ثنائي القطب ثنائي الأبعادكاشف ضوئي للانهيارات الجليدية
كاشف الانهيارات الجليدية ثنائي القطب ثنائي الأبعاد (كاشف ضوئي APD) يحقق ضوضاء منخفضة للغاية وحساسية عالية للكشف
يتمتع الكشف عالي الحساسية لعدد قليل من الفوتونات، أو حتى الفوتونات المفردة، بآفاق تطبيقية مهمة في مجالات مثل تصوير الضوء الضعيف، والاستشعار عن بُعد والقياس عن بُعد، والاتصالات الكمومية. ومن بين هذه المجالات، أصبح كاشف الانهيارات الضوئية (APD) توجهًا مهمًا في مجال أبحاث الأجهزة البصرية الإلكترونية نظرًا لخصائصه المتمثلة في صغر حجمه وكفاءته العالية وسهولة دمجه. تُعد نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) مؤشرًا مهمًا لكاشف الانهيارات الضوئية، الذي يتطلب مكسبًا عاليًا وتيارًا مظلمًا منخفضًا. تُظهر الأبحاث المتعلقة بوصلات فان دير فالس غير المتجانسة للمواد ثنائية الأبعاد (2D) آفاقًا واسعة في تطوير كاشفات الانهيارات الضوئية عالية الأداء. اختار باحثون من الصين مادة أشباه الموصلات ثنائية القطب ثنائية الأبعاد WSe₂ كمادة حساسة للضوء، وأعدوا كاشف الانهيارات الضوئية بدقة عالية بهيكل من البلاتين/WSe₂/النيكل يتميز بأفضل دالة عمل مطابقة، وذلك لحل مشكلة ضوضاء الكسب الكامنة في كاشف الانهيارات الضوئية التقليدي.
اقترح فريق البحث كاشفًا ضوئيًا للانهيار الجليدي قائمًا على بنية Pt/WSe₂/Ni، والذي حقق كشفًا عالي الحساسية لإشارات الضوء شديدة الضعف عند مستوى الموجة الكهربية في درجة حرارة الغرفة. اختاروا مادة WSe₂ شبه الموصلة ثنائية الأبعاد، ذات الخصائص الكهربائية الممتازة، ودمجوا مواد أقطاب البلاتين والنيكل لتطوير نوع جديد من كاشفات الانهيار الجليدي الضوئية بنجاح. من خلال التحسين الدقيق لمطابقة دالة العمل بين البلاتين وWSe₂ والنيكل، صُممت آلية نقل يمكنها حجب ناقلات الضوء الداكنة بفعالية مع السماح بمرور ناقلات الضوء المولدة بشكل انتقائي. تقلل هذه الآلية بشكل كبير من الضوضاء المفرطة الناتجة عن تأين تأثير ناقلات الضوء، مما يُمكّن كاشف الضوء من تحقيق كشف عالي الحساسية للإشارات الضوئية عند مستوى ضوضاء منخفض للغاية.
بعد ذلك، ولتوضيح آلية تأثير الانهيار الجليدي الناتج عن المجال الكهربائي الضعيف، قيّم الباحثون في البداية توافق دوال العمل المتأصلة لمختلف المعادن مع WSe₂. صُنعت سلسلة من أجهزة معدنية شبه موصلة معدنية (MSM) بأقطاب معدنية مختلفة، وأُجريت عليها الاختبارات اللازمة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن التخفيف من عشوائية تأين الاصطدام عن طريق تقليل تشتت الناقل قبل بدء الانهيار الجليدي، مما يُقلل الضوضاء. لذلك، أُجريت الاختبارات اللازمة. ولإثبات تفوق Pt/WSe₂/Ni APD من حيث خصائص الاستجابة الزمنية، قيّم الباحثون عرض النطاق الترددي -3 ديسيبل للجهاز عند قيم كسب ضوئي مختلفة.
أظهرت النتائج التجريبية أن كاشف البلاتين/WSe₂/النيكل يُظهر قدرة مكافئة للضوضاء (NEP) منخفضة للغاية في درجة حرارة الغرفة، تبلغ 8.07 fW/√Hz فقط. هذا يعني أن الكاشف قادر على رصد الإشارات الضوئية الضعيفة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يعمل هذا الجهاز بثبات عند تردد تعديل 20 كيلوهرتز مع كسب عالٍ يبلغ 5×10⁵، مما يُسهم بنجاح في حل العوائق التقنية لكاشفات الخلايا الكهروضوئية التقليدية التي يصعب فيها تحقيق التوازن بين الكسب العالي وعرض النطاق الترددي. من المتوقع أن تُوفر هذه الميزة مزايا كبيرة في التطبيقات التي تتطلب كسبًا عاليًا وضوضاء منخفضة.
يوضح هذا البحث الدور الحاسم للهندسة المادية وتحسين الواجهة في تحسين أداءأجهزة الكشف الضوئيمن خلال التصميم المبتكر للأقطاب الكهربائية والمواد ثنائية الأبعاد، تم تحقيق تأثير حماية للناقلات المظلمة، مما أدى إلى تقليل تداخل الضوضاء بشكل كبير وتحسين كفاءة الكشف بشكل أكبر.
لا يقتصر أداء هذا الكاشف على خصائصه الكهروضوئية فحسب، بل يتمتع أيضًا بآفاق تطبيقية واسعة. بفضل قدرته الفعالة على حجب التيار المظلم في درجة حرارة الغرفة وامتصاصه الفعال للناقلات المولدة ضوئيًا، يُعد هذا الكاشف مناسبًا بشكل خاص لكشف إشارات الضوء الضعيفة في مجالات مثل الرصد البيئي، والرصد الفلكي، والاتصالات البصرية. لا يقتصر هذا الإنجاز البحثي على طرح أفكار جديدة لتطوير كواشف ضوئية للمواد منخفضة الأبعاد فحسب، بل يُقدم أيضًا مراجع جديدة لأبحاث وتطوير الأجهزة الإلكترونية البصرية عالية الأداء ومنخفضة الطاقة في المستقبل.
وقت النشر: ١٨ يونيو ٢٠٢٥