高透明纳米片助力超薄光电子器件构建

日本名古屋大学的研究人员开发出一种掺镓氧化锌（GZO）纳米片，有望提升智能手机和医用内窥镜等紧凑型设备的摄像头分辨率。与传统传感器不同，这些纳米片可使单个像素在保持几乎透明的状态下，检测红、绿、蓝（RGB）光的强度。它们超薄、轻质，且能耐受高达400°C（752°F）的温度，因此适用于太空硬件和汽车系统等极端环境。该研究成果已发表于《ACS Nano》期刊。

为何单个像素至关重要

大多数商用相机采用拜耳阵列，将RGB滤色片以棋盘格图案排列在数百万个像素上。由于每个像素只能感知一种颜色，全彩图像需由相邻像素重建。若单个像素能检测全部三种颜色，总像素数最多可减少75%，从而在保持图像分辨率的同时缩小传感器尺寸。

透明纳米片非常适合此方案，因为它们允许光线通过，可使多个层垂直堆叠，每层检测不同颜色。纳米片传感器还省去了传统RGB传感器所需的复杂半导体工艺，简化生产并降低成本。

改进纳米片的弱点

由长田实教授以及名古屋大学可持续发展材料与系统研究所的研究人员Ruben Canton-Vitoria和Vivid Meelab领导的团队，专注于氧化锌纳米片，这种材料透明度高、化学性质稳定。然而，初期实验显示，这些纳米片对可见光响应微弱，限制了其在相机传感器中的适用性。

为突破这一限制，团队通过添加镓来调整氧化锌的电子结构，创造出可捕获电子并将光转换为电信号的陷阱态。这一改造使纳米片在保持透明的同时，对可见光产生强烈响应。

性能超越商用传感器

分析表明，掺镓氧化锌纳米片仅将0.005%的吸收光能转化为光电流，而每层可透射99.995%的可见光。尽管能量利用率极低，改性后的纳米片灵敏度却达到800安培/瓦（A/W），远超商用传感器通常的10 A/W。陷阱态使其能对少量吸收光产生强响应，而大部分光则透射至后续各层。

这一特性实现了颜色选择性堆叠。该团队开发出一种超薄传感器，其第一层GZO利用光敏陷阱态探测整个可见光谱。滤除红光后，第二层GZO检测绿光和蓝光成分。最后通过一个绿色截止滤光片，将最后一层隔离以用于蓝光检测。实验证实，该器件成功再现了全彩图像，且误差仅为传统相机的一半。

Osada说："这种光学传感器与人类视网膜区分RGB颜色的方式极为相似，大脑通过组合三种对不同波长敏感的视觉细胞的响应来重建颜色。"

未来展望

除了优异的光学性能，该器件在空气中高达400°C（752°F）的温度下仍能保持稳定的光响应，并在真空和潮湿条件下性能如一。这些热学与化学特性使其适用于太空硬件和汽车系统等严苛环境。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.6c04352