เครื่องตรวจจับภาพอินฟราเรดขับเคลื่อนด้วยตนเองประสิทธิภาพสูง

ขับเคลื่อนด้วยตนเองประสิทธิภาพสูงเครื่องตรวจจับแสงอินฟราเรด

อินฟราเรดเครื่องตรวจจับภาพมีคุณลักษณะของความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่ง ความสามารถในการจดจำเป้าหมายที่แข็งแกร่ง การทำงานในทุกสภาพอากาศและการปกปิดที่ดี มีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นในสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์ การทหาร เทคโนโลยีอวกาศ และวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม ในจำนวนนั้น มีรถยนต์ขับเคลื่อนด้วยตนเองการตรวจจับด้วยแสงชิปที่สามารถทำงานได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกเพิ่มเติมได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านการตรวจจับอินฟราเรดเนื่องจากประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์ (เช่น อิสระด้านพลังงาน ความไวและความเสถียรสูง เป็นต้น) ในทางตรงกันข้าม ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม เช่น ชิปอินฟราเรดที่ใช้ซิลิกอนหรือเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก็ปแคบ ไม่เพียงแต่ต้องใช้แรงดันไบอัสเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนการแยกตัวพาที่สร้างด้วยแสงเพื่อสร้างโฟโตเคอร์เรนต์เท่านั้น แต่ยังต้องใช้ระบบระบายความร้อนเพิ่มเติมเพื่อลดเสียงรบกวนจากความร้อนและปรับปรุงการตอบสนอง ดังนั้น จึงเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองแนวคิดและข้อกำหนดใหม่ๆ ของชิปตรวจจับอินฟราเรดรุ่นต่อไปในอนาคต เช่น การใช้พลังงานต่ำ ขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ และประสิทธิภาพสูง

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากจีนและสวีเดนได้เสนอชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกอินฟราเรดคลื่นสั้น (SWIR) แบบเฮเทอโรจันก์ชั่นที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองโดยใช้ฟิล์มนาโนริบบอนกราฟีน (GNR)/อะลูมินา/ซิลิกอนผลึกเดี่ยว ภายใต้ผลรวมของเอฟเฟกต์การจำกัดแสงที่เกิดจากอินเทอร์เฟซที่ไม่สม่ำเสมอและสนามไฟฟ้าในตัว ชิปดังกล่าวได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการตอบสนองและการตรวจจับที่สูงเป็นพิเศษที่แรงดันไฟฟ้าอคติเป็นศูนย์ ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกมีอัตราการตอบสนอง A สูงถึง 75.3 A/W ในโหมดขับเคลื่อนด้วยตนเอง อัตราการตรวจจับ 7.5 × 10¹⁴ โจนส์ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกที่ใกล้เคียง 104% ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับของชิปที่ใช้ซิลิกอนประเภทเดียวกันได้มากถึง 7 ระดับ นอกจากนี้ ภายใต้โหมดไดรฟ์แบบเดิม อัตราการตอบสนอง อัตราการตรวจจับ และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของชิปจะสูงถึง 843 A/W, 10¹⁵ Jones และ 105% ตามลำดับ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นค่าสูงสุดที่รายงานในการวิจัยปัจจุบัน ในขณะเดียวกัน การวิจัยนี้ยังแสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ชิปตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกในโลกแห่งความเป็นจริงในด้านการสื่อสารด้วยแสงและการถ่ายภาพอินฟราเรด ซึ่งเน้นย้ำถึงศักยภาพการประยุกต์ใช้ที่มหาศาลของชิป

เพื่อศึกษาประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริกของโฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้กราฟีนนาโนริบบอน/Al2O3/ซิลิกอนผลึกเดี่ยวอย่างเป็นระบบ นักวิจัยได้ทดสอบการตอบสนองลักษณะสถิต (กราฟเส้นกระแส-แรงดันไฟ) และการตอบสนองลักษณะไดนามิก (กราฟเส้นกระแส-เวลา) เพื่อประเมินลักษณะการตอบสนองทางแสงของโฟโตดีเทกเตอร์โมโนคริสตัลไลน์ซิลิกอนเฮเทอโรสตรัคเจอร์แบบโมโนคริสตัลไลน์ของกราฟีนนาโนริบบอน/Al2O3/ภายใต้แรงดันไฟไบอัสที่แตกต่างกันอย่างเป็นระบบ นักวิจัยได้วัดการตอบสนองกระแสไดนามิกของอุปกรณ์ที่แรงดันไบอัส 0 V, -1 V, -3 V และ -5 V โดยมีความหนาแน่นของกำลังแสง 8.15 μW/cm² โฟโตเคอร์เรนต์จะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไบอัสย้อนกลับ และแสดงความเร็วการตอบสนองที่รวดเร็วที่แรงดันไบอัสทั้งหมด

ในที่สุด นักวิจัยก็ได้ประดิษฐ์ระบบถ่ายภาพและประสบความสำเร็จในการสร้างภาพอินฟราเรดคลื่นสั้นด้วยพลังงานของตัวเอง ระบบนี้ทำงานภายใต้ค่าอคติเป็นศูนย์และไม่มีการใช้พลังงานเลย ความสามารถในการถ่ายภาพของเครื่องตรวจจับแสงได้รับการประเมินโดยใช้หน้ากากสีดำที่มีรูปแบบตัวอักษร “T” (ดังที่แสดงในรูปที่ 1)

โดยสรุป งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการผลิตเครื่องตรวจจับแสงที่สร้างพลังงานได้เองโดยใช้นาโนริบบิ้นกราฟีน และมีอัตราการตอบสนองที่สูงเป็นประวัติการณ์ ในขณะเดียวกัน นักวิจัยได้สาธิตให้เห็นถึงความสามารถในการสื่อสารด้วยแสงและการถ่ายภาพของเครื่องตรวจจับแสงนี้เครื่องตรวจจับภาพที่มีการตอบสนองสูงความสำเร็จในการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางเชิงปฏิบัติสำหรับการพัฒนาของนาโนริบบอนกราฟีนและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของอุปกรณ์เหล่านี้ในฐานะเครื่องตรวจจับโฟตอนอินฟราเรดคลื่นสั้นที่สร้างพลังงานได้ด้วยตัวเองอีกด้วย