Окумуштуулар галлий кошулган цинк оксидинин нано-баракчалары бир пикселге кызыл, жашыл жана көк (RGB) жарыктын интенсивдүүлүгүн аныктоого мүмкүндүк берерин көрсөтүштү.
Жарыкты аныктоонун бир нече функциясын бир түзмөккө бириктирүү азыркы камераларга караганда арзаныраак, кичине жана жогорку өндүрүмдүүлүктөгү оптоэлектрондук түзмөктөрдү иштеп чыгууга негиз боло алат.
Изилдөөчүлөрү галлий менен легирленген (галлий кошулган) цинк оксидинин (GZO) нано-баракчаларын иштеп чыгышканын Жапониядагы Нагоя (Nagoya University) университети кабарлады.
Университеттин жазганына караганда, бул материал смартфондор жана медициналык эндоскоптор сыяктуу компакттуу түзмөктөрдөгү камералардын сүрөттү чечүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатууга жардам бере алат.
Галлий кошулган цинк оксидинин нано-баракчалары кадимки сенсорлордон айырмаланып, дээрлик тунук бойдон калып, бир пикселге кызыл, жашыл жана көк (RGB) жарыктын интенсивдүүлүгүн аныктоого мүмкүнчүлүк ачат.
Алар өтө жука жана жеңил түзүлүшкө ээ, ошондой эле 400 °Cге чейинки температурага туруштук бере алат.
Бул өзгөчөлүктөрү аларды космостук жабдуулар жана автомобиль системалары сыяктуу экстремалдуу шарттарда да колдонууга ылайыктуу кылат.
Илиммий изилдөөнүн жыйынтыктары Америкалык химия коомунун (American Chemical Society, ACS) ACS Nano журналында жарыяланган.
Эмне үчүн бир пиксел маанилүү
Нагоя университети өз материалында белгилегендей, көпчүлүк заманбап коммерциялык камераларда Байер матрицасы колдонулат.
Анда кызыл, жашыл жана көк (RGB) түстөгү чыпкалар миллиондогон пикселдердин үстүнө шахмат сымал тартипте жайгаштырылат. Ар бир пиксел бир гана түстү кабыл алгандыктан, толук түстүү сүрөт коңшу пикселдерден алынган маалыматтардын негизинде калыбына келтирилет.
Эгер бир пиксел үч түстүн тең маалыматын аныктай алса, пикселдердин жалпы санын 75%га чейин кыскартууга болот. Бул сүрөттүн чечилүү сапатын сактоо менен сенсордун өлчөмүн кичирейтүүгө мүмкүндүк берет.
Тунук нано-баракчалар мындай ыкма үчүн абдан ылайыктуу, анткени алар жарыкты өткөрөт. Бул ар бир катмары ар башка түстү аныктаган бир нече катмарды тик багытта жайгаштырууга мүмкүнчүлүк берет.
Мындан тышкары, нано-баракчаларга негизделген сенсорлор кадимки RGB сенсорлорун өндүрүүдө талап кылынган татаал жарым өткөргүч технологиялык процесстерди жокко чыгарат. Натыйжада өндүрүш жөнөкөйлөшүп, чыгымдар азаят.
Нано-баракчалардын алсыз жагын жакшыртуу
Нагоя университетинин Материалдар жана туруктуу системалар институтунун профессору Минору Осада (Minoru Osada) жетектеген изилдөө тобу, ошондой эле изилдөөчүлөр Рубен Кантон-Витория (Ruben Canton-Vitoria) жана Вивид Милаб (Vivid Meelab) жаңы материалды түзүүдө цинк оксидинин нано-баракчаларына көңүл бурушту.
Бул нано-баракчалар жогорку тунуктугу жана химиялык туруктуулугу менен айырмаланат. Бирок алгачкы эксперименттер алардын көрүнүүчү жарыкка алсыз жооп берерин көрсөтүп, камера сенсорлорунда колдонулушун чектеген.
Бул чектөөнү жоюу үчүн окумуштуулар цинк оксидинин электрондук түзүлүшүн галлий кошуу аркылуу өзгөртүштү.
Натыйжада электрондорду кармап, жарыкты электрдик сигналдарга айландырууга жардам берген, окумуштуулар “тузак абалдары” деп атаган электрондук абалдар пайда болду.
Ушундай өзгөртүүнүн аркасында нано-баракчалар тунуктугун сактоо менен бирге көрүнүүчү жарыкка да өтө сезгич болуп калды.
Коммерциялык сенсорлордон жогорку натыйжа
Нагоя университети маалымдагандай, алардын изилдөөчүлөрүнүн талдоосу галлий менен легирленген цинк оксидинин нано-баракчалары сиңирилген жарык энергиясынын болгону 0,005%ын фототокко айлантат, ошол эле учурда ар бир катмар көрүнүүчү жарыктын 99,995%ын өткөрүп жиберет.
Энергиянын өтө аз бөлүгү колдонулганына карабастан, өзгөртүлгөн нано-баракчалардын сезгичтиги 800 ампер/ваттка (А/Вт) жеткен.
Бул коммерциялык сенсорлордун адаттагы 10 А/Вт көрсөткүчүнөн кыйла жогору.
“Тузак абалдары” сиңирилген жарыктын өтө аз көлөмүнө да күчтүү электрдик жооп жаратууга шарт түзөт, ал эми жарыктын негизги бөлүгү кийинки катмарларга өтүп кетет.
Бул өзгөчөлүк түстөрдү тандалма кабыл алган көп катмарлуу түзүлүштү жаратууга жол ачат. Изилдөө тобу өтө жука сенсорду иштеп чыкты. Анда биринчи GZO катмары фотоактивдүү “тузак абалдарын” колдонуп, көрүнүүчү жарыктын толук спектрин аныктайт.
Илимий изилдөөнүн сүрөттөлүшү. Автору: Нагоя университетинин изилдөө тобу.
Кызыл жарык чыпкалангандан кийин, экинчи GZO катмары жашыл жана көк компоненттерди аныктайт. Андан соң жашыл жарыкты өткөрбөгөн акыркы чыпка үчүнчү катмарга көк жарыкты гана кабыл алууга мүмкүндүк берет.
Эксперименттер бул түзмөк кадимки камераларга салыштырмалуу катасы эки эсе аз болгон толук түстүү сүрөттөрдү ийгиликтүү жарата турганын да көрсөттү.
“Бул оптикалык сенсор RGB түстөрүн айырмалоо жагынан адамдын көзүнүн тор кабыгынын иштөө принцибине абдан окшош. Мээ ар кандай толкун узундуктарына сезгич болгон үч түрдүү көрүү клеткаларынын сигналдарын бириктирип, түстүү сүрөттү калыбына келтирет”, – дейт изилдөөнүн жетекчиси, профессор Минору Осада.
Келечектеги мүмкүнчүлүктөр
Нагоя университетинин маалыматына ылайык, жогорку оптикалык көрсөткүчтөрдөн тышкары, жаңы түзмөк абада 400 °Cге чейинки температурада жарыкка туруктуу жооп кайтаруу жөндөмүн сактап калды.
Ошондой эле ал вакуумда жана жогорку нымдуулук шарттарында да ишенимдүү жана туруктуу иштеди.
Мындай ысыкка жана химиялык таасирлерге туруктуулук касиеттери аны космостук жабдууларда, автомобиль системаларында жана башка татаал эксплуатациялык шарттарда колдонууга да ылайыктуу кылат.
Бул сенсорду бөлмө температурасында эритме ыкмасы аркылуу өндүрүүгө болот. Мындай ыкма салттуу сенсорлорду даярдоодо талап кылынган жогорку температурадагы иштетүүнүн жана татаал микрофабрикация процесстеринин зарылдыгын жок кылат.
Жарыкты аныктоонун бир нече функциясын бир түзмөккө бириктирүү менен изилдөөчүлөр азыркы камераларга караганда арзаныраак, өлчөмү кичине, интеграция деңгээли жогору жана натыйжалуулугу жакшы (high-performing) болгон оптоэлектрондук түзмөктөрдү иштеп чыгуу мүмкүн экенин көрсөтүштү.
Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмө:
Галлий (Ga) – жумшак, күмүш-ак түстөгү металлдык химиялык элемент, (атомдук номери: 31). Ал өзгөчө төмөн эрүү температурасы – 29,78 °C менен белгилүү. Ушул касиетинен улам аны адамдын алаканында кармаганда эле эритүүгө болот.
Галлий жарым өткөргүч өнөр жайында галлий арсениди жана галлий нитриди сыяктуу кошулмаларды түзүүдө колдонулат. Бул кошулмалар жарык чыгаруучу диоддорду (LED), күн панелдерин, лазерлерди жана жогорку жыштыктагы микротолкундуу схемаларды өндүрүүдө маанилүү роль ойнойт.
Ошондой эле галлий кээде медициналык сүрөттөөдө колдонулат: галлий менен жүргүзүлгөн сканерлөө ыкмасы айрым рак түрлөрүн жана инфекцияларды аныктоого жардам берет.
Цинк оксиди (ZnO) – кеңири колдонуу мүмкүнчүлүктөрүнө ээ болгон, жыты жок, сууда эрибеген ак порошок. Ал органикалык эмес кошулмалардын катарына кирет жана ультракызгылт көк нурларды табигый түрдө чагылдыруу, пигмент катары колдонулуу жана терини тынчтандыруучу, антибактериалдык касиеттеринин аркасында өнөр жайда, косметикада жана медицинада колдонулат.
Кеңири колдонуу мүмкүнчүлүктөрүнө байланыштуу бул химиялык кошулманы керектелүүчү жана өнөр жайлык ар кандай продукциялардан кездештирүүгө болот.
Галлий менен легирленген цинк оксиди (GZO) – жарым өткөргүч катары колдонулган тунук өткөрүүчү оксид.
Цинк иондорун галлий иондору менен алмаштыруу аркылуу ал жогорку электр өткөрүмдүүлүккө, мыкты оптикалык тунуктукка ээ болот.
GZO күн элементтеринде, жалпак панелдүү дисплейлерде жана оптоэлектрондук түзмөктөрдө электрод катары кеңири колдонулат.
GZO негизинен n-түрүндөгү жарым өткөргүч. Ал кристаллдык цинк оксидинин торчо түзүлүшүнө аз өлчөмдөгү галлийди киргизүү аркылуу алынат.
Галлийдин иондук радиусу цинктикине абдан окшош болгондуктан, ал кристаллдык түзүлүштө олуттуу деформацияларды пайда кылбастан цинк иондорунун ордун оңой ээлей алат.
Галлий атому цинк атомун алмаштырганда кошумча эркин электрон пайда болуп, материалдын электр өткөрүмдүүлүгү кыйла жогорулайт, ошол эле учурда анын оптикалык тунуктугу сакталат.
Пиксель (“picture element” – “сүрөт элементи” деген сөз айкашынын кыскартылышы) – санариптик сүрөттүн же дисплейдеги сүрөттүн эң кичине башкарылуучу бирдиги.
Мындай миллиондогон кичинекей төрт бурчтуу түстүү чекиттер торчо түрүндө жайгашып, биз экрандардан, телевизорлордон жана санариптик сүрөттөрдөн көргөн толук сүрөттөрдү түзөт.
Сүрөттүн тактыгы пикселдердин жалпы саны менен аныкталат. Мисалы, 1920 × 1080 (1080p) чечилишке ээ дисплейде болжол менен 2 миллион өзүнчө пиксел бар.
Пикселдердин саны канчалык көп болсо, адатта сүрөт ошончолук так болуп, майда деталдарды жакшыраак көрсөтөт.
Түстүү экрандарда ар бир физикалык пиксель кызыл, жашыл жана көк жарык чыгаруучу (RGB) үч кичине субпикселге бөлүнөт. Бул субпикселдердин жарыктыгын өзгөртүү аркылуу экран миллиарддаган ар кандай түстөрдү көрсөтө алат.
Нано-баракча – калыңдыгы 1ден 100 нанометрге чейинки, өтө жука эки өлчөмдүү нанотүзүлүш. Анын узундугу жана туурасы калыңдыгына салыштырмалуу кыйла чоң болот.
Беттик аянтынын көлөмүнө болгон катышы өтө жогору болгондуктан, нано-баракчалар өзгөчө электрдик, механикалык жана жылуулук касиеттерге ээ.
Өлчөмдүк өзгөчөлүктөрүнө байланыштуу нано-баракчалар негизинен үч негизги багытта : электроника жана эсептөө техникасында, энергияны сактоо технологияларында жана материал таанууда колдонулат.
Маселен, нано-баракчалуу транзисторлор 5 нанометрден кичине технологиялык нормалар боюнча жасалган чиптерде жогорку өндүрүмдүүлүктү жана энергиянын үнөмдүү пайдаланылуусун камсыздайт.
Графен жана башка органикалык эмес нано-баракчалар жогорку сыйымдуулуктагы аккумуляторлордо жана суперконденсаторлордо колдонулуп, тезирээк кубаттоого жана узагыраак иштөө мөөнөтүнө шарт түзөт.
Нано-баракчалар конструкцияларды бекемдөөчү элементтер же коргоочу каптамалар катары материалдарга кошулуп, бетон жана болот сыяктуу кеңири колдонулган материалдардын бышыктыгын жана коррозияга туруктуулугун кыйла жогорулатат.
Байер матрицасы (же Байер чыпкасы) – санариптик камеранын жарык сезгич сенсорунун үстүнө жайгаштырылган кичинекей түстүү чыпкалардан турган мозаикалык түзүлүш.
Анда кызыл, жашыл жана көк чыпкалар кайталануучу 2×2 торчо түрүндө жайгашып, алардын курамы 50% жашыл, 25% кызыл жана 25% көк чыпкалардан турат.
Камера сенсорундагы өзүнчө пикселдер табиятынан түстү айырмалай албайт жана жарыктыктын деңгээлин (люминансын) гана каттайт.
Ошондуктан Байер матрицасы ар бир пикселге түшкөн жарыкты белгилүү толкун узундуктарындагы бөлүктөр менен чектейт. Толук түстүү сүрөттү түзүү үчүн демозаикация деп аталган процесс колдонулат.
Ал ар бир пикселдеги жетишпеген түс маалыматтарын айланадагы түстүү чыпкалардан өткөн пикселдердин маалыматынын негизинде калыбына келтирет.
Байер матрицасы Eastman Kodak компаниясынын инженери, америкалык окумуштуу Брайс Байердин (Bryce Bayer, 1929–2012) урматына аталган. Ал ошондой эле иреттелген дизеринг (ordered dithering) ыкмасында колдонулган рекурсивдүү матрицаны иштеп чыкканы менен да белгилүү.
Шилтемелер:
- Маалымат макала Нагоя университетинин интернет баракчасындагы https://en.nagoya-u.ac.jp/news/articles/transparent-nanosheets-open-the-door-to-smaller-higher-resolution-optical-sensors/ материалдын негизинде жазылды.
- Маалымат макалага негиз болгон илимий изилдөө ACS Nano журналында https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c04352 жарыяланган.
- Башкы сүрөт unsplash.com сайтынан алынды, автору Mark Chan.
- Макала ичиндеги сүрөт Нагоя университетинин интернет баракчасынан https://en.nagoya-u.ac.jp/news/articles/transparent-nanosheets-open-the-door-to-smaller-higher-resolution-optical-sensors/ алынды.
- Илимий жана техникалык терминдерге түшүндүрмөнү Эл Илим коомдук фонду даярдады.
