(Phys.org) - De flesta av dagens digitalkameror uppnår färg genom att använda rött, grön, och blå Bayer färgfilter genom vilka ljus passerar på väg till kamerans bildsensorer, som sedan omvandlar ljuset till elektriska signaler. Även om denna färgfilterteknik är mycket utbredd, det har några nackdelar relaterade till hållbarhet, låg absorptionskoefficient, och tillverkningskomplexitet. Dessutom, det absorberade ljuset i färgfiltret kan inte omvandlas till fotoström. För att maximera effektiviteten i trenderna med högre pixeltäthet, detta ljus måste konverteras till fotoström.

Under de senaste åren, forskare har undersökt nya sätt att uppnå färg i digitalkameror som inte är beroende av konventionella organiska färgfilter. I en ny tidning publicerad i Nanobokstäver , ett team av forskare från Harvard University i Cambridge, Massachusetts, och Zena Technologies Inc., i Topsfield, Massachusetts, har presenterat ett nytt filterfritt tillvägagångssätt för färgavbildning. Tekniken använder kisel nanotrådar med olika radier för att absorbera specifika våglängder, och därmed färger, av ljus och omvandlar ljuset till fotoström.

"Vårt nanotrådsbaserade tillvägagångssätt utför färgavbildning utan konventionella färgfilter, " berättade medförfattaren Kenneth B. Crozier vid Harvard University Phys.org . "Detta har två stora fördelar. För det första, vårt tillvägagångssätt förenklar tillverkningsprocessen. Nanotrådsbaserade bildsensorpixlar med olika färgsvar kan definieras samtidigt genom ett enda litografisteg. Detta innebär att inga ytterligare material eller upprepade deponeringssteg behövs för att separera färger. Andra, vårt tillvägagångssätt öppnar vägen för att öka effektiviteten hos en bildsensor. Varje nanotråd fångar ljus av en specifik färg, och konverterar den till fotoström. Om vi ​​lägger till substratfotodetektor, vi kan fånga resten av spektrumet. På det här sättet, bildsensorn kan ha högre effektivitet, eftersom fotoner inte skulle kastas bort av absorberande filter."

Det nya tillvägagångssättet drar fördel av de unika optiska och elektriska egenskaperna hos endimensionella halvledarnanotrådar. Tidigare forskning har visat att kisel -nanotrådar absorberar våglängder av ljus som varierar med nanotrådsradien, möjliggör kontroll av ljusabsorption genom att tillverka nanotrådar med kontrollerade radier med ett enda litografisteg. Dock, inga färgavbildningsexperiment har utförts med nanotrådar av kisel förrän nu, delvis på grund av svårigheten att sätta ihop ett stort antal nanotrådar till arrayer.

I den nya studien, forskarna tillverkade framgångsrikt 100 x 100 arrayer av vertikala nanotrådar med radier på 80, 100, 120, och 140 nm, så att nanotrådarna kan absorbera olika våglängder av ljus. Forskarna visade att dessa nanotrådsbaserade fotodetektorer kan fotografera färgbilder av testscener och Macbeth ColorChecker-kortet med en kvalitet som är mycket lik den som erhålls med en konventionell kamera.

Den nya filterfria färgavbildningstekniken har några viktiga fördelar jämfört med den konventionella filtertekniken, med den kanske viktigaste är en högre absorptionseffektivitet som möjliggör högre pixeltätheter och högre upplösning. Forskarna förutspår att lägga till en bottenfotodetektor till nanotrådarrayen skulle göra det möjligt, i princip, för att enheten ska absorbera allt inkommande ljus och omvandla det till fotoström. En sådan enhet har potential för extremt hög fotoneffektivitet jämfört med filterbaserade enheter, som till sin natur absorberar ungefär hälften av det inkommande ljuset innan det når bildsensorn. Den högre effektiviteten skulle då bana väg för kameror med högre upplösning. Förutom en förbättrad effektivitet, detta tillvägagångssätt förenklar tillverkningsprocessen. Som forskarna förklarar, pixlarna med olika färgsvar kan definieras samtidigt genom ett enda litografisteg.

Vidare, de nanotrådsbaserade fotodetektorerna erbjuder också möjlighet till multispektral avbildning. Kameror använder multispektral bildbehandling för att fånga ljus vid olika frekvenser i spektrumet, inklusive frekvenser utanför det synliga ljusområdet. Med den nya metoden, olika delar av spektrumet kan riktas mot absorption genom att tillverka nanotrådar med specifika radier, en relativt enkel process jämfört med att tillverka filter och andra metoder. Forskarna planerar att arbeta med att ytterligare förbättra fotodetektorerna i framtiden.

"Vi arbetar för närvarande med att införliva substratfotodetektorer för att öka effektiviteten som vi nämnde ovan, " sa medförfattare Hyunsung Park vid Harvard University. "Dessutom, vi utvecklar elliptiska nanotrådsbaserade fotodetektorer för polarisationsupplöst avbildning. Det största hindret för kommersialisering är den högre mörkströmsnivån för dessa enheter, på grund av att de tillverkas genom etsning. Detta kommer från det faktum att det finns många yttillstånd, på grund av nanotrådarnas stora yta-till-volymförhållande och skada på kiselkristallstrukturen från torretsning. Vi tror att detta kommer att lösas i framtiden genom alternativ tillverkningsprocess eller genom att lägga till passiveringslager. "

© 2014 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.