يمكن للتيار المظلمة المرتفع أن يضعف بشكل كبير أداء أجهزة الكشف الضوئي بالأشعة تحت الحمراء ، وهي الأجهزة التي يمكنها اكتشاف الفوتونات في شكل أشعة تحت الحمراء. لسنوات عديدة ، استخدمت معظم حلول حجب التيار المظلم المجال الكهربائي داخل الكواشف.
ابتكر باحثون في الأكاديمية الصينية للعلوم مؤخرًا حلاً بديلاً لقمع التيار المظلم في أجهزة الكشف الضوئي ، والذي يعتمد على استخدام بنى غير متجانسة لـ van der Waals (vdW). لقد قدموا أجهزة كشف ضوئية ذات حاجز أحادي القطب مرئي ومتوسط الطول بالأشعة تحت الحمراء مصنوعة من هياكل غير متجانسة مُصممة على نطاق واسع.
"منذ أن أنتجت شركة Bell Labs النظام القائم على Si السندات الإذنية تقاطع في عام 1935، أصبح استخدام المجال الكهربائي المدمج في منطقة النضوب هو الطريق التقني الرئيسي لمنع التيار المظلم. في أجهزة الكشف الضوئي التقليدية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء PN، فإن إعادة التركيب العالي لـ Shockley-read-Hall (SRH) وإعادة التركيب السطحي في منطقة النضوب تحد بشكل خطير من قمع التيار المظلم. استجابة لهذه المشكلات، قدم المهندسون بنية جهاز جديدة تتجاوز تقاطع PN، وهي بنية الحاجز أحادي القطب.
يمكن استخدام الفكرة الرئيسية وراء الهياكل غير المتجانسة للحاجز أحادي القطب vdW لقمع التيار المظلم داخل أجهزة الكشف الضوئي. من خلال منع ناقلات الأغلبية ، في الواقع ، يمكن لهذه الهياكل في النهاية أن تسمح لأجهزة الكشف الضوئي بالأشعة تحت الحمراء بالعمل في درجات حرارة عالية ، مما يحقق أداءً رائعًا.
قال الباحثون: "يمكن أن تكون الهياكل غير المتجانسة المقترحة للحاجز الأحادي القطب vdW حلاً لعنق الزجاجة للتيار المظلم في أجهزة الكشف الضوئي بالأشعة تحت الحمراء وتحسين أداء أجهزة الكشف الضوئي بالأشعة تحت الحمراء". "في النهاية ، يمكنهم بالتالي تسهيل انتقال المواد ثنائية الأبعاد (2D) من مختبر إلى فاب في تطبيقات الأشعة تحت الحمراء."
في الآونة الأخيرة ، بدأ المزيد من الباحثين في تصميم واستخدام أجهزة الكشف الضوئية مع هياكل الحاجز أحادي القطب (عادةً الهياكل غير المتجانسة nBn و pBp) لقمع التيار المظلم وتمكين التشغيل في درجات حرارة عالية. يمكن لهذه الطبقات الحاجزة أن تمنع التيار المظلم ، لكنها تسمح للتيار الضوئي بالتدفق بحرية.
أوضح الباحثون أنه "في حالة nBn ، يمكن لحاجز نطاق التوصيل أن يمنع بشكل فعال حركة الإلكترونات من طبقة التلامس إلى طبقة الامتصاص ويجعل تيار السطح ضعيفًا بشكل كبير". "في الوقت نفسه ، يكون توزيع منطقة النضوب قريبًا من طبقة الحاجز ذات فجوة الحزمة العريضة ، مما يقلل من تيار SRH. بالإضافة إلى ذلك ، مع انخفاض تركيز المادة الحاملة في طبقة الامتصاص ، يمكن كبح إعادة تركيب أوجيه الذي يحدد الضوضاء الساخنة بشكل فعال. "
عند تصميم الطبقة الحاجزة داخل أجهزة الكشف الضوئي ، يجب على المهندسين أخذ خصائص مثل محاذاة النطاق ومطابقة الشبكة في الاعتبار. وبالتالي يمكن تصنيع أجهزة الكشف الضوئية ذات الحاجز أحادي القطب vdW من مواد ثنائية الأبعاد (2D) ، والتي تتجنب عدم تطابق الشبكة وعيوب الواجهة المرتبطة بالأسطح ذاتية التخميل بشكل طبيعي. بشكل ملائم ، تحتوي المواد ثنائية الأبعاد أيضًا على هياكل شريطية قابلة للضبط ، والتي يمكن تصميمها وتكديسها علميًا لإنشاء محاذاة نطاقات nBn أو pBp.
قال باحثون: "يمكن للحواجز أحادية القطب أن تثبط بشكل فعال التيار المظلم عن طريق إدخال طبقة حاجز ذات فجوة حزمة كبيرة". "وبالتالي ، يمكن أن تعمل أجهزة الكشف الضوئي ذات الحاجز أحادي القطب عند درجة حرارة أعلى من تقاطع pn مع نفس التيار المظلم أو يكون لها أداء أعلى عند نفس درجة الحرارة."
كان الباحثون وزملاؤهم أول من اكتشف أجهزة الكشف الضوئي ذات الحاجز أحادي القطب wdW بناءً على مواد ثنائية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك ، أجروا تحليلًا منهجيًا لمكونات التيار المظلم في هياكل الحاجز أحادي القطب.
في المستقبل ، يمكن استخدام أجهزة الكشف الضوئي التي أنشأها هذا الفريق من الباحثين لتحسين العديد من أجهزة الاستشعار والتصوير. علاوة على ذلك ، يمكن أن يلهم عملهم فرقًا أخرى لإنشاء أجهزة كشف ضوئية مماثلة باستخدام 2D مواد ذات طبقات.
قال باحثون: "إن الهياكل غير المتجانسة المقترحة للحاجز الأحادي القطب vdW تحقق اختراقًا تقنيًا رئيسيًا للانتقال من مختبر إلى فاب" للمواد ثنائية الأبعاد في مجال تطبيقات الأشعة تحت الحمراء مثل الاستشعار عن بعد والتصوير بالأشعة تحت الحمراء ". "استنادًا إلى الأبحاث السابقة ، تعد أهدافنا التالية هي تحسين الهيكل الجديد ، ومجموعة المستوى البؤري للأشعة تحت الحمراء القابلة للتطوير (FPA) والتطبيقات الوظيفية مثل الكشف عن النطاق المزدوج والتصوير بالأشعة تحت الحمراء للاستقطاب."