Foto: ICFO
Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (ICFO) han creado la primera cámara basada en grafeno y puntos cuánticos capaz de detectar simultáneamente la radiación ultravioleta, la luz visible y la radiación infrarroja. Los resultados se han publicado en la revista Nature Photonics.
Esta cámara, que puede ser integrada en móviles y tabletas, permite por ejemplo, mediante una simple foto, detectar el estado de los tomates que queremos comprar en el supermercado, o la esterilización de la leche del biberón que queremos dar a nuestro bebé. También permitirá, integrada en el sistema automovilístico, amplificar la visión del conductor en días de niebla o densa oscuridad nocturna.
La cámara tiene una amplia gama de aplicaciones que van desde la seguridad, hasta smartphones con cámaras de gran alcance, sistemas de lucha contra incendios, visión nocturna, sensores para automóviles, cuidados médicos, o la inspección médica y farmacéutica relacionada con el medio ambiente, según se explica en un comunicado.
La tecnología de esta cámara integra un circuito integrado CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) con grafeno, lo que le permite disponer de un sensor de imagen de alta resolución compuesta de miles de fotodetectores basados en grafeno y puntos cuánticos.
El grafeno es el material más resistente de la naturaleza. Es 100.000 veces más delgado que el cabello humano y ultraligero, pero denso, elástico y flexible, con una alta conductividad térmica y eléctrica. Al ser transparente, tiene también propiedades ópticas. Un punto cuántico, por su parte, es una estructura cristalina a nanoescala que puede transformar la luz.
Los investigadores del ICFO han utilizado esta tecnología como una cámara digital muy sensible a la radiación ultravioleta, capaz de ver lo visible y lo invisible al mismo tiempo, algo que hasta ahora nunca se había conseguido.
Esta integración monolítica del grafeno con el CMOS permite una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas, como las comunicaciones de datos ópticas de baja potencia y sistemas de detección compactos y ultrasensibles.
Esta cámara, que puede ser integrada en móviles y tabletas, permite por ejemplo, mediante una simple foto, detectar el estado de los tomates que queremos comprar en el supermercado, o la esterilización de la leche del biberón que queremos dar a nuestro bebé. También permitirá, integrada en el sistema automovilístico, amplificar la visión del conductor en días de niebla o densa oscuridad nocturna.
La cámara tiene una amplia gama de aplicaciones que van desde la seguridad, hasta smartphones con cámaras de gran alcance, sistemas de lucha contra incendios, visión nocturna, sensores para automóviles, cuidados médicos, o la inspección médica y farmacéutica relacionada con el medio ambiente, según se explica en un comunicado.
La tecnología de esta cámara integra un circuito integrado CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) con grafeno, lo que le permite disponer de un sensor de imagen de alta resolución compuesta de miles de fotodetectores basados en grafeno y puntos cuánticos.
El grafeno es el material más resistente de la naturaleza. Es 100.000 veces más delgado que el cabello humano y ultraligero, pero denso, elástico y flexible, con una alta conductividad térmica y eléctrica. Al ser transparente, tiene también propiedades ópticas. Un punto cuántico, por su parte, es una estructura cristalina a nanoescala que puede transformar la luz.
Los investigadores del ICFO han utilizado esta tecnología como una cámara digital muy sensible a la radiación ultravioleta, capaz de ver lo visible y lo invisible al mismo tiempo, algo que hasta ahora nunca se había conseguido.
Esta integración monolítica del grafeno con el CMOS permite una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas, como las comunicaciones de datos ópticas de baja potencia y sistemas de detección compactos y ultrasensibles.
Sencilla y barata de fabricar
Los investigadores fabricaron el sensor de imagen colocando puntos cuánticos coloidales sobre grafeno y, posteriormente, aplicando este sistema híbrido encima de una oblea CMOS con matrices de captor de imágenes y un circuito de lectura integrado.
Stijn Goossens, uno de los creadores, explica que no fue necesario ningún proceso complejo ni laborioso, ya que la cámara se puede fabricar a temperatura ambiente, lo que implica que el costo de producción es bastante económico.Además, debido a sus propiedades, se puede integrar fácilmente en sustratos flexibles, así como en circuitos integrados de tipo CMOS.
A su vez, el profesor de ICREA en el ICFO, Gerasimos Konstantatos, experto en grafeno y puntos cuánticos, ha explicado cómo ha sido el diseño de la cámara.
"Hemos diseñado los puntos cuánticos para extender al espectro infrarrojo cercano (1100-1900nm), a tal punto que pudimos detectar el resplandor nocturno de la atmósfera en un cielo oscuro y claro, lo cual permite visión nocturna pasiva", describe el profesor, que añade que este trabajo demuestra que "esta clase de fototransistores puede ser el camino a seguir para sensores infrarrojos de bajo coste, pero de alta sensibilidad".
Estos sensores, añade, pueden operar a temperatura ambiente, y por tanto pueden ser "de enorme interés para un mercado de tecnologías en el infrarrojo que actualmente está sediento de tecnologías baratas".
"El desarrollo de este sensor de imagen monolítico basado en tecnología CMOS representa un hito para los sistemas de imágenes de banda ancha y hiperespectrales de bajo coste y alta resolución", destaca a su vez el profesor del ICFO, Frank Koppens.
Este proyecto está actualmente en periodo de incubación. El equipo está trabajando con el equipo de transferencia de tecnología del instituto para llevar este descubrimiento, junto con su cartera completa de patentes de imágenes y tecnologías de detección, al mercado.
Esta investigación ha sido apoyada parcialmente por la iniciativa europea 'Graphene Flagship', el Consejo Europeo de Investigación, la Generalitat de Cataluña, la Fundación Cellex y el programa de Excelencia Severo Ochoa del Gobierno de España.
Los investigadores fabricaron el sensor de imagen colocando puntos cuánticos coloidales sobre grafeno y, posteriormente, aplicando este sistema híbrido encima de una oblea CMOS con matrices de captor de imágenes y un circuito de lectura integrado.
Stijn Goossens, uno de los creadores, explica que no fue necesario ningún proceso complejo ni laborioso, ya que la cámara se puede fabricar a temperatura ambiente, lo que implica que el costo de producción es bastante económico.Además, debido a sus propiedades, se puede integrar fácilmente en sustratos flexibles, así como en circuitos integrados de tipo CMOS.
A su vez, el profesor de ICREA en el ICFO, Gerasimos Konstantatos, experto en grafeno y puntos cuánticos, ha explicado cómo ha sido el diseño de la cámara.
"Hemos diseñado los puntos cuánticos para extender al espectro infrarrojo cercano (1100-1900nm), a tal punto que pudimos detectar el resplandor nocturno de la atmósfera en un cielo oscuro y claro, lo cual permite visión nocturna pasiva", describe el profesor, que añade que este trabajo demuestra que "esta clase de fototransistores puede ser el camino a seguir para sensores infrarrojos de bajo coste, pero de alta sensibilidad".
Estos sensores, añade, pueden operar a temperatura ambiente, y por tanto pueden ser "de enorme interés para un mercado de tecnologías en el infrarrojo que actualmente está sediento de tecnologías baratas".
"El desarrollo de este sensor de imagen monolítico basado en tecnología CMOS representa un hito para los sistemas de imágenes de banda ancha y hiperespectrales de bajo coste y alta resolución", destaca a su vez el profesor del ICFO, Frank Koppens.
Este proyecto está actualmente en periodo de incubación. El equipo está trabajando con el equipo de transferencia de tecnología del instituto para llevar este descubrimiento, junto con su cartera completa de patentes de imágenes y tecnologías de detección, al mercado.
Esta investigación ha sido apoyada parcialmente por la iniciativa europea 'Graphene Flagship', el Consejo Europeo de Investigación, la Generalitat de Cataluña, la Fundación Cellex y el programa de Excelencia Severo Ochoa del Gobierno de España.
Referencia
Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photonics (2017) doi:10.1038/nphoton.2017.75.
Broadband image sensor array based on graphene–CMOS integration. Nature Photonics (2017) doi:10.1038/nphoton.2017.75.