เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบสองมิติแบบไบโพลาร์

ไบโพลาร์สองมิติเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม

เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบสองมิติสองขั้ว (เครื่องตรวจจับภาพ APD) ทำให้ตรวจจับสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษและมีความไวสูง

การตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดี่ยวด้วยความไวสูง มีโอกาสนำไปประยุกต์ใช้อย่างสำคัญในสาขาต่างๆ เช่น การถ่ายภาพแสงน้อย การสำรวจระยะไกลและการวัดระยะไกล และการสื่อสารเชิงควอนตัม ในบรรดาอุปกรณ์เหล่านี้ เครื่องตรวจจับโฟโตแบบหิมะถล่ม (APD) ได้กลายเป็นทิศทางสำคัญในสาขาการวิจัยอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง และง่ายต่อการติดตั้ง อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นตัวบ่งชี้สำคัญของเครื่องตรวจจับโฟโตแบบ APD ซึ่งต้องการอัตราขยายสูงและกระแสมืดต่ำ การวิจัยเกี่ยวกับเฮเทอโรจังก์ชันแบบแวนเดอร์วาลส์ของวัสดุสองมิติ (2D) แสดงให้เห็นถึงโอกาสที่กว้างขวางในการพัฒนา APD ประสิทธิภาพสูง นักวิจัยจากประเทศจีนได้เลือกวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติแบบไบโพลาร์ WSe₂ เป็นวัสดุไวแสง และได้เตรียมเครื่องตรวจจับโฟโตแบบ APD อย่างละเอียดถี่ถ้วนด้วยโครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni ที่มีฟังก์ชันการทำงานที่ตรงกันมากที่สุด เพื่อแก้ปัญหาสัญญาณรบกวนจากอัตราขยายของเครื่องตรวจจับโฟโตแบบ APD แบบดั้งเดิม

ทีมวิจัยได้เสนอเครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่มที่ใช้โครงสร้าง Pt/WSe₂/Ni ซึ่งสามารถตรวจจับสัญญาณแสงอ่อนมากที่ระดับ fW ที่อุณหภูมิห้องได้อย่างแม่นยำ พวกเขาเลือกใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองมิติ WSe₂ ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และผสมผสานวัสดุอิเล็กโทรด Pt และ Ni เข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาเครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่มชนิดใหม่ได้สำเร็จ ด้วยการปรับฟังก์ชันการทำงานให้เหมาะสมที่สุดระหว่าง Pt, WSe₂ และ Ni กลไกการขนส่งจึงได้รับการออกแบบให้สามารถปิดกั้นพาหะมืดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็เลือกให้พาหะที่สร้างแสงผ่านได้อย่างแม่นยำ กลไกนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนที่มากเกินไปอันเกิดจากการแตกตัวของไอออนจากแรงกระแทกของพาหะได้อย่างมาก ทำให้เครื่องตรวจจับแสงสามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่มีความไวสูงได้ในระดับสัญญาณรบกวนที่ต่ำมาก

จากนั้น เพื่อชี้แจงกลไกเบื้องหลังปรากฏการณ์หิมะถล่มที่เกิดจากสนามไฟฟ้าอ่อน นักวิจัยจึงประเมินความเข้ากันได้ของฟังก์ชันการทำงานโดยธรรมชาติของโลหะหลายชนิดกับ WSe₂ ในเบื้องต้น นักวิจัยได้ประดิษฐ์อุปกรณ์โลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะ (MSM) หลายชุดที่มีอิเล็กโทรดโลหะต่างกัน และได้ทำการทดสอบที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ การลดการกระเจิงของพาหะก่อนเกิดหิมะถล่มยังช่วยลดความสุ่มของการแตกตัวของไอออนจากแรงกระแทก ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวน ดังนั้น จึงได้ทำการทดสอบที่เกี่ยวข้อง เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่าของ APD แบบ Pt/WSe₂/Ni ในด้านลักษณะการตอบสนองเวลา นักวิจัยจึงได้ประเมินแบนด์วิดท์ -3 dB ของอุปกรณ์ภายใต้ค่าเกนโฟโตอิเล็กทริกที่แตกต่างกัน

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเครื่องตรวจจับ Pt/WSe₂/Ni แสดงกำลังไฟฟ้าเทียบเท่าสัญญาณรบกวน (NEP) ต่ำมากที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งอยู่ที่เพียง 8.07 fW/√Hz ซึ่งหมายความว่าเครื่องตรวจจับสามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อนมากได้ นอกจากนี้ อุปกรณ์นี้ยังสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่ความถี่มอดูเลต 20 kHz ด้วยค่าเกนสูง 5×10⁵ จึงสามารถแก้ไขปัญหาคอขวดทางเทคนิคของเครื่องตรวจจับโฟโตวอลตาอิกแบบดั้งเดิมที่ยากต่อการสร้างสมดุลระหว่างค่าเกนสูงและแบนด์วิดท์ได้ คาดว่าคุณสมบัตินี้จะช่วยให้เครื่องตรวจจับมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการใช้งานที่ต้องการค่าเกนสูงและสัญญาณรบกวนต่ำ

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของวิศวกรรมวัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพอินเทอร์เฟซในการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงการออกแบบอิเล็กโทรดและวัสดุสองมิติที่ชาญฉลาดทำให้สามารถบรรลุผลการป้องกันของตัวพาแบบมืดได้ ช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีนัยสำคัญ และปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับให้ดียิ่งขึ้น

ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับนี้ไม่เพียงแต่สะท้อนให้เห็นจากคุณลักษณะของโฟโตอิเล็กทริกเท่านั้น แต่ยังมีโอกาสนำไปประยุกต์ใช้งานได้อย่างกว้างขวาง ด้วยประสิทธิภาพในการปิดกั้นกระแสมืดที่อุณหภูมิห้องและการดูดซับพาหะที่เกิดจากแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องตรวจจับนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับสัญญาณแสงอ่อนในสาขาต่างๆ เช่น การตรวจสอบสภาพแวดล้อม การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ และการสื่อสารด้วยแสง ความสำเร็จในการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่นำเสนอแนวคิดใหม่ๆ สำหรับการพัฒนาเครื่องตรวจจับโฟโตวัสดุมิติต่ำเท่านั้น แต่ยังเป็นแหล่งข้อมูลอ้างอิงใหม่ๆ สำหรับการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำในอนาคตอีกด้วย