盖世汽车讯 据外媒报道，日本名古屋大学（Nagoya University）的研究人员开发出了一种掺镓氧化锌（GZO）纳米片，有望提高智能手机和医用内窥镜等紧凑型设备中的摄像头分辨率。

图片来源：名古屋大学

与传统传感器不同，这种纳米片在保持近乎透明的同时，能让单个像素检测红、绿、蓝（RGB）光的强度。它们具有超薄、轻便且耐受高达400°C（752°F）高温的特性，因此适用于太空硬件和汽车系统等极端环境。相关研究成果已发表在期刊《ACS Nano》上。

为何单个像素至关重要

大多数商用相机采用拜耳阵列（Bayer array），将红、绿、蓝（RGB）滤色片以棋盘格形式排列在数百万个像素上。由于每个像素仅能感测一种颜色，因此全彩图像需通过相邻像素的信息重构而成。若单个像素能同时感测这三种颜色，总像素数量便可减少多达75%，从而在保持图像分辨率的同时缩小传感器尺寸。

透明纳米片是实现这一方案的理想材料，因为它们允许光线穿透，使得多个感光层能够垂直堆叠，且每一层分别感测不同的颜色。此外，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，从而简化了生产流程并降低了成本。

改善纳米片的短板

名古屋大学材料与系统可持续发展研究所的Minoru Osada教授带领研究团队（成员包括Ruben Canton-Vitoria和Vivid Meelab），针对具有高透明度和化学稳定性的氧化锌纳米片展开了研究。然而，初步实验显示，这些纳米片对可见光的响应较弱，从而限制了其在相机传感器领域的应用。

为了克服这一局限，研究团队通过掺入镓元素来调控氧化锌的电子结构，从而产生能够捕获电子并将光转化为电信号的“陷阱态”。这种改性处理使纳米片在保持透明的同时，能够对可见光产生强烈的响应。

性能优于商用传感器

分析显示，掺镓氧化锌纳米片仅将吸收光能的0.005%转化为光电流，同时允许99.995%的可见光穿透每一层。

尽管能耗极低，这种改性纳米片仍实现了800安培/瓦(A/W)的灵敏度，远超商用传感器通常10 A/W的水平。其中的陷阱态使其即便在光吸收量极少的情况下也能产生强烈响应，而大部分光线则得以穿透并进入后续层。

这一特性实现了颜色选择性堆叠。该团队开发了一种超薄传感器，其中第一层GZO利用光敏陷阱态来检测整个可见光谱。

在滤除红光后，第二层GZO负责检测绿色和蓝色成分。最后，通过一个绿光截止滤光片，使底层能够专门用于检测蓝光。实验证实，该设备能成功还原全彩图像，且误差仅为传统相机的一半。

“这种光学传感器的原理与人眼视网膜区分RGB颜色的方式非常相似，”Osada说道，“大脑通过综合三种视觉细胞的响应来重构色彩，而每种细胞分别对不同的波长敏感。”

未来展望

该器件不仅具备优异的光学性能，还能在高达400°C（752°F）的空气环境中保持稳定的光响应，并在真空及潮湿条件下维持性能的一致性。这些热学和化学特性使其适用于严苛的工作环境，例如航天设备和汽车系统。

此外，该传感器可采用室温溶液工艺制造，无需传统传感器所需的高温加工和复杂的微纳制造工序。

通过将多种光探测功能集成于单一器件中，该团队展示了一条通往更小巧、高度集成且高性能光电器件的途径，且制造成本低于目前的摄像头。