โฟโตดีเทคเตอร์อินฟราเรดแบบขับเคลื่อนด้วยตนเองประสิทธิภาพสูง

ประสิทธิภาพสูง ขับเคลื่อนด้วยตนเองโฟโตดีเทคเตอร์อินฟราเรด

อินฟราเรดโฟโตดีเทคเตอร์มีคุณสมบัติเด่นคือ ความสามารถในการต้านทานการรบกวนสูง ความสามารถในการจดจำเป้าหมายสูง การทำงานในทุกสภาพอากาศ และการพรางตัวที่ดี จึงมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านต่างๆ เช่น การแพทย์ การทหาร เทคโนโลยีอวกาศ และวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม และในบรรดาคุณสมบัติเหล่านั้น ยานพาหนะขับเคลื่อนอัตโนมัติก็เป็นหนึ่งในนั้นการตรวจจับด้วยแสงชิปที่สามารถทำงานได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเสริมภายนอกได้รับความสนใจอย่างมากในด้านการตรวจจับอินฟราเรดเนื่องจากประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์ (เช่น การไม่พึ่งพาพลังงาน ความไวสูง และความเสถียร เป็นต้น) ในทางตรงกันข้าม ชิปตรวจจับแสงแบบดั้งเดิม เช่น ชิปอินฟราเรดที่ใช้ซิลิคอนหรือสารกึ่งตัวนำแบบแถบพลังงานแคบ ไม่เพียงแต่ต้องการแรงดันไบแอสเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนการแยกตัวของพาหะที่เกิดจากแสงเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า แต่ยังต้องการระบบระบายความร้อนเพิ่มเติมเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อนและปรับปรุงการตอบสนอง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองแนวคิดและข้อกำหนดใหม่ๆ ของชิปตรวจจับอินฟราเรดรุ่นต่อไปในอนาคต เช่น การใช้พลังงานต่ำ ขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ และประสิทธิภาพสูง

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจากจีนและสวีเดนได้เสนอชิปตรวจจับแสงอินฟราเรดคลื่นสั้น (SWIR) แบบขับเคลื่อนด้วยตนเองชนิดใหม่ที่ใช้โครงสร้างเฮเทโรจังก์ชันแบบพิน โดยใช้ฟิล์มกราฟีนนาโนริบบอน (GNR)/อะลูมินา/ซิลิคอนผลึกเดี่ยว ภายใต้ผลรวมของปรากฏการณ์การควบคุมด้วยแสงที่เกิดจากอินเตอร์เฟซต่างชนิดและสนามไฟฟ้าภายใน ชิปนี้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองและประสิทธิภาพการตรวจจับที่สูงมากที่แรงดันไบแอสศูนย์ ชิปตรวจจับแสงนี้มีอัตราการตอบสนอง A สูงถึง 75.3 A/W ในโหมดขับเคลื่อนด้วยตนเอง อัตราการตรวจจับ 7.5 × 10¹⁴ โจนส์ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกใกล้เคียง 104% ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับของชิปซิลิคอนชนิดเดียวกันได้ถึง 7 อันดับความ magnitude นอกจากนี้ ภายใต้โหมดการขับเคลื่อนแบบดั้งเดิม อัตราการตอบสนอง อัตราการตรวจจับ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของชิปนั้นสูงถึง 843 A/W, 10¹⁵ โจนส์ และ 105% ตามลำดับ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นค่าสูงสุดที่รายงานในการวิจัยปัจจุบัน ในขณะเดียวกัน การวิจัยนี้ยังแสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้งานจริงของชิปตรวจจับแสงในด้านการสื่อสารด้วยแสงและการถ่ายภาพอินฟราเรด ซึ่งเน้นย้ำถึงศักยภาพในการใช้งานที่มหาศาล

เพื่อศึกษาประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของโฟโตดีเทคเตอร์ที่ใช้กราฟีนนาโนริบบอน/Al₂O₃/ซิลิคอนผลึกเดี่ยวอย่างเป็นระบบ นักวิจัยได้ทดสอบการตอบสนองลักษณะคงที่ (กราฟกระแส-แรงดัน) และลักษณะไดนามิก (กราฟกระแส-เวลา) เพื่อประเมินลักษณะการตอบสนองทางแสงของโฟโตดีเทคเตอร์โครงสร้างเฮเทโรแบบกราฟีนนาโนริบบอน/Al₂O₃/ซิลิคอนผลึกเดี่ยวภายใต้แรงดันไบแอสที่แตกต่างกัน นักวิจัยได้วัดการตอบสนองกระแสไดนามิกของอุปกรณ์ที่แรงดันไบแอส 0 V, -1 V, -3 V และ -5 V โดยมีความหนาแน่นของกำลังแสง 8.15 μW/cm² พบว่ากระแสโฟโตเพิ่มขึ้นตามแรงดันไบแอสย้อนกลับและแสดงความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็วในทุกแรงดันไบแอส

ในที่สุด นักวิจัยได้ประดิษฐ์ระบบถ่ายภาพและประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพอินฟราเรดคลื่นสั้นแบบไม่ต้องใช้พลังงาน ระบบทำงานภายใต้ไบแอสศูนย์และไม่มีการใช้พลังงานเลย ความสามารถในการถ่ายภาพของโฟโตดีเทคเตอร์ได้รับการประเมินโดยใช้หน้ากากสีดำที่มีลวดลายตัวอักษร “T” (ดังแสดงในรูปที่ 1)

โดยสรุป งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการสร้างโฟโตดีเทคเตอร์แบบพึ่งพาตนเองโดยใช้กราฟีนนาโนริบบอน และได้อัตราการตอบสนองสูงเป็นประวัติการณ์ ในขณะเดียวกัน นักวิจัยยังได้สาธิตความสามารถในการสื่อสารและการถ่ายภาพด้วยแสงของอุปกรณ์นี้ได้อย่างประสบความสำเร็จโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีการตอบสนองสูงความสำเร็จด้านการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางปฏิบัติสำหรับการพัฒนาแถบนาโนกราฟีนและอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์ที่ใช้ซิลิคอนเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในฐานะโฟโตดีเทคเตอร์อินฟราเรดคลื่นสั้นแบบพึ่งพาตนเองอีกด้วย