Швейцарские исследователи из Empa и ETH Zürich создали первые тонкопленочные перовскитовые сенсоры, у которых красный, зеленый и синий слои «сложены» друг над другом. Такая каскадная архитектура поглощает весь поток фотонов каждого пикселя и теоретически дает втрое большую светочувствительность и пространственное разрешение, чем у классических кремниевых матриц с цветными фильтрами.
Чем перовскит лучше «классических» сенсоров — Hubble и James Webb?
Потери на фильтрах. CCD-камеры «Хаббла» (WFC3 / UVIS) имеют пиковую квантовую эффективность до ~85 % в желто-зеленой зоне, но через RGB-фильтры каждый пиксель получает только треть доступного света. В перовскитовой матрице фильтров нет, поэтому реальная эффективность может превысить 90 % по всему видимому диапазону.
Одна матрица вместо двух. HgCdTe-детекторы NIRCam на James Webb покрывают 0,6–5 µm с QE 70–90 %, но требуют двухканальной схемы (коротко- и длинноволновые фокусы) и криогенного охлаждения до ≈37 K. Перовскит позволяет «тонкой химией» подстроить предельную зону и получить тот же спектр в комнатных или умеренно охлажденных условиях, экономя массу и энергию системы.
Гиперспектр без колеса фильтров. Точное изменение состава (Cl/Br/I) дает «встроенные» каналы на конкретные астрофизические линии (H-α, O III и т.п.), поэтому механическое колесо с фильтрами становится ненужным.
Чего еще не хватает?
Для обеспечения требований, предъявляемых к космическим аппаратам, новым сенсорам необходимо пройти стадию миниатюризации. В прототипах размер пикселя 0,5-1 мм; для космических камер требуется ≤10–18 µm. Команда Empa признает, что это отдельный цикл научно-исследовательской и конструкторской работы.
Радиационная защита является обязательной частью любой конструкции, попадающей в космос. Однокристальные MAPbBr₃-детекторы выдерживают 3 МэВ протона до 1 MGy с полным самовосстановлением тока при комнатной температуре. Однако телескоп на низкой орбите за 10–15 лет набирает еще большую суммарную дозу, поэтому требуются более длительные испытания и экранирования.
Ресурс конструкции и ее способность выдерживать деградацию УФ и термоциклов также будут интересным вызовом для инженеров. Хотя вакуум спасает от влаги, но нужно разработать надежную инкапсуляцию и «самоисцеляющие» прослойки, чтобы кристаллы не распадались под солнечным ультрафиолетом.
Технология перовскитовых сенсоров может стать полезной уже в ближайшие годы: ее высокочувствительные матрицы, не требующие громоздкого охлаждения, позволяют создавать CubeSat-обсерваторию для оперативного отслеживания вспышек сверхновых и гамма-взрывов; в гиперспектральных спутниках для наблюдений Земли и Марса многослойные пиксели смогут заменить целый набор механических фильтров; в посадочных аппаратах на Луну или астероиды, где каждый грамм и ватт критически важны, такие сенсоры обеспечат необходимые научные данные в течение 2–3 лет работы; наконец, доказанная радиационная стойкость на уровне более 100 крад откроет путь к использованию перовскитовых матриц в Hubble-Next и других крупных обзорных телескопах 2030-х годов.
Хотите увидеть, как «глаза» новых телескопов могут изменить наше понимание Вселенной в ближайшее время? Ознакомьтесь с материалом «Обсерватория имени Веры Рубин: самый широкий взгляд на окружающий мир».
