เครื่องตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดเกณฑ์ต่ำ

อินฟราเรดเกณฑ์ต่ำเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม

เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบอินฟราเรด (เครื่องตรวจจับภาพ APD) เป็นคลาสของอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งให้ค่าเกนสูงผ่านเอฟเฟกต์การชนกันของไอออนไนเซชัน เพื่อให้สามารถตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดี่ยวได้ อย่างไรก็ตาม ในโครงสร้างเครื่องตรวจจับโฟโตแบบ APD ทั่วไป กระบวนการกระเจิงของพาหะที่ไม่สมดุลจะนำไปสู่การสูญเสียพลังงาน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์หิมะถล่มจะต้องสูงถึง 50-200 โวลต์ ซึ่งทำให้ความต้องการแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์และการออกแบบวงจรอ่านค่าของอุปกรณ์สูงขึ้น ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้นและจำกัดการใช้งานในวงกว้าง

เมื่อเร็ว ๆ นี้ งานวิจัยของจีนได้เสนอโครงสร้างใหม่ของเครื่องตรวจจับหิมะถล่มใกล้อินฟราเรดที่มีแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์หิมะถล่มต่ำและมีความไวสูง เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแบบโฟโตสามารถแก้ปัญหาการกระเจิงที่เป็นอันตรายซึ่งเกิดจากสถานะข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ ซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ในเฮเทอโรจังก์ชัน ขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้า “จุดสูงสุด” เฉพาะที่ซึ่งเกิดจากการทำลายสมมาตรการแปลจะถูกใช้เพื่อเพิ่มปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างพาหะ ยับยั้งการกระเจิงที่ครอบงำโดยโหมดโฟนอนนอกระนาบ และเพิ่มประสิทธิภาพเป็นสองเท่าของพาหะที่ไม่สมดุล ที่อุณหภูมิห้อง พลังงานเกณฑ์จะใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี Eg (Eg คือแบนด์แก๊ปของสารกึ่งตัวนำ) และความไวในการตรวจจับของเครื่องตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดสูงถึงระดับ 10,000 โฟตอน

การศึกษานี้ใช้โฮโมจังก์ชันทังสเตนไดเซเลไนด์ (WSe₂) ที่โด๊ปตัวเองบนชั้นอะตอม (คาลโคเจไนด์โลหะทรานซิชันสองมิติ, TMD) เป็นสื่อกลางสำหรับการเพิ่มปริมาณหิมะถล่มของตัวพาประจุ การทำลายสมมาตรเชิงพื้นที่เชิงการแปลทำได้โดยการออกแบบการกลายพันธุ์แบบขั้นตอนของโทโพกราฟีเพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า “สไปค์” เฉพาะที่บริเวณรอยต่อโฮโมจังก์ชันของมิวแทนต์

นอกจากนี้ ความหนาของอะตอมยังสามารถยับยั้งกลไกการกระเจิงของโหมดโฟนอน และทำให้กระบวนการเร่งและเพิ่มจำนวนของพาหะที่ไม่สมดุลมีการสูญเสียที่ต่ำมาก ซึ่งทำให้พลังงานเกณฑ์ของหิมะถล่มที่อุณหภูมิห้องใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี เช่น แบนด์แก๊ปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของหิมะถล่มลดลงจาก 50 โวลต์ เหลือ 1.6 โวลต์ ทำให้นักวิจัยสามารถใช้วงจรดิจิทัลแรงดันต่ำที่สมบูรณ์เพื่อขับเคลื่อนหิมะถล่มได้เครื่องตรวจจับภาพรวมถึงไดโอดและทรานซิสเตอร์ไดรฟ์ การศึกษานี้ทำให้การแปลงและการใช้พลังงานพาหะที่ไม่สมดุลมีประสิทธิภาพมากขึ้น ผ่านการออกแบบเอฟเฟกต์การคูณหิมะถล่มเกณฑ์ต่ำ ซึ่งเปิดมุมมองใหม่ให้กับการพัฒนาเทคโนโลยีตรวจจับหิมะถล่มอินฟราเรดที่มีความไวสูง เกณฑ์ต่ำ และอัตราขยายสูงรุ่นต่อไป