از ویژگی شناسایی چهره در گوشی تلفن همراه شما تا ردیاب‌های تناسب اندام پیشرفته و دوربین‌های دید در شب، بسیاری از حسگرهایی که روزانه استفاده می‌کنیم به شناسایی نور مادون قرمز تکیه دارند.
در هشت سال گذشته، یک تیم از محققان در دانشگاه آلتو در فنلاند در حال کار بر بهبود کارایی فتودیودها ، نوعی حسگر مادون قرمز که نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، بوده‌اند.
فتودیودها یکی از رایج‌ترین حسگرها هستند. آنها در کنترل‌های تلویزیون و تهویه مطبوع، دستگاه‌های مانیتورینگ ضربان قلب، اسکنرهای بارکد، حسگرهای حرکتی ، هشداردهنده‌های دود و غیره استفاده می‌شوند.
تیم دانشگاه آلتو یک فتودیود 35 درصد حساس‌تر از سایر کاربردهای فعلی مبتنی بر ژرمانیم توسعه داده‌اند. این پیشرفت امیدواری بهبود دستگاه‌های مادون قرمز به گونه‌ای است که هرگز بیشتر از پیشباه بوده است.
استفاده از مواد متفاوتی برای فتودیود
وقتی به فتودیودهای مادون قرمز فعلی نگاه می‌کنیم، آنها عمدتاً از ارسنید ایندیوم گالیم (InGaAs) ساخته می‌شوند. با این حال، این ماده دارای چندین نقص است. برای مثال، InGaAs سمی است و در صورت عدم دفع به صورت صحیح، می‌تواند خاک و آب را آلوده کند.
ارسنیک موجود در InGaAs نیز شناخته شده به عنوان یک ماده سرطان‌زا است. بنابراین، مواجهه با ارسنیک در تولید می‌تواند خطرات جدی برای سلامتی ایجاد کند، از جمله بیماری‌های تنفسی و سرطان. نویسندگان مطالعه گفتند : "InGaAs گران است، برای محیط زیست و سلامتی زیان‌آور است و با CMOS سازگار نیست و ادغام در کاربردهای نهایی را به شدت پیچیده می‌کند."
CMOS مخفف کامپلیمنتری فلزی-اکسید-نیمه‌رسانا است. مواد حسگر نیاز دارند که با CMOS سازگار باشند، به این معنی که عملکرد نیمه‌رسانا را به طور منفی تحت تأثیر قرار ندهند و بتوانند به راحتی در فرآیند ساخت مدار موجود ادغام شوند.
برخی از محققان پیشنهاد داده‌اند که نقاط کوانتومی کلویدی به عنوان جایگزینی برای InGaAs استفاده شوند. آنها مقرون‌به‌صرفه هستند اما عملکرد عالی را ارائه نمی‌دهند. وقتی بحث ژرمانیم می‌شود، آن ویژگی‌های خوب هر دو InGaAs و نقاط کوانتومی را ترکیب می‌کند و بهترین قسمت این است که با CMOS سازگار است.
با این حال، علت عدم استفاده محققان از این ماده به عنوان ماده اصلی فتودیود این است که نتوانسته بود قسمت عمده‌ای از نور مادون قرمزی که دریافت می‌کرد را جذب کند. به طور شگفت‌انگیزی، تیم دانشگاه آلتو موفق به غلبه بر این محدودیت شده‌اند.
هانچن لیو، نویسنده اول مطالعه و پژوهشگر دکترا در دانشگاه آلتو، گفت : "عملکرد بالا از طریق ترکیب چندین رویکرد نوآورانه ممکن شده است: حذف تلفات نوری با استفاده از نانوساختارهای سطحی و کاهش تلفات الکتریکی."
آزمایش بر روی فتودیود ژرمانیم
نویسندگان مطالعه یک دستگاه اثبات مفهوم توسعه داده‌اند تا کارایی و عملکرد حسگر مادون قرمز مبتنی بر ژرمانیم خود را نشان دهند. آنها توانایی آن را در جذب فوتون‌های مادون قرمز در طول‌موج‌های مختلف تحلیل کردند.
این دستگاه عملکرد چشم‌گیری داشت. "پاسخ طیفی دستگاه ما تقریباً به حالت ایده‌آل نزدیک است، یعنی قادر به شناسایی حدود 90 درصد از فوتون‌ها در یک دامنه وسیع طول‌موج هستیم،" نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.
آنها ادعا می‌کنند که از نظر پاسخ‌دهی (حساسیت)، دستگاه اثبات مفهومی آنها از فتودیودهای تجاری InGaAs فعلی و حسگرهای ژرمانیومی پیشنهادی قبلی برتر عمل کرده است.
امیدواریم این حسگرهای مادون قرمز پیشرفته و مقرون‌به‌صرفه به زودی وارد بازار شوند و به ما کمک کنند تاثیر محیطی حسگرهای InGaAs را کاهش دهیم.
این مطالعه در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.
