เครื่องตรวจจับภาพอินฟราเรดขับเคลื่อนด้วยตนเองประสิทธิภาพสูง

ขับเคลื่อนด้วยตนเองประสิทธิภาพสูงเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรด

อินฟราเรดเครื่องตรวจจับภาพมีคุณสมบัติเด่นคือความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่ง ความสามารถในการจดจำเป้าหมายที่แข็งแกร่ง การทำงานในทุกสภาพอากาศ และการปกปิดที่ดี มีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นในสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์ การทหาร เทคโนโลยีอวกาศ และวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม หนึ่งในนั้นคือระบบขับเคลื่อนด้วยตนเองการตรวจจับด้วยแสงชิปที่สามารถทำงานได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกเพิ่มเติมได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาการตรวจจับอินฟราเรดเนื่องจากประสิทธิภาพที่โดดเด่น (เช่น การใช้พลังงานอย่างอิสระ ความไวสูงและความเสถียร ฯลฯ) ในทางตรงกันข้าม ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม เช่น ชิปอินฟราเรดที่ใช้ซิลิกอนหรือเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก๊ปแคบ ไม่เพียงแต่ต้องการแรงดันไบอัสเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนการแยกตัวของพาหะที่สร้างด้วยแสงเพื่อสร้างโฟโตเคอร์เรนต์เท่านั้น แต่ยังต้องการระบบระบายความร้อนเพิ่มเติมเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนและปรับปรุงการตอบสนอง ดังนั้น การตอบสนองต่อแนวคิดและข้อกำหนดใหม่ๆ ของชิปตรวจจับอินฟราเรดรุ่นต่อไปในอนาคต เช่น การใช้พลังงานต่ำ ขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ และประสิทธิภาพสูง จึงเป็นเรื่องยาก

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจากจีนและสวีเดนได้เสนอชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกอินฟราเรดคลื่นสั้น (SWIR) แบบพินเฮเทอโรจังก์ชันที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง โดยอาศัยฟิล์มนาโนริบบอนกราฟีน (GNR)/อะลูมินา/ซิลิคอนผลึกเดี่ยว ภายใต้ผลรวมของเอฟเฟกต์เกตแสงที่เกิดจากอินเทอร์เฟซแบบเฮเทอโรจีเนียสและสนามไฟฟ้าในตัว ชิปนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการตอบสนองและการตรวจจับที่สูงมากที่แรงดันไฟฟ้าไบอัสเป็นศูนย์ ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกนี้มีอัตราการตอบสนอง A สูงถึง 75.3 แอมแปร์/วัตต์ในโหมดขับเคลื่อนด้วยตนเอง อัตราการตรวจจับ 7.5 × 10¹⁴ โจนส์ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกเกือบ 104% ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับของชิปซิลิคอนประเภทเดียวกันนี้ขึ้นเป็นประวัติการณ์ถึง 7 ออร์เดอร์ออฟแมกนิจูด นอกจากนี้ ภายใต้โหมดขับเคลื่อนแบบเดิม อัตราการตอบสนอง อัตราการตรวจจับ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของชิป ล้วนสูงถึง 843 แอมแปร์/วัตต์, 10¹⁵ โจนส์ และ 105% ตามลำดับ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นค่าสูงสุดที่รายงานในการวิจัยปัจจุบัน ขณะเดียวกัน งานวิจัยนี้ยังแสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกในโลกแห่งความเป็นจริงในด้านการสื่อสารด้วยแสงและการถ่ายภาพอินฟราเรด ซึ่งเน้นย้ำถึงศักยภาพการประยุกต์ใช้งานอันมหาศาลของชิป

เพื่อศึกษาประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริกของโฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้กราฟีนนาโนริบบอน /Al₂O₃/ ซิลิคอนผลึกเดี่ยวอย่างเป็นระบบ นักวิจัยได้ทดสอบการตอบสนองลักษณะสถิต (กราฟเส้นโค้งกระแส-แรงดัน) และการตอบสนองลักษณะพลวัต (กราฟเส้นโค้งกระแส-เวลา) เพื่อประเมินลักษณะการตอบสนองทางแสงของโฟโตดีเทกเตอร์โมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนเฮเทอโรสตรัคเจอร์แบบโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนเฮเทอโรสตรัคเจอร์แบบกราฟีนนาโนริบบอน /Al₂O₃/ ภายใต้แรงดันไบแอสที่ต่างกัน นักวิจัยได้วัดการตอบสนองกระแสไดนามิกของอุปกรณ์ที่แรงดันไบแอส 0 V, -1 V, -3 V และ -5 V โดยมีความหนาแน่นพลังงานแสง 8.15 μW/cm² กระแสไฟฟ้าโฟโตจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไบแอสย้อนกลับ และแสดงความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็วในทุกแรงดันไบแอส

ในที่สุด นักวิจัยได้ประดิษฐ์ระบบถ่ายภาพและประสบความสำเร็จในการสร้างภาพอินฟราเรดคลื่นสั้นแบบใช้พลังงานในตัว ระบบทำงานภายใต้สภาวะไบแอสเป็นศูนย์และใช้พลังงานน้อยมาก ความสามารถในการถ่ายภาพของเครื่องตรวจจับแสงได้รับการประเมินโดยใช้หน้ากากสีดำที่มีรูปแบบตัวอักษร “T” (ดังแสดงในรูปที่ 1)

สรุปได้ว่า งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการผลิตเครื่องตรวจจับแสงแบบใช้พลังงานด้วยตนเองโดยใช้นาโนริบบอนกราฟีน และมีอัตราการตอบสนองที่สูงเป็นประวัติการณ์ ขณะเดียวกัน นักวิจัยยังได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสื่อสารด้วยแสงและการถ่ายภาพของเครื่องตรวจจับแสงนี้เครื่องตรวจจับภาพที่มีการตอบสนองสูงความสำเร็จในการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางเชิงปฏิบัติสำหรับการพัฒนาของนาโนริบบอนกราฟีนและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของพวกมันในฐานะเครื่องตรวจจับโฟโตอินฟราเรดคลื่นสั้นที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองอีกด้วย