Πρωτοποριακή ψηφιακή κάμερα που βλέπει το «αόρατο» δημιούργησε Έλληνας ερευνητής. Graphene/quantum dot hybrid system creates camera that sees visible and invisible light

The first graphene-based camera has now been developed. It is capable of imaging visible and infrared light at the same time. The camera will be useful for many applications such as night vision, food inspection, fire control, vision under extreme weather conditions, among others. Graphene-quantum dots-CMOS-based sensor for ultraviolet, visible and infrared. Credit: ICFO/ D. Bartolome

Ερευνητές στην Ισπανία, με επικεφαλής έναν Έλληνα ηλεκτρολόγο μηχανικό, δημιούργησαν τον πρώτο στον κόσμο αισθητήρα εικόνας CMOS που ενσωματώνει γραφένιο και κβαντικές τελείες, πράγμα που επιτρέπει στην κάμερα να βλέπει ταυτόχρονα στο ορατό και στο αόρατο (υπέρυθρο και υπεριώδες) τμήμα του φάσματος.

Εδώ και 40 χρόνια, η μικροηλεκτρονική και τα συστήματα εικόνας έχουν κάνει τεράστιες προόδους χάρη στη χρήση του πυρίτιου και της τεχνολογίας κυκλωμάτων CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors) (συμπληρωματικοί ημιαγωγοί μεταλλικού οξειδίου), ανοίγοντας έτσι το δρόμο για τη δημιουργία μικρών, ισχυρών και φθηνών «τσιπ» για υπολογιστές, «έξυπνα» κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές κάμερες (με ανάλυση πάνω από 100 megapixels) και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.

Όμως, έως τώρα υπήρχε μεγάλη τεχνική δυσκολία να συνδυαστεί η τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (τσιπ ή μικροεπεξεργαστών) CMOS με άλλα ηλεκτρο-οπτικά υλικά πέρα από το πυρίτιο. Το σοβαρό αυτό εμπόδιο τώρα υπερκεράστηκε, καθώς για πρώτη φορά δημιουργήθηκε ένα τσιπάκι (φωτοτρανζίστορ) CMOS με γραφένιο αντί για πυρίτιο.

Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Φωτονικών Επιστημών (ICFO) στη Βαρκελώνη, με επικεφαλής τον καθηγητή Γεράσιμο Κωνσταντάτο, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο κορυφαίο διεθνώς περιοδικό φωτονικής "Nature Photonics" (μάλιστα επρόκειτο για το κεντρικό θέμα στο εξώφυλλο), δημιούργησαν την πρώτη ψηφιακή κάμερα με αισθητήρα εικόνας υψηλής ανάλυσης CMOS, που διαθέτει χιλιάδες φωτοανιχνευτές με βάση το γραφένιο αντί για το πυρίτιο, καθώς και κβαντικές τελείες.

Ο νέος αισθητήρας εικόνας CMOS διαθέτει μια διάταξη 388 επί 288 φωτοανιχνευτών γραφένιου-κβαντικών τελειών. Η πρωτοποριακή κάμερα είναι τόσο ευαίσθητη, που «βλέπει» την ίδια στιγμή στο ορατό, στο υπέρυθρο και στο υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, «πιάνοντας» το φως από τα 300 έως σχεδόν τα 2.000 νανόμετρα, κάτι που ποτέ έως τώρα δεν είχε καταστεί δυνατό με τους υπάρχοντες αισθητήρες εικόνας.

Το «πάντρεμα» του γραφένιου με τα «τσιπάκια» CMOS αναμένεται να οδηγήσει σε πληθώρα οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών, όπως μετάδοση δεδομένων, νυχτερινή όραση, έλεγχος τροφίμων και φαρμάκων, ανίχνευση πυρκαγιών, όραση σε ακραίες καιρικές συνθήκες, κάμερες ασφαλείας, αισθητήρες αυτοκινήτων, ιατρικοί αισθητήρες, περιβαλλοντικοί αισθητήρες κ.α.

Ο νέος αισθητήρας εικόνας από γραφένιο και κβαντικές τελείες είναι εύκολος και φθηνός στην κατασκευή του σε συνθήκες δωματίου, πράγμα που σημαίνει ότι θα είναι δυνατό να παραχθεί βιομηχανικά με χαμηλό κόστος.

Οι ερευνητές χρηματοδοτήθηκαν από το μεγάλο ευρωπαϊκό πρόγραμμα για την αξιοποίηση του γραφένιου (European Graphene Flagship), την ισπανική και την καταλανική κυβέρνηση, καθώς και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC). Ήδη ετοιμάζονται να κατοχυρώσουν τις σχετικές πατέντες και να φέρουν τη νέα τεχνολογία στην αγορά.

Το Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών (ICFO) δημιουργήθηκε το 2002 από την κυβέρνηση και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Καταλονίας ως ερευνητικό κέντρο αριστείας στις επιστήμες και τεχνολογίες του φωτός και σήμερα είναι από τα κορυφαία στον τομέα του. Βρίσκεται στο Μεσογειακό Πάρκο Τεχνολογίας της Βαρκελώνης και διαθέτει περίπου 400 ερευνητές.

Prof. Dr. Gerasimos Konstantatos. Ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος ηγείται της ομάδας Εφαρμοσμένων Οπτοηλεκτρονικών Νανοϋλικών στο Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών στη Βαρκελώνη.

Ένας από αυτούς είναι ο ερευνητικός καθηγητής Γ. Κωνσταντάτος, ο οποίος αποφοίτησε από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Η/Υ του Πανεπιστημίου Πατρών (2001) και πήρε το διδακτορικό του από το αντίστοιχο τμήμα του Πανεπιστημίου του Τορόντο στον Καναδά (2008), όπου πραγματοποίησε και μεταδιδακτορική έρευνα. Από το 2009 είναι καθηγητής και επικεφαλής ερευνητικής ομάδας στο ICFO.

Μιλώντας για τη σημασία της ανακάλυψης, ο κ. Κωνσταντάτος τόνισε ότι «είναι διττού χαρακτήρα. Κατά πρώτον, αφορά στην εφαρμογή αυτή καθεαυτήν, με την οποία παρουσιάζουμε μια ψηφιακή κάμερα νέας τεχνολογίας, βασισμένης στο γραφένιο και στις κβαντικές τελείες, ο συνδυασμός των οποίων επιτρέπει τη δημιουργία ενός πολύ ευαίσθητου φωτοανιχνευτή. Ο τελευταίος αποτελεί το δομικό στοιχείο αυτής της κάμερας, η οποία επιτρέπει τη λήψη εικόνων σε ένα ευρύ φάσμα φωτός από το υπεριώδες μέχρι και το υπέρυθρο».

Όπως είπε, «αντίστοιχη δυνατότητα δεν συναντάται σε κάμερες βασισμένες στην παρούσα τεχνολογία ημιαγωγών. Ειδικά αυτές για το υπέρυθρο είναι πολύ υψηλού κόστους, απαγορευτικού για την εφαρμογή τους στην καθημερινότητα».

Το δεύτερο σημαντικό στοιχείο, υπογράμμισε ο κ. Κωνσταντάτος, «ήταν ότι για να φθάσουμε στον στόχο μας, έπρεπε να επιτύχουμε ένα ορόσημο στην τεχνολογία του γραφένιου και των διδιάστατων υλικών γενικότερα: αυτό της μονολιθικής ολοκλήρωσής τους με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται σήμερα παντού, σε υπολογιστές, κινητά κλπ. Το γραφένιο έχει όντως μοναδικές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, τις οποίες, για να εκμεταλλευτούμε σε εφαρμογές στο άμεσο μέλλον, θα έπρεπε να μπορέσουμε να το συνδέσουμε με την υπάρχουσα τεχνολογία. Σε αυτήν την έρευνα αποδείξαμε ότι κάτι τέτοιο είναι δυνατό και μάλιστα επιδεικνύοντάς το σε μια δομή τόσο πολύπλοκη όσο μια ψηφιακή κάμερα».

Όπως εξήγησε, «τροποποιήσαμε τις κβαντικές τελείες, ώστε να επεκτείνονται στο βραχύ τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, έως του σημείου που να μπορούμε να ανιχνεύσουμε το νυχτερινό φεγγοβόλημα της ατμόσφαιρας σε έναν σκοτεινό και καθαρό ουρανό, επιτρέποντας έτσι την παθητική νυχτερινή όραση. Η έρευνά μας δείχνει ότι αυτή η κατηγορία φωτοτρανζίστορ μπορεί να αποτελέσει τον τρόπο για να έχουμε υψηλής ευαισθησίας και χαμηλού κόστους αισθητήρες υπέρυθρης εικόνας, που θα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, ανταποκρινόμενοι έτσι στις ανάγκες μιας τεράστιας υπέρυθρης αγοράς, η οποία σήμερα διψάει για φθηνές τεχνολογίες».

Τέτοιες κάμερες, σύμφωνα με τον Έλληνα ερευνητή, «μπορούν να έχουν πολλές εφαρμογές, όπως να επιτρέπουν την απεικόνιση νυχτερινής όρασης σε πραγματικό χρόνο, την όραση υπό αντίξοες καιρικές συνθήκες, τη φασματοσκοπία και τον έλεγχο της ποιότητας των τροφίμων, άλλων προϊόντων και του περιβάλλοντος. Με αυτή την τεχνολογία, ο καταναλωτής θα έχει τη δυνατότητα πρόσβασης σε αυτές τις εφαρμογές σε πολύ προσιτό κόστος, π.χ. κάθε αυτοκίνητο θα μπορεί να εξοπλιστεί με τέτοια συστήματα πολυφασματικής απεικόνισης, προσφέροντας έτσι σημαντικά αυξημένη ασφάλεια».

Πηγές: Stijn Goossens, Gabriele Navickaite, Carles Monasterio, Shuchi Gupta, Juan José Piqueras, Raúl Pérez, Gregory Burwell, Ivan Nikitskiy, Tania Lasanta, Teresa Galán, Eric Puma, Alba Centeno, Amaia Pesquera, Amaia Zurutuza, Gerasimos Konstantatos, Frank Koppens. Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photonics, 2017; DOI: 10.1038/nphoton.2017.75 -  www.amna.gr