Швейцарские учёные создали пиксель, который и излучает, и анализирует свет

Пиксели традиционно выполняют одну из двух функций: либо излучают свет (как в экранах), либо его анализируют (как в матрицах камер). Швейцарские учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Цюрихского университета искусств (ZHdK) изобрели пиксель, который делает и то, и другое одновременно. Это достижение, описанное в журнале Nature, может кардинально изменить подход к созданию дисплеев и сенсоров, объединив экран и камеру в одном элементе.

Новый пиксель: принцип работы и возможности

Разработанный пиксель основан на технологии, использующей перовскитные светодиоды (PeLED). Перовскиты — это класс материалов с уникальными оптоэлектронными свойствами, которые уже применяются в солнечных батареях и светодиодах. В новом устройстве каждый пиксель может не только испускать свет заданного цвета, но и регистрировать падающий свет, работая как фотодетектор. Учёные добились этого, управляя напряжением и током: в одном режиме пиксель светится, в другом — измеряет интенсивность внешнего света. Переключение между режимами происходит за микросекунды, что позволяет использовать один и тот же пиксель для отображения и съёмки.

Почему это важно для будущих дисплеев?

Совмещение излучения и детектирования света в одном пикселе открывает путь к созданию устройств, где экран одновременно служит камерой. Например, смартфон может отображать изображение на всей передней панели, а фронтальная камера становится ненужной — пиксели экрана сами снимают. Это не только экономит место, но и позволяет создавать безрамочные дисплеи без вырезов. Кроме того, такая технология может улучшить системы распознавания жестов и биометрической аутентификации, так как каждый пиксель способен анализировать свет, отражённый от объекта.

Предыстория и контекст

Идея совместить излучение и детектирование света в одном элементе не нова — ранее предпринимались попытки на основе органических светодиодов (OLED) и квантовых точек. Однако все они сталкивались с проблемами: низкой эффективностью в режиме детектора или сложностью изготовления. Перовскиты оказались более перспективными благодаря высокой яркости, узкому спектру излучения и хорошей фоточувствительности. Кроме того, технология PeLED быстро прогрессирует в последние годы: уже существуют коммерческие прототипы дисплеев на перовскитах, хотя их срок службы пока уступает OLED.

Как это работает?

Пиксель состоит из слоя перовскита между двумя электродами. При подаче прямого напряжения происходит электролюминесценция — пиксель светится. Если же подать обратное напряжение или измерить ток при внешнем освещении, возникает фотогальванический эффект: пиксель генерирует ток, пропорциональный интенсивности света. Ключевая инновация швейцарских учёных — в конструкции, которая минимизирует потери в обоих режимах. Они использовали специальные транспортные слои и оптимизировали толщину перовскита, чтобы достичь баланса между яркостью свечения (до 10 000 кд/м²) и чувствительностью (сопоставимой с кремниевыми фотодиодами).

Технические подробности и сравнение с аналогами

В статье Nature исследователи сообщают, что их пиксели имеют внешний квантовый выход (EQE) около 10% в режиме излучения и квантовую эффективность фотодетектирования (EQE) более 40% в режиме приёма. Для сравнения: у OLED типичный EQE 20–30% при излучении, но как фотодетекторы они значительно слабее (менее 1%). Кремниевые фотодиоды превосходят по чувствительности, но не могут излучать свет. Таким образом, новый пиксель предлагает уникальное сочетание свойств, хотя по отдельным параметрам уступает специализированным устройствам. Важно, что технология совместима с существующими процессами производства дисплеев, что облегчает её внедрение.

Какие ограничения существуют?

Основной недостаток перовскитных светодиодов — их нестабильность. Перовскиты быстро деградируют под воздействием влаги, кислорода и тепла, что снижает срок службы. Исследователи работают над инкапсуляцией и новыми составами, чтобы продлить жизнь пикселям. Пока что прототипы выдерживают лишь несколько сотен часов непрерывной работы, что далеко от требований коммерческой электроники. Кроме того, разрешение матрицы пока невелико — учёные демонстрировали массивы до 10x10 пикселей, но уверены, что масштабирование возможно.

Кого затронет и как

Разработка в первую очередь интересна производителям электроники. Устройства, объединяющие дисплей и камеру, могут стать компактнее и дешевле: например, смартфоны без выреза под фронтальную камеру, умные часы с датчиком пульса на экране или ноутбуки с сенсорным экраном, распознающим жесты. В долгосрочной перспективе возможно создание «умных» поверхностей, которые и отображают информацию, и воспринимают окружающую среду. Для российского рынка технология может быть интересна производителям систем безопасности и автомобильной электроники, где требуются компактные оптоэлектронные модули. Однако до коммерциализации пройдёт не менее 5–10 лет из-за необходимости улучшить стабильность перовскитов.

Что будет дальше

Исследовательская группа уже работает над увеличением разрешения матрицы и улучшением долговечности пикселей. Следующий шаг — создание прототипа дисплея с разрешением 100x100 пикселей, способного одновременно показывать изображение и снимать видео. Если удастся решить проблему деградации перовскита под воздействием влаги и кислорода, технология может выйти на рынок в течение десятилетия. Параллельно конкурирующие группы разрабатывают аналоги на основе квантовых точек и двумерных материалов, но швейцарская разработка пока лидирует по интеграции функций.

Итог

Изобретение швейцарских учёных — значительный шаг вперёд в оптоэлектронике. Пиксель, который одновременно излучает и анализирует свет, открывает путь к принципиально новым устройствам, где экран и камера становятся единым целым. Следите за этой областью: в ближайшие годы мы можем увидеть первые прототипы устройств с «двусторонними» пикселями.