Les capteurs d'image sont présents dans tous les smartphones et appareils photo numériques. Ils reconnaissent les couleurs d'une manière similaire à l'œil humain. Alors que sur notre rétine, des cellules à cônes individuelles reconnaissent le rouge, le vert et le bleu (RVB), sur les capteurs d'images, ce sont des pixels individuels qui absorbent les longueurs d'onde correspondantes et les transforment en signaux électriques.
La plupart des capteurs d'images sont composés de silicium. Ce matériau semi-conducteur absorbe normalement la lumière dans tout le spectre visible. Pour en faire des capteurs d'images RVB, la lumière incidente doit être filtrée. Les pixels pour le rouge contiennent des filtres qui bloquent (et donc gaspillent) le vert et le bleu, et ainsi de suite. Chaque pixel d'un capteur d'image au silicium ne reçoit ainsi qu'un tiers environ de la quantité totale de lumière incidente.
Des chercheurs autour de Maksym Kovalenko, qui travaillent aussi bien au laboratoire « Thin Films and Photovoltaics » de l'Empa qu'au laboratoire de chimie inorganique de l'ETH Zurich, ont proposé, en collaboration avec le laboratoire « Transport at Nanoscale Interfaces » de l'Empa, une nouvelle solution qui permet à une caméra d'utiliser toute la lumière pour l'enregistrement des couleurs. Depuis bientôt dix ans, ils mènent des recherches sur les capteurs d'images en pérovskite. Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée dans la prestigieuse revue scientifique « Nature », ils montrent qu'ils ont réussi : La nouvelle technologie fonctionne.
La base de ce capteur d'image innovant est l'halogénure de plomb pérovskite. Ce matériau cristallin est un semi-conducteur. Mais contrairement au silicium, il est particulièrement facile à traiter – et ses propriétés physiques varient en fonction de sa composition chimique exacte. C'est précisément ce que les chercheurs exploitent dans la fabrication de capteurs d'images en pérovskite. Si la pérovskite contient un peu plus d'ions d'iode, elle absorbe la lumière rouge. Pour le vert, les chercheurs ajoutent plus de brome, pour le bleu plus de chlore – sans aucun filtre. Pour les autres longueurs d'onde, les couches de pixels en pérovskite restent transparentes et les laissent donc passer. Ainsi, les pixels pour le rouge, le vert et le bleu peuvent être empilés les uns sur les autres dans le capteur d'image, contrairement aux capteurs d'image en silicium, où les pixels sont placés les uns à côté des autres.
Des capteurs d'images qui fonctionnent
Grâce à cette disposition, les capteurs d'images à base de pérovskite peuvent théoriquement capter trois fois plus de lumière sur la même surface que les capteurs d'images traditionnels – et ce avec une résolution trois fois meilleure.
Il y a quelques années, l'équipe de Maksym Kovalenko avait déjà pu démontrer leur fonctionnement, tout d'abord avec des pixels individuels surdimensionnés composés de cristaux de pérovskite de la taille d'un millimètre. Aujourd'hui, ils ont construit pour la première fois deux capteurs d'images à couche mince en pérovskite qui fonctionnent. « Nous continuons à développer la technologie en passant d'une ‹ preuve de concept › grossière à une dimension dans laquelle elle pourrait réellement être utilisée », explique Maksym Kovalenko. Une voie de développement naturelle pour les composants électroniques : « Le premier transistor était constitué d'un gros morceau de germanium avec quelques connexions. Aujourd'hui, 60 ans plus tard, les transistors ne mesurent plus que quelques nanomètres ».
Les capteurs d'images en pérovskite n'en sont qu'au début de leur développement. Avec les deux prototypes, les chercheurs ont toutefois pu montrer que la technologie peut tout à fait être miniaturisée. Fabriqués à l'aide de procédés à couche mince courants dans l'industrie, les capteurs ont atteint leur taille cible, du moins à la verticale. « Il y a bien sûr toujours un potentiel d'optimisation », note le co-auteur Sergii Yakunin, qui dirige des activités partielles du groupe de recherche de Maksym Kovalenko.
Les chercheurs ont testé expérimentalement les deux prototypes, qui se distinguent par leur technologie de sélection, sous toutes les coutures. Leurs résultats démontrent les points forts de la pérovskite : les capteurs sont plus sensibles à la lumière, restituent les couleurs avec plus de précision et peuvent offrir une résolution nettement plus élevée que la technologie traditionnelle au silicium. De plus, le fait que chaque pixel capte toute la lumière élimine certains artefacts de la photographie numérique, comme le démosaïquage et l'effet de moiré.
Vision artificielle pour la médecine et l'environnement
Mais les appareils photo numériques grand public ne sont pas le seul domaine d'application des capteurs d'images en pérovskite. En raison des propriétés de la pérovskite, ils conviennent aussi particulièrement bien aux applications dans le domaine de la vision artificielle. La focalisation sur le rouge, le vert et le bleu est due à l'œil humain : Nos capteurs d'images fonctionnent au format RGB, car nos yeux voient en mode RGB. Pour des tâches spécifiques, il vaut toutefois la peine de définir des plages de longueurs d'onde différentes, qui sont lues par un ordinateur. Souvent, il y en a plus de trois – on parle de l'imagerie hyperspectrale.
Pour celle-ci, les capteurs en pérovskite présentent un avantage décisif. Les chercheurs peuvent contrôler très précisément les plages de longueurs d'onde qu'ils absorbent – pour chaque couche. « Avec la pérovskite, nous pouvons définir de nombreux canaux de couleur qui se distinguent clairement les uns des autres », explique Sergii Yakunin. Le silicium, avec son large spectre d'absorption, nécessite pour cela de nombreux filtres et des algorithmes informatiques complexes. « C'est déjà très peu pratique pour un nombre relativement faible de couleurs », résume Maksym Kovalenko. Les capteurs d'images hyperspectrales en pérovskite pourraient par exemple être utilisés dans le domaine des analyses médicales ou de la surveillance automatisée de l'agriculture et de l'environnement.
Dans une prochaine étape, les chercheurs veulent encore réduire la taille de leurs capteurs d'images en pérovskite tout en augmentant le nombre de pixels. Leurs deux prototypes ont des tailles de pixels comprises entre 0,5 et 1 millimètre. Dans les capteurs d'images commerciaux, les pixels sont de l'ordre du micromètre. « Il devrait même être possible de fabriquer des pixels encore plus petits en pérovskite qu'en silicium », explique Sergii Yakunin. Les connexions électroniques et les techniques de traitement doivent également être adaptées à la nouvelle technologie. « L'électronique de lecture actuelle est optimisée pour le silicium. Mais la pérovskite est un autre semi-conducteur, avec d'autres propriétés matérielles », explique Maksym Kovalenko. Les chercheurs en sont toutefois convaincus : ces défis peuvent être surmontés.