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Le capteur de couleurs empilé

Couleurs précises et miniaturisation

Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA)

Pour percevoir les couleurs, l'œil humain est pourvu de trois différents types de cellules sensorielles : les cellules sensibles au rouge, au vert et au bleu se relayent dans l'œil et rassemblent leurs informations pour obtenir une image complète de couleur. Les capteurs d'images - tels les appareils photos des téléphones portables - ont un fonctionnement semblable : comme sur une mosaïque, les capteurs bleus, verts et rouges alternent. Les algorithmes intelligents des logiciels calculent une image colorée de haute résolution à partir des différents pixels de couleur.

Toutefois, ce principe se heurte aussi à certaines limites : puisque chaque pixel ne peut absorber qu'une petite partie du spectre optique qui le rencontre, une grande quantité de lumière se perd. En outre, les capteurs ne peuvent guère être miniaturisés davantage et des perturbations d'images non souhaitées, les effets dits moirés, peuvent apparaître et doivent être retirés de l'image achevée par des calculs pénibles.

Transparent pour certaines couleurs seulement

Depuis quelques années déjà, des chercheurs se penchent donc sur l'idée d'empiler les trois capteurs au lieu de les placer côte à côte. Bien sûr, cela implique que les capteurs supérieurs laissent passer les fréquences lumineuses non absorbées vers les capteurs inférieurs. À la fin des années 1990, on est parvenu pour la première fois à fabriquer un tel capteur : il était composé de trois couches de silicium empilées dont chacune n'absorbait qu'une seule couleur.

C'est ce qui a d'ailleurs donné ensuite un capteur d'images disponible dans le commerce. Néanmoins, celui-ci n'a pas su s'imposer sur le marché : puisque les spectres absorbants des différentes couches n'étaient pas suffisamment séparés, une partie de la lumière verte et rouge était déjà absorbée par la couche sensible au bleu. Résultat : des couleurs qui s'estompent et une sensibilité à la lumière qui s'avère même inférieure à celle des capteurs de lumière habituels. En outre, la production des couches de silicium absorbantes a impliqué un processus de fabrication complexe et coûteux.

Désormais, des chercheurs de l'EMPA sont parvenus à développer un prototype de capteur qui contourne ces problèmes. Il se compose de trois différents types de pérovskites - un type de matériau semi-conducteur de plus en plus important depuis quelques années, par exemple dans le développement de nouvelles cellules solaires, de par ses propriétés électriques hors du commun et sa bonne capacité d'absorption optique. En fonction de leur composition, ces pérovskites peuvent par exemple absorber une partie du spectre optique tout en restant transparentes pour le reste de ce spectre. C'est de ce principe dont se sont servis les chercheurs de l'équipe de Maksym Kovalenko de l'EMPA et de l'ETH Zurich pour fabriquer un capteur de couleurs dont la taille ne dépasse même pas un pixel. Les chercheurs sont ainsi parvenus à reproduire tant de simples images unidimensionnelles que des images plus réalistes à deux dimensions - et ce, en restant extrêmement fidèles aux couleurs.

Reconnaître les couleurs avec précision

Les avantages de cette nouvelle approche sont évidents : les spectres d'absorption sont clairement séparés les uns des autres - la reconnaissance des couleurs est donc bien plus précise que pour les couches de silicium. En outre, les coefficients d'absorption - notamment pour les parts de lumière ayant des longueurs d'ondes plus grandes (vert et rouge) - sont bien plus élevés dans le cas des pérovskites que dans celui du silicium. Cela permet de fabriquer des couches bien plus petites et donc des pixels de taille plus réduite. Cela n'a rien de décisif pour les capteurs d'appareils photo habituels ; mais pour d'autres technologies d'analyse, comme la spectroscopie, cela pourrait ouvrir la porte à une résolution spatiale bien plus élevée. En outre, les pérovskites peuvent être fabriquées dans le cadre d'un processus peu onéreux comparé aux autres.

Pour développer ce prototype et en faire un capteur d'images exploitable dans le commerce, un travail de développement reste toutefois à faire. Par exemple, la miniaturisation des pixels et les méthodes permettant de fabriquer en une fois une matrice entière de pixels de ce type sont des questions centrales. Selon Kovalenko, cela devrait néanmoins être possible par le biais de technologies déjà existantes.

Pour en savoir plus

Les pérovskites constituent un matériau si prometteur dans la recherche que le célèbre Science Magazine a publié une édition spéciale à ce sujet. Celle-ci comprend un article du groupe de chercheurs de l'EMPA/l'ETH autour de Maksym Kovalenko portant sur l'état actuel de la recherche et les perspectives en matière de nanocristaux de pérovskites plomb-halogénures.

Les propriétés que présentent ces derniers en font des candidats prometteurs pour le développement de nanocristaux semi-conducteurs pour différentes applications optoélectroniques comme des écrans de télévision, des LED ou des cellules solaires : leur fabrication est peu onéreuse, ils présentent une grande tolérance en matière de défauts et peuvent être préparés avec exactitude pour renvoyer la lumière dans un certain spectre de couleurs.

Le numéro spécial a été publié le 10 novembre.

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M Kovalenko, L Protesescu, MI Bodnarchuk
« Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskites nanocrystals » (Science, 2017) DOI : 10.1126/science.aam7093

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