fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université de Nagoya (Nagoya University) au Japon a développé des nanofeuilles d'oxyde de zinc dopé au gallium, permettant à un seul pixel de détecter simultanément les trois couleurs de lumière rouge, verte et bleue. Ce matériau pourrait être utilisé dans des appareils compacts tels que les smartphones et les endoscopes médicaux pour améliorer la résolution des caméras.
Contrairement aux capteurs traditionnels, ces nanofeuilles, tout en restant presque transparentes, permettent à un seul pixel de détecter l'intensité de la lumière rouge, verte et bleue. Ce matériau ultrafin et léger peut résister à des températures allant jusqu'à 400 degrés Celsius, ce qui le rend adapté aux environnements extrêmes tels que le matériel spatial et les systèmes automobiles. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue ACS Nano.
La plupart des caméras commerciales utilisent un filtre de Bayer, qui dispose des filtres de couleur rouge, vert et bleu selon un motif en damier sur les pixels. Comme chaque pixel ne perçoit qu'une seule couleur, une image en couleur complète doit être reconstruite à partir des pixels adjacents. Si un seul pixel peut détecter les trois couleurs, le nombre total de pixels peut être réduit jusqu'à 75 %, ce qui permet de réduire la taille du capteur tout en maintenant la résolution de l'image. Les nanofeuilles transparentes sont très adaptées à cette approche car elles permettent à la lumière de passer à travers et peuvent être empilées verticalement en plusieurs couches, chaque couche détectant une couleur différente. Ce capteur élimine également les processus complexes de semi-conducteurs nécessaires aux capteurs RVB traditionnels, simplifiant ainsi la production et réduisant les coûts.
L'équipe de recherche dirigée par le professeur Minoru Osada de l'Institut des matériaux et des systèmes pour la durabilité (Institute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University) de l'Université de Nagoya, avec Ruben Canton-Vitoria et Vivid Meelab, s'est concentrée sur les nanofeuilles d'oxyde de zinc, un matériau hautement transparent et chimiquement stable. Cependant, des expériences préliminaires ont montré que ces nanofeuilles répondent faiblement à la lumière visible, limitant leur application dans les capteurs de caméra. Pour surmonter cette limitation, l'équipe a personnalisé la structure électronique de l'oxyde de zinc en ajoutant du gallium, créant des états pièges capables de capturer des électrons et de convertir la lumière en signaux électriques. Cette amélioration a permis aux nanofeuilles de répondre fortement à la lumière visible tout en conservant leur transparence.
L'analyse a montré que les nanofeuilles d'oxyde de zinc dopé au gallium ne convertissent que 0,005 % de l'énergie lumineuse absorbée en photocourant, tandis que chaque couche transmet 99,995 % de la lumière visible. Malgré un taux d'utilisation énergétique extrêmement faible, les nanofeuilles améliorées ont atteint une sensibilité de 800 ampères par watt, bien supérieure aux 10 ampères par watt typiques des capteurs commerciaux. Les états pièges permettent une forte réponse à la faible quantité de lumière absorbée, tandis que la majeure partie de la lumière est transmise aux couches suivantes. Cette caractéristique permet un empilement sélectif des couleurs. L'équipe a développé un capteur ultrafin : la première couche de nanofeuilles d'oxyde de zinc dopé au gallium utilise des états pièges photoactifs pour détecter l'ensemble du spectre visible ; après avoir filtré la lumière rouge, la deuxième couche de nanofeuilles d'oxyde de zinc dopé au gallium détecte les composantes de lumière verte et bleue ; enfin, à l'aide d'un filtre passe-bas vert, la dernière couche détecte uniquement la lumière bleue. Des expériences ont confirmé que ce dispositif reproduit avec succès des images en couleur complètes, avec une erreur moitié moindre que celle des caméras traditionnelles. Minoru Osada a déclaré que ce capteur optique fonctionne de manière très similaire à la façon dont l'œil humain distingue les couleurs rouge, verte et bleue, le cerveau reconstruisant les couleurs en combinant les réponses des trois types de cellules visuelles.
Outre ses performances optiques, le dispositif maintient une réponse lumineuse stable jusqu'à 400 degrés Celsius dans l'air, avec des performances constantes sous vide et dans des conditions humides. Ce capteur peut également être fabriqué par un procédé en solution à température ambiante, sans nécessiter les traitements à haute température et la micro-fabrication complexe des capteurs traditionnels. En intégrant plusieurs fonctions de détection de la lumière dans un seul dispositif, l'équipe a démontré une voie vers des dispositifs optoélectroniques plus petits, plus intégrés et plus performants que les caméras existantes, à un coût inférieur.
