Sensors for Eye-Tracking Applications”为题发表在ACS Photonics期刊上。
基于石墨烯和量子点的8 x 8光电探测器阵列几乎透明，有望重塑眼球追踪技术。该传感器有可能直接放置在眼睛的前方，而不是目前头戴式设备中的侧面位置。这项创新在ACS Photonics期刊中得到了重点报道。
ACS Photonics发表的详细研究表明，石墨烯和量子点在图像传感器设计中的结合具有革命性的意义。石墨烯是单层碳原子，以其强度、柔韧性和导电性而闻名。量子点是一种可以吸收和发射光的微小半导体颗粒，通常用于显示技术。两者的完美结合使得传感器不仅透明，而且能够高效地将光转换为电信号。
图像传感器面临哪些挑战？
在电子领域开发的所有传感器技术中，图像传感器是最具变革性的技术之一，因为其能够提供模拟和数字视觉信息。将图像记录为数据流的能力使航天器能够从太空最深处发回照片，还可以实时摄像并向整个国家传输电视，以及利用手机进行自拍等。
尽管图像传感器具有诸多优势，但其也面临着许多挑战。其中一项挑战是需要高度的灵敏度，以便在弱光条件下生成高质量的图像。虽然放大器可用于增强图像信号，但这也会放大噪声，从而导致图像更加粗糙化（这就是专业摄影师尝试最大化光线亮度并最小化放大器设置即ISO的原因）。
图像传感器面临的另一项挑战是图像传感器本身无法单独产生清晰图像；它需要镜头将光线聚焦到传感器上并使拍摄对象清晰对焦。没有镜头的图像传感器会接收各个方向的光线，从而导致图像完全模糊，无法解析任何内容。对于大型相机来说，添加镜头不是问题，但对于智能手机来说，小巧先进的镜头对于成像至关重要。
一项新兴技术正在为图像传感器带来新的挑战：柔性电子器件。工程师们正致力为众多应用开发柔性电子器件，包括可穿戴电子产品、医疗设备和先进的人机界面（HMI）。虽然很大一部分电子器件已经实现了柔性化，但图像传感器仍然停留在刚性电子器件范围。
其原因在于图像传感器的设计方式。为了产生最高质量的图像，图像传感器需要使用具有极高灵敏度的光电二极管。光电二极管是一种检测光并将其转换为电信号的器件。光电二极管通常采用基于硅的晶体结构，硅是电子产品中常用的材料，尤其是芯片和传感器，因为其具有优异的半导体特性。
当然，图像传感器可以集成到柔性的设备中，但只能作为本身不能弯曲的模块。这意味着柔性设计的某些部分是刚性的，因此，随着时间的推移容易损坏（因为反复弯曲会给连接器和衬底带来损伤）。
研究人员展示透明图像传感器
认识到图像传感器在新兴技术中面临的挑战，巴塞罗那科学技术研究所（ICFO）和初创公司Qurv Technologies的研究人员发表了他们关于一种既柔性又半透明的新型图像传感器的研究成果，为图像传感器领域的新应用铺平了道路。
“由于其能够捕获大量信息，因此传统的图像传感器在当今社会中发挥着举足轻重的作用。然而，其像素和堆叠式读出电子元件的不透明性质可能成为人机界面、智能显示器以及增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等应用的限制因素。研究人员在该论文中介绍了首款半透明图像传感器的开发和分析，以及其作为眼球追踪设备的适用性。该传感器由沉积在全透明衬底上的8 × 8半透明光电探测器和电极阵列组成，其像素的光学透明度达到85-95%并具有高灵敏度，其中90%以上的像素在637 nm波长下表现出<10⁻⁴ W/m²的噪声等效辐照度。这种图像传感器的制造从根本上改变了人们对相机和成像的认识，因为其可以隐藏在人们的视线中。”
为了开发这种新型图像传感器，研究人员求助于过去几年占据头条新闻的多种材料：石墨烯和量子点。选择石墨烯是因为它具有优异的导电性、柔韧性和透明度，也可将光子转换为电子。光子是一种微小的粒子，当它撞击某些材料时，就会产生电荷。然而，由于石墨烯吸收的光子很少，研究人员随后决定在石墨烯上方集成一个量子点层。量子点能够极好地吸收光子，并将这些光子传递到石墨烯层，从而提高效率（光子到电信号的转换率约为60%）。
由于这两层材料都非常薄，因此大部分是透明的，最终图像传感器的透明度约为85%。此外，为了保持电触点透明，研究人员采用了氧化铟锡（ITO），这是一种常用的透明电极材料。氧化铟锡是一种透明材料，因其可以导电而常用于电子产品中。
研究人员通过构建一个8 × 8阵列展示了他们的新型图像传感器，每个像素尺寸约为60 μm x 140 μm。虽然这种传感器只能产生黑白图像（由于缺少滤光片），但研究人员能够证实该新型透明图像传感器能够产生图像。
尽管典型的硅光电二极管的效率可达90%左右并具有更高的灵敏度，但透明图像传感器能够在85%的透明度下表现出60%的效率，这一事实表明该新型图像传感器在未来确实有应用潜力。
这项技术的实用性如何？
虽然研究人员制造的传感器阵列很小，但只需对该阵列进行几次倍增即可获得实用的图像传感器。不过，虽然图像传感器变得透明且柔性，但人们不禁要问，它能应用于什么地方呢？
由于图像传感器需要镜头以使其适合生成图像，因此这些传感器不会被用于此类应用。相反，该传感器更有可能被集成到显示器、镜子和眼镜中，以提供先进的传感功能，例如眼球追踪。
将透明图像传感器集成到眼镜上的概念示意图
这种新型图像传感器也有可能被安装到取景器中，与相机里的CMOS图像传感器一起用于反馈回路，以处理用户所看到内容的变化。例如，先进的取景器可以检测到眼睛试图聚焦的物体，从而使该物体对焦。
目前，这项技术仍处于实验室阶段，但8 x 8阵列的制造和展示表明其可以使用现代生产工艺轻松制造。因此，在不久的将来，各种日常用品有望集成这种肉眼看不见的图像传感器。
来自Graphene-Info的进一步见解揭示了石墨烯和量子点的独特性质。虽然石墨烯是一种出色的导体，善于将光子转换为电子，但它不会吸收太多的光。另一方面，量子点是出色的光吸收体。这两种材料之间的协同作用使得透明图像传感器大有可为。这项技术的未来不仅在于其透明度，还在于其对各种应用的适应性，使其有望为电子领域带来变革。
正如IEEE Spectrum所强调的那样，这项技术的潜在应用领域非常广泛。从虚拟现实和增强现实设备到提高驾驶安全的系统，其可能性是无限的。增强现实将数字内容叠加在现实世界上，而虚拟现实让用户沉浸在完全数字化的环境中。该研究的关键人物Frank Koppens设想，未来智能手机或笔记本电脑等设备的屏幕将兼具传感器的功能，可以非接触式检测手部动作。甚至商店的橱窗也可以集成这些智能传感器，对人的手势做出反应。您认为这项技术的实用性如何？
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c00473
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