آشکارساز نوری مادون قرمز خودگردان با کارایی بالا

خودران با عملکرد بالاآشکارساز نوری مادون قرمز

مادون قرمزآشکارساز نوریدارای ویژگی‌هایی از جمله توانایی قوی ضد تداخل، توانایی قوی در تشخیص هدف، عملکرد در تمام شرایط آب و هوایی و اختفای خوب است. این فناوری نقش فزاینده‌ای در زمینه‌هایی مانند پزشکی، نظامی، فناوری فضایی و مهندسی محیط زیست ایفا می‌کند. در میان آنها، خودرانتشخیص فوتوالکتریکتراشه‌ای که می‌تواند به طور مستقل و بدون منبع تغذیه اضافی خارجی کار کند، به دلیل عملکرد منحصر به فرد خود (مانند استقلال انرژی، حساسیت و پایداری بالا و غیره) توجه گسترده‌ای را در زمینه تشخیص مادون قرمز به خود جلب کرده است. در مقابل، تراشه‌های تشخیص فوتوالکتریک سنتی، مانند تراشه‌های مادون قرمز مبتنی بر سیلیکون یا نیمه‌هادی با شکاف باند باریک، نه تنها به ولتاژهای بایاس اضافی برای هدایت جداسازی حامل‌های تولید شده توسط نور برای تولید جریان‌های نوری نیاز دارند، بلکه به سیستم‌های خنک‌کننده اضافی نیز برای کاهش نویز حرارتی و بهبود پاسخگویی نیاز دارند. بنابراین، برآورده کردن مفاهیم و الزامات جدید نسل بعدی تراشه‌های تشخیص مادون قرمز در آینده، مانند مصرف کم برق، اندازه کوچک، هزینه کم و عملکرد بالا، دشوار شده است.

اخیراً، تیم‌های تحقیقاتی از چین و سوئد یک تراشه تشخیص فوتوالکتریک موج کوتاه مادون قرمز (SWIR) خودگردان پین ناهمگون جدید مبتنی بر فیلم‌های نانوریبون گرافن (GNR)/آلومینا/سیلیکون تک کریستالی ارائه داده‌اند. تحت اثر ترکیبی اثر گیت نوری که توسط رابط ناهمگن و میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌شود، این تراشه عملکرد پاسخ و تشخیص فوق‌العاده بالایی را در ولتاژ بایاس صفر نشان داد. تراشه تشخیص فوتوالکتریک دارای نرخ پاسخ A به اندازه 75.3 A/W در حالت خودگردان، نرخ تشخیص 7.5 × 10¹⁴ جونز و بازده کوانتومی خارجی نزدیک به 104٪ است که عملکرد تشخیص همان نوع تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون را با رکورد 7 مرتبه بزرگی بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، در حالت درایو معمولی، نرخ پاسخ، نرخ تشخیص و بازده کوانتومی خارجی تراشه به ترتیب به اندازه 843 A/W، 10¹⁵ جونز و 105٪ است که همگی بالاترین مقادیر گزارش شده در تحقیقات فعلی هستند. در همین حال، این تحقیق همچنین کاربرد واقعی تراشه تشخیص فوتوالکتریک را در زمینه‌های ارتباطات نوری و تصویربرداری مادون قرمز نشان داد و پتانسیل کاربردی عظیم آن را برجسته کرد.

به منظور مطالعه سیستماتیک عملکرد فوتوالکتریک آشکارساز نوری مبتنی بر نانوروبان‌های گرافنی /Al₂O₃/ سیلیکون تک کریستالی، محققان پاسخ‌های مشخصه استاتیک (منحنی جریان-ولتاژ) و دینامیکی (منحنی جریان-زمان) آن را آزمایش کردند. برای ارزیابی سیستماتیک ویژگی‌های پاسخ نوری آشکارساز نوری ناهمساختار نانوروبان گرافنی /Al₂O₃/ سیلیکون تک کریستالی تحت ولتاژهای بایاس مختلف، محققان پاسخ جریان دینامیکی دستگاه را در بایاس‌های 0 ولت، -1 ولت، -3 ولت و -5 ولت، با چگالی توان نوری 8.15 میکرووات بر سانتی‌متر مربع اندازه‌گیری کردند. جریان نوری با بایاس معکوس افزایش می‌یابد و سرعت پاسخ سریعی را در همه ولتاژهای بایاس نشان می‌دهد.

در نهایت، محققان یک سیستم تصویربرداری ساختند و با موفقیت به تصویربرداری خود-توان از مادون قرمز موج کوتاه دست یافتند. این سیستم تحت بایاس صفر کار می‌کند و هیچ مصرف انرژی ندارد. قابلیت تصویربرداری این آشکارساز نوری با استفاده از یک ماسک سیاه با الگوی حرف "T" (مطابق شکل 1) ارزیابی شد.

در نتیجه، این تحقیق با موفقیت آشکارسازهای نوری خود-تغذیه مبتنی بر نانوروبان‌های گرافنی را ساخت و به نرخ پاسخ‌دهی بسیار بالایی دست یافت. در همین حال، محققان با موفقیت قابلیت‌های ارتباط نوری و تصویربرداری این [سیستم] را نشان دادند.آشکارساز نوری با واکنش‌پذیری بالااین دستاورد تحقیقاتی نه تنها یک رویکرد عملی برای توسعه نانوروبان‌های گرافنی و دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مبتنی بر سیلیکون ارائه می‌دهد، بلکه عملکرد عالی آنها را به عنوان آشکارسازهای نوری مادون قرمز موج کوتاه خود-توان نیز نشان می‌دهد.