Материаловеды сделали электрохимический глаз с сетчаткой из нанонитей перовскита

Ученые разработали электрохимический глаз с высокой разрешающей способностью и скоростью отклика. Хрусталик они заменили на линзу, стекловидное тело — на ионный электролит, сетчатку — на светопоглощающий массив нанонитей перовскита, а вместо нейронов использовали жидкометаллические провода из галлия и индия. Такая система успешно распознала буквы I, У, А и Е. Работа опубликована в журнале Nature.

Человеческие глаза за счет вогнутой полусферической сетчатки и светоуправляющих компонентов внутриглазной жидкости обладают широким полем зрения в 150-160 градусов, высоким разрешением в одну угловую минуту (одна шестидесятая градуса), а также хорошей адаптивностью. Исходя из этого, ученые и инженеры заинтересованы в разработке искусственного аналога. Предполагается, что он найдет применение в робототехнике.

В сетчатке человеческого глаза расположены палочки (отвечают за изумрудно-зеленую область спектра и обеспечивают ночное зрение) и колбочки (фиолетово-синяя, зелено-желтая и желто-красная области спектра). Их плотность достигает десяти миллионов на квадратный сантиметр со средним шагом в три микрометра, что и создает такую высокую разрешающую способность. На сегодняшний день инженеры производят доступные сенсоры на основе приборов с зарядовой связью и комплементарных структур металл-оксид-полупроводник, которые в основном используют плоскую архитектуру из-за распространенного процесса получения плоских микросхем. Подобные устройства уже достигли схожей разрешающие способности, но из-за технологической сложности получения устройства в форме полусфер практически не реализуются. Кроме того, в последнее время ученые активно развивали светопоглощающие массивы гибридных перовскитов в качестве фотодетекторов.

Чжиюн Фань (Zhiyong Fan) с коллегами из Гонконгского университета науки и технологии представили искусственную зрительную систему на основе сферических электрохимических глаз с полусферической сетчаткой из плотного массива нанонитей светочувствительного гибридного перовскита. В качестве аналога стекловидного тела они использовали жидкий ионный электролит, а жидкометаллические провода соединяли светочувствительную структуру с выводящими контактами. Такая система показала низкий предел обнаружения и широкое поле зрения. Более того, светочувствительный слой получился более плотным, чем у человеческого глаза, что повышает разрешающую способность зрительной системы.

Ученые получили такой глаз следующим образом. С помощью полусферических пресс-форм они изгибали алюминиевую фольгу с толщиной в полмиллиметра для получения полусферической оболочки, которую затем подвергали анодизации для получения пористого слоя оксида алюминия толщиной в 40 микрометров с заданным размером пор. После этого авторы нанесли свинец на дно пор алюминиевой матрицы методом электроосаждения и затем протравили поверхность для избавления от незаполненной матрицы и оставшегося алюминия. Полученные пленки перенесли в трубчатую печь и подвергал конверсии в нанонити перовскита — йодида свинца формамидиния. Для увеличения адгезии на поверхность пленок напылили слой индия в 20 нанометров. 

Контактный массив жидкого металла исследователи обеспечили полидиметилсилоксановой формой в виде ежа (такую форму напечатали на 3D принтере). В мягкие трубки они залили расплав индия и галлия, а затем соединили форму со светочувствительным слоем. Чтобы избежать точечного подключения каждого пикселя нанопроводами напрямую, ученые использовали жидкий металл, который самостоятельно создаст контакт за счет поверхностного натяжения. В передней алюминиевой полусфере глаза авторы работы сделали отверстие, а остальную часть полусферы покрыли вольфрамом, который служит противоэлектродом для электрохимического оптического детектора. Они склеили полусферы между собой с помощью эпоксидного клея, во внутреннюю область залили жидкий ионный электролит бис(трифторметилсульфонил)имид и йодид 1-бутил-3-метилимидазола, а в конце приклеили в отверстие передней полусферы собирающую линзу. Авторы сконструировали прототип с сотней пикселей с разрешением в 1,6 миллиметра из-за толщины жидких проводов, которую сложно уменьшить до нескольких микрометров, однако в будущем они намерены использовать металлические микроиглы микрометрового диаметра.

Массив из нанопроводов перовскита имеет минимальное разрешение в 500 нанометров, что соответствует плотности пикселей в 460 миллионов на квадратный сантиметр, что гораздо больше, чем в человеческой сетчатке, что потенциально можно будет использовать в оптических сенсорах для имитации человеческих глаз, если решить проблему электрического контакта каждого пикселя.

Чтобы проверить качество фотодетектирования, ученые провели серию экспериментов с пикселями. Время отклика и восстановления составило 32 и 40,8 миллисекунд, соответственно. Модифицировав структуру поверхности и увеличив концентрацию ионного электролита, ученые снизили сопротивление контактного перехода и достигли значений в 19,2 и 23,9 миллисекунды, что в два раза быстрее, чем у человеческого глаза (40-150 миллисекунд), но увеличение концентрации ионного электролита приводит к увеличению потерь света при прохождении через более плотный слой, а потому в будущем эту проблему тоже предстоит решить.

Ученые измерили зависимость фототока от мощности падающего излучения в широком промежутке от 0,3 микроватт до 50 милливатт на квадратный сантиметр и обнаружили, что отклик увеличивается с падением мощности излучения. Такая система может достичь фототока в 303,2 миллиампер на ватт, что обгоняет существующие электрохимические фотодетекторы и идет наравне с твердотельными фотодетекторами на основе перовскитных нанонитей. После 64800 циклов работы авторы не заметили потерь характеристик.

Для определения прямой способности глаз к детектированию картинок инженеры провели тест на буквах I, Е, У и А. Полученное изображение — черно-белое, так как в отличие от человеческого глаза в такой системе лишь одно светопоглощающее вещество. В сравнении с плоскими оптическими сенсорами, полусферическая форма электрохимического глаза обеспечивает более равномерное расстояние между пикселями и объективом, в результате чего увеличивается широта поля зрения и улучшается фокусировка на каждом пикселе.

Ученые разрабатывают не только глаза для роботов, но и модернизируют человеческие глаза. Два года назад китайские ученые разработали светочувствительную кожу с возможностью автономного функционирования за счет колебательной энергии моргания. Такое устройство можно напрямую подключить к головному мозгу и использовать в качестве искусственной сетчатки глаза.

Артем Моськин