كاشف ضوئي بالأشعة تحت الحمراء عالي الأداء ذاتي التشغيل

عالية الأداء ذاتية القيادةكاشف ضوئي بالأشعة تحت الحمراء

الأشعة تحت الحمراءكاشف ضوئييتميز بقدرة عالية على مقاومة التداخل، وقدرة عالية على تمييز الأهداف، وإمكانية تشغيله في جميع الأحوال الجوية، وقدرته على التخفي. ويلعب دورًا متزايد الأهمية في مجالات مثل الطب والجيش وتكنولوجيا الفضاء والهندسة البيئية. ومن بينها، المركبات ذاتية القيادة.الكشف الكهروضوئياستقطبت الرقاقات التي تعمل بشكل مستقل دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي اهتمامًا واسعًا في مجال الكشف بالأشعة تحت الحمراء نظرًا لأدائها الفريد (مثل استقلالية الطاقة، والحساسية العالية، والاستقرار، وغيرها). في المقابل، لا تتطلب رقاقات الكشف الكهروضوئي التقليدية، مثل رقاقات الأشعة تحت الحمراء القائمة على السيليكون أو أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيق، جهد انحياز إضافيًا فقط لتحفيز فصل الناقلات المولدة ضوئيًا لإنتاج تيارات ضوئية، بل تحتاج أيضًا إلى أنظمة تبريد إضافية لتقليل الضوضاء الحرارية وتحسين الاستجابة. لذلك، أصبح من الصعب تلبية المفاهيم والمتطلبات الجديدة للجيل القادم من رقاقات الكشف بالأشعة تحت الحمراء في المستقبل، مثل انخفاض استهلاك الطاقة، وصغر الحجم، وانخفاض التكلفة، والأداء العالي.

مؤخرًا، اقترحت فرق بحثية من الصين والسويد رقاقة كشف ضوئية كهربائية قصيرة الموجة (SWIR) ذاتية التشغيل بتقنية الوصلات غير المتجانسة الدبوسية، تعتمد على أغشية الجرافين النانوية (GNR)/الألومينا/السيليكون أحادي البلورة. تحت التأثير المشترك لتأثير البوابة الضوئية الناتج عن الواجهة غير المتجانسة والمجال الكهربائي المدمج، أظهرت الرقاقة استجابةً فائقةً وأداءً كشفيًا فائقًا عند جهد انحياز صفري. تتميز رقاقة الكشف الضوئية بمعدل استجابة يصل إلى 75.3 أمبير/وات في وضع التشغيل الذاتي، ومعدل كشف يبلغ 7.5 × 10¹⁴ جونز، وكفاءة كمية خارجية تقترب من 104%، مما يُحسّن أداء الكشف لنفس النوع من الرقاقات القائمة على السيليكون بمقدار قياسي قدره 7 مراتب من حيث الحجم. بالإضافة إلى ذلك، في وضع التشغيل التقليدي، يصل معدل استجابة الشريحة، ومعدل الكشف، وكفاءة الكم الخارجية إلى 843 A/W، و10¹⁵ Jones، و105% على التوالي، وهي أعلى القيم المسجلة في الأبحاث الحالية. وفي الوقت نفسه، أظهر هذا البحث أيضًا التطبيقات العملية لشريحة الكشف الكهروضوئي في مجالات الاتصالات البصرية والتصوير بالأشعة تحت الحمراء، مسلطًا الضوء على إمكاناتها التطبيقية الهائلة.

بهدف دراسة الأداء الكهروضوئي لجهاز الكشف الضوئي القائم على شرائح نانوية من الجرافين /Al₂O₃/ من السيليكون أحادي البلورة، اختبر الباحثون استجاباته الساكنة (منحنى التيار-الجهد) والديناميكية (منحنى التيار-الزمن). ولتقييم خصائص الاستجابة الضوئية لجهاز الكشف الضوئي أحادي البلورة، المصنوع من شرائح نانوية من الجرافين /Al₂O₃/ من السيليكون أحادي البلورة، بشكل منهجي، تحت جهد انحياز مختلف، قاس الباحثون استجابة التيار الديناميكي للجهاز عند جهد انحياز 0 فولت، و-1 فولت، و-3 فولت، و-5 فولت، بكثافة طاقة بصرية تبلغ 8.15 ميكروواط/سم². يزداد التيار الضوئي مع الانحياز العكسي، ويُظهر سرعة استجابة عالية عند جميع جهدات الانحياز.

أخيرًا، صنع الباحثون نظام تصوير، ونجحوا في تصوير الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة ذاتيًا. يعمل النظام بانحياز صفري، ولا يستهلك أي طاقة على الإطلاق. قُيّمت قدرة الكاشف الضوئي على التصوير باستخدام قناع أسود بنمط الحرف "T" (كما هو موضح في الشكل 1).

في الختام، نجح هذا البحث في تصنيع كواشف ضوئية ذاتية الطاقة تعتمد على أشرطة الجرافين النانوية، وحقق معدل استجابة قياسيًا. وفي الوقت نفسه، أثبت الباحثون بنجاح قدرات هذا الجهاز على الاتصال البصري والتصوير.كاشف ضوئي عالي الاستجابةلا يوفر هذا الإنجاز البحثي نهجًا عمليًا لتطوير أشرطة الجرافين النانوية والأجهزة البصرية الإلكترونية القائمة على السيليكون فحسب، بل يوضح أيضًا أداءها الممتاز كأجهزة كشف ضوئي للأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة ذاتية التشغيل.