طراحی نانوحسگر‌های فوق‌حساس برای دید در تاریکی و کاربرد‌های پیشرفته

به نقل از ستاد توسعه فناوری‌های نانو و میکروی معاونت علمی ریاست جمهوری، محققان مؤسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره (KRISS) اعلام کرده‌اند که حسگر‌های مادون قرمز موج کوتاه قادرند حتی در شرایط نوری ضعیف، اطلاعات بصری شفاف و دقیقی ارائه دهند. این حسگر‌ها با شناسایی نور مادون قرمز بازتابی از اشیا یا تابش مستقیم آنها، امکان تصویربرداری با کیفیت بالا را فراهم می‌کنند.

در حالی که این فناوری به‌طور رایج در تجهیزات نظامی نظیر دوربین‌های دید در شب استفاده می‌شد، امروزه کاربرد آن به حوزه‌های متعددی از جمله خودرو‌های خودران، نظارت بر فرآیند‌های تولید نیمه‌هادی‌ها و حتی دوربین‌های هوشمند کشاورزی برای بررسی رشد گیاهان گسترش یافته است.

در حال حاضر، رایج‌ترین ماده مورد استفاده برای حسگر‌های مادون قرمز موج کوتاه، ترکیب ایندیوم گالیوم آرسنید (InGaAs) است که بر روی زیرلایه ایندیوم فسفید (InP) رشد می‌کند، اما این ماده با چالش‌هایی نظیر ناهمخوانی شبکه‌ای در حین تولید و محدودیت‌های ذاتی خود مواجه است که مانعی بر سر راه توسعه حسگر‌های با کارایی بالاتر محسوب می‌شود.

محققان این پروژه این مشکل را با توسعه یک ماده جدید به نام ایندیوم آرسنید فسفید (InAsP) حل کرده است. این ماده نیز بر روی زیرلایه InP رشد کرده، اما نسبت سیگنال به نویز را در دمای محیط کاهش می‌دهد که باعث افزایش قابلیت اطمینان حسگر‌ها می‌شود. علاوه بر این، محدوده تشخیص آن از ۱.۷ میکرومتر به ۲.۸ میکرومتر، آن هم بدون هیچ افتی در عملکرد گسترش یافته است.

یکی از مهم‌ترین نوآوری‌های این پروژه، افزودن لایه متامورفیک (لایه تنظیم تدریجی شبکه‌ای) برای حل مشکل ناهمخوانی شبکه‌ای است. این تیم تحقیقاتی ساختاری متامورفیک طراحی کرده که نسبت آرسنیک (As) و فسفر (P) را به‌صورت تدریجی بین زیرلایه InP و لایه جذب‌کننده نور تنظیم می‌کند.

این ساختار به‌عنوان یک لایه واسطه عمل کرده و از برخورد مستقیم مواد با خواص شبکه‌ای متفاوت جلوگیری می‌کند. در نتیجه، تنش شبکه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش یافته، کیفیت ماده افزایش می‌یابد و امکان تنظیم باندگپ برای کاربرد‌های مختلف فراهم می‌شود.

این تیم تحقیقاتی علاوه بر حسگر‌های مادون قرمز موج کوتاه، موفق به توسعه ماده‌ای جدید به نام ایندیوم آرسنید فسفید آنتیموان (InAsPSb) برای LED‌های SWIR شده است. این ماده نسبت به LED‌های مبتنی بر InAsP عملکرد بهتری دارد. زیرا قادر به ایجاد حبس الکترون و حفره‌های قوی‌تر در ساختار چاه کوانتومی چندگانه (MQW) است. این ویژگی باعث می‌شود که اتلاف بار‌های الکتریکی و کاهش بهره‌وری که در نسل‌های قبلی این فناوری مشاهده می‌شد، برطرف شود و در عین حال، پایداری بالایی در دما‌های بالا حفظ شود.

به گفته محققان، LED‌های جدید مبتنی بر InAsPSb MQW در دما‌های بالا و جریان‌های نوری شدید، حداقل افت بهره‌وری را تجربه کرده و عملکرد نوری پایدار خود را حفظ می‌کنند. پژوهشگران معتقدند که LED‌های مبتنی بر InAsPSb ظرفیت بالایی برای کاربرد‌های پیشرفته‌ای نظیر حسگر‌های زیستی، ارتباطات نوری، تشخیص‌های پزشکی و سامانه‌های پیشرفته‌ی تصویربرداری مادون قرمز دارند.