เครื่องตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดแบบเกณฑ์ต่ำ

อินฟราเรดเกณฑ์ต่ำเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม

เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบอินฟราเรด (เครื่องตรวจจับภาพ APD) เป็นชั้นของอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งให้ค่าเกนสูงผ่านเอฟเฟกต์การแตกตัวของไอออนแบบชนกัน เพื่อให้สามารถตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดี่ยวได้ อย่างไรก็ตาม ในโครงสร้างเครื่องตรวจจับโฟตอน APD ทั่วไป กระบวนการกระเจิงของพาหะที่ไม่สมดุลจะนำไปสู่การสูญเสียพลังงาน ทำให้แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์หิมะถล่มมักจะต้องอยู่ที่ 50-200 โวลต์ ซึ่งทำให้มีความต้องการแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์และการออกแบบวงจรอ่านข้อมูลของอุปกรณ์สูงขึ้น ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นและจำกัดการใช้งานในวงกว้าง

งานวิจัยของจีนได้เสนอโครงสร้างใหม่ของเครื่องตรวจจับหิมะถล่มใกล้อินฟราเรดที่มีแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์หิมะถล่มต่ำและความไวสูง โดยอาศัยโฮโมจั๊งก์ชั่นที่เติมสารเจือปนในชั้นอะตอม เครื่องตรวจจับหิมะถล่มสามารถแก้ปัญหาการกระเจิงที่เป็นอันตรายซึ่งเกิดจากสถานะข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ในเฮเทอโรจั๊งก์ชั่น ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้า "พีค" ในพื้นที่ที่แรงซึ่งเกิดจากการทำลายสมมาตรการแปลจะใช้เพื่อเพิ่มปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างพาหะ ระงับการกระเจิงที่ควบคุมโดยโหมดโฟนอนนอกระนาบ และทำให้พาหะที่ไม่สมดุลมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ที่อุณหภูมิห้อง พลังงานเกณฑ์จะใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี Eg (Eg คือแบนด์แก็ปของเซมิคอนดักเตอร์) และความไวในการตรวจจับของเครื่องตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดจะสูงถึงระดับ 10,000 โฟตอน

การศึกษาครั้งนี้ใช้ทังสเตนไดเซเลไนด์ (WSe₂) ที่โด๊ปตัวเองในชั้นอะตอมเป็นโฮโมจังก์ชัน (ชาลโคเจไนด์โลหะทรานซิชันสองมิติ, TMD) เป็นสื่อกลางเพิ่มค่าสำหรับหิมะถล่มของตัวพาประจุ การทำลายสมมาตรการแปลเชิงพื้นที่ทำได้โดยการออกแบบการกลายพันธุ์แบบขั้นตอนของโทโพกราฟีเพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า "สไปค์" ในท้องถิ่นที่อินเทอร์เฟซโฮโมจังก์ชันของมิวแทนต์

นอกจากนี้ ความหนาของอะตอมสามารถระงับกลไกการกระเจิงที่ควบคุมโดยโหมดโฟนอน และทำให้กระบวนการเร่งความเร็วและการคูณของตัวพาที่ไม่สมดุลเกิดขึ้นได้ด้วยการสูญเสียที่ต่ำมาก ซึ่งทำให้พลังงานเกณฑ์หิมะถล่มที่อุณหภูมิห้องใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี เช่น แบนด์แก็ปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์หิมะถล่มลดลงจาก 50 V เป็น 1.6 V ทำให้ผู้วิจัยสามารถใช้วงจรดิจิทัลแรงดันต่ำที่ครบถ้วนสมบูรณ์เพื่อขับเคลื่อนหิมะถล่มเครื่องตรวจจับภาพเช่นเดียวกับไดโอดไดรฟ์และทรานซิสเตอร์ การศึกษาครั้งนี้ทำให้การแปลงและการใช้พลังงานของพาหะที่ไม่สมดุลมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบเอฟเฟกต์การคูณหิมะถล่มที่มีเกณฑ์ต่ำ ซึ่งให้มุมมองใหม่ในการพัฒนาเทคโนโลยีตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดที่มีความไวสูง เกณฑ์ต่ำ และอัตราขยายสูงรุ่นต่อไป