Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han desarrollado la primera cámara basada en el grafeno, capaz de detectar luz visible, ultravioleta e infrarroja a la vez. Se podrá usar en multitud de aplicaciones, como visión nocturna, inspección de alimentos, control de incendios y sistemas de imagen.
En los últimos 40 años, la microelectrónica ha avanzado increíblemente gracias a las tecnologías del silicio y del denominado CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario), dando lugar al desarrollo de la informática, los teléfonos inteligentes, las cámaras digitales compactas y de bajo coste, así como la mayoría de los aparatos electrónicos de los que dependemos hoy en día.
Sin embargo, la diversificación de esta plataforma en aplicaciones que pueden ir más allá del mundo de los microcircuitos y las cámaras de luz visible se ha visto imposibilitada principalmente por la dificultad de combinar semiconductores diferentes al silicio con la tecnología CMOS.
Pero ahora este obstáculo ha logrado ser superado. Investigadores del ICFO han demostrado por primera vez que se puede integrar de forma monolítica un circuito CMOS con el grafeno. El resultado es un sensor de imagen de alta resolución compuesto por cientos de miles de fotodetectores basados en grafeno y puntos cuánticos (quantum dots).
La cámara digital creada con el sensor se ha desarrollado de tal manera que es simultáneamente muy sensible a la luz ultravioleta, visible e infrarroja, un logro nunca conseguido hasta ahora con los sensores de imagen existentes. Esta demostración de integración monolítica de grafeno con tecnología CMOS permite su utilización para una amplia gama de aplicaciones optoelectrónicas, tales como comunicaciones de datos ópticos de baja potencia así como sistemas de detección compactos y ultra sensibles.
Portada de la revista Nature Photonics
El estudio ha sido publicado en la revista científica Nature Photonics, y ha sido seleccionado como imagen de portada. El trabajo fue llevado a cabo por investigadores del ICFO dirigidos por los profesores ICREA Frank Koppens y Gerasimos Konstantatos, en colaboración con la empresa Graphenea.
Los científicos fabricaron el sensor de imagen colocando puntos cuánticos coloidales de sulfuro de plomo (PbS) sobre grafeno de tipo CVD y, posteriormente, depositando este sistema híbrido encima de una oblea CMOS con las unidades o píxeles del sensor de imagen y el circuito de lectura integrado.
Uno de los autores, Stijn Goossens, explica: "Producir este sensor de imagen, basado en grafeno-puntos cuánticos y tecnología CMOS, no supuso llevar a cabo ningún procesado complejo de materiales ni implementar procesos de crecimiento laboriosos. Resultó fácil y barato fabricarlo a temperatura ambiente y bajo condiciones ambientales, lo que significa una disminución considerable de los costes de producción. Aún más, debido a sus propiedades, se puede integrar fácilmente en sustratos flexibles, así como en circuitos integrados de tipo CMOS".
A su vez, el profesor Konstantatos, experto en grafeno y puntos cuánticos, señala "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.
Este trabajo demuestra que esta clase de fototransistores puede ser el camino a seguir para sensores infrarrojos de bajo coste, pero de alta sensibilidad, que pueden operar a temperatura ambiente, y por tanto puede ser de enrome 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 el profesor Koppens. Asegura que, en general, "la tecnología grafeno+CMOS permitirá el desarrollo de una gran cantidad de aplicaciones, desde la seguridad y vigilancia, las cámaras de bolsillo y los smartphone de bajo coste, los sistemas de control de incendios, la visión nocturna pasiva así como las cámaras de vigilancia nocturna, los sistemas de sensores para automoción, los sistemas de imagen para medicina, la inspección de alimentos y productos farmacéuticos o incluso la vigilancia ambiental, por nombrar algunos".
Este proyecto está actualmente en periodo de incubación en el Launchpad del ICFO. 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 Generalidad de Cataluña, la Fundación Cellex y el programa de Excelencia Severo Ochoa del Gobierno de España.
Referencia bibliográfica:
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
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