تهیه و تنظیم: گروه تخصصی پارس اپتیک
به گزارش گروه تخصصی ParsOptics، مواد نیمه‌هادی مرسوم نظیر سیلیکون، ایندیوم گالیوم آرسناید، تلورید کادمیوم جیوه و … که در علم فوتونیک خصوصا آشکارسازهای نوری استفاده می‌شوند، دارای حساسیت قابل ملاحظه‌ای در محدوده کوچکی از طیف نور مرئی و مادون قرمز هستند. در این میان تلورید کادمیوم جیوه دارای خاصیت استثنایی است؛ با تغییر نسبت کادمیوم به جیوه در این ماده، شکاف باند از ۴۰۰ تا ۱۴۰۰ نانومتر قابلیت تنظیم‌پذیری دارد. اما دستگاه‌های تولیدشده با این ماده هنوز دارای پهنای باند باریکی هستند. علاوه بر آن، دستیابی به پاسخ زمانی سریع برای ایجاد پهنای باندی در اندازه چند ده گیگاهرتز برای نیمه‌هادی‌های معمولی بسیار مشکل است.
گرافن دارای مشخصات اپتیکی و الکترونیکی ویژه‌ای است؛ زمانی که از گرافن به عنوان آشکارساز نوری استفاده می‌شود، عملکردی بسیار سریع توام با پهنای باند گسترده از خود نشان می‌دهد. این ماده می‌تواند انرژی را در دامنه وسیعی از طیف الکترومغناطیسی از ماوراء بنفش (از طریق نور مرئی) تا باندهای مادون قرمز و مایکروویو جذب کند. متاسفانه، گرافن در این محدوده طیفی دارای جذب نوری به میزان ۲% است. همچنین، دارای طول عمر حامل نوری بسیار کوتاه است که منجر به ایجاد جریان الکتریکی بسیار کم می‌شود.
اکنون، در سال ۲۰۱۸ یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) به قابلیت ویژه‌ای از تشخیص نوری گرافن با ایجاد نانوساختارهایی از آن که به الگوهایی از طلا متصل هستند، دست یافته‌اند. ابزار ایجادشده دارای حساسیت با پهنای باند گسترده و محدوده پاسخ‌دهی از ۰.۶ A/W در طول‌موج ۰.۸ میکرومتر تا ۱۱.۵ A/W در طول‌موج ۲۰ میکرومتر است. همچنین، این آشکارساز فوق سریع است و با سرعت ۵۰ گیگاهرتز کار می‌کند.
محققین برای ایجاد این آشکارساز، نوارهای گرافن را روی لایه ای از دی اکسید سیلیکون با لایه بستر سیلیکون قرار داده‌اند. سپس آن‌ها مجموعه‌ای از الگوهای نانو از جنس طلا را با عرض دندانه ۱۰۰ نانومتر ایجاد کرده‌اند. مساحت کلی آشکارساز مبتنی بر گرافن ۳۰×۳۰ میکرومتر مربع است. الگوهای طلا که بر روی نوارهای گرافن قرار گرفته‌اند باعث تکثیر حامل‌ها و در نتیجه افزایش بهره نوری در طول‌موج‌های کوتاه‌ترمی‌شوند. همچنین، این ساختار جذب نوری را خصوصا در طول‌موج‌های بلند افزایش می‌دهد. در نهایت، ترکیب این دو اثر موجب بهبود کارایی آشکارساز می‌شود.
پاسخ‌دهی طیفی آشکارساز در شرایط توان نوری ۲.۵ میکرووات، ولتاژ گیت ۲۵ ولت و ولتاژ بایاس ۲۰ میلی‌ولت اندازه‌گیری شده است. بنا بر گفته محققین، این ساختار دارای پهنای باند وسیعی از آشکارسازی نوری توام با پاسخ‌دهی بسیار بالا است که تاکنون گزارش نشده است. عدم وجود تقارن در ساختار موجب ایجاد پاسخ‌دهی بالا نسبت به قطبش نور فرودی می‌شود؛ از این قابلیت در کاربردهای سنجش قطبش و تصویربرداری استفاده می‌شود.
بنا بر گفته محققین، سرعت آشکارسازی ۵۰ گیگاهرتز در آشکارساز به علت زمان بسیار کوتاه انتقال نوری در مرتبه زیر پیکوثانیه است که در نانوالگوهای طلا با پایین نگه‌داشتن پارازیت‌های مقاومتی و خازنی روی می‌دهد و در نهایت موجب پاسخ نوری با فرکانس قطع ۴۲۵ گیگاهرتز می‌شود.
بنا بر گفته محقق این پژوهش، این آشکارساز نوری می‌تواند دامنه و پتانسیل آشکارسازهای نوری را در سیستم‌های سنجش و تصویربرداری توسعه بخشد. همچنین، می‌تواند تصویربرداری حرارتی دید در شب یا کاربردهای تشخیص پزشکی را بهبود بخشد، چراکه کوچکترین تغییرات در درجه حرارت بدن بیمار می‌تواند اطلاعات زیادی را به پزشکان ارائه کند. علاوه بر این، این آشکارساز می‌تواند در فناوری‌های زیست محیطی نیز استفاده شود و غلظت آلاینده‌ها را به دقت مورد سنجش قرار دهد.
مراجع:
[۱] S. Cakmakyapan et al., Light Sci. Appl. (2018)
