نوری که به زمین می‌رسد دارای فرکانس‌های متنوعی است که برخی برای ما قابل مشاهده و برخی دیگر غیرقابل مشاهده هستند. از میان این فرکانس‌ها، فروسرخ موج کوتاه (SWIR) به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود که آن را برای سیستم‌های تشخیص و تعیین محدوده نوری (لیدار - LIDAR) بسیار مفید می‌سازد، برجسته است.
لیدار سیستمی است که با استفاده از پالس‌های لیزر، فاصله‌ها را محاسبه می‌کند، شبیه به روشی که سونار از امواج صوتی استفاده می‌کند.
امواج SWIR از این جهت منحصربه‌فرد هستند که از قرنیه و عدسی چشم انسان عبور نکرده و به شبکیه نمی‌رسند، که این امر خطرناک است. این ویژگی، SWIR را برای چشم ایمن و برای کاربردهای عملی مانند سیستم‌های لیدار ایده‌آل می‌سازد.
پژوهشگران در موسسه علوم فوتونیک (ICFO) روش جدیدی را برای سنتز نقاط کوانتومی کلوئیدی نقره تلورید (Ag2Te) نشان داده‌اند. نقاط کوانتومی در سیستم‌های لیدار به عنوان آشکارسازهای نوری (یا فتودتکتورها) استفاده می‌شوند.
این روش جدید چالش‌های مرتبط با فتودتکتورهای SWIR سنتی را که از فلزات سنگین سمی مانند سرب یا جیوه در اجزای نقاط کوانتومی استفاده می‌کنند، برطرف می‌کند.
کلوئیدهای نقره تلورید، جایگزینی سازگارتر با محیط زیست، پیش از این برای استفاده در نقاط کوانتومی مورد بررسی قرار گرفته بودند. با وجود پتانسیل آن‌ها، چندین مانع کاربرد گسترده آن‌ها را محدود می‌کند.
مطالعه جدید با بهینه‌سازی مهندسی سطح نقاط کوانتومی کلوئیدی نقره تلورید به این چالش‌ها پرداخته تا حداکثر کارایی را ضمن حفظ سازگاری با محیط زیست استخراج کند.
سمیت مرتبط با نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی ذرات نیمه‌هادی کوچکی با قطری بین ۲ تا ۱۰ نانومتر هستند. برای مقایسه، حدود ۱۵۰۰۰ نقطه کوانتومی را می‌توان در کنار یکدیگر در عرض یک تار موی انسان قرار داد.
الکترون‌ها در یک نقطه کوانتومی محبوس هستند. این اثرات محصورشدگی کوانتومی منجر به ویژگی‌های الکتریکی و نوری منحصربه‌فرد مشاهده‌شده می‌شود.
استفاده از فلزات سمی برای اجزای آن‌ها به دلیل پایداری ذاتی و خواص اپتوالکترونیکی (نوری و الکتریکی) آن‌هاست که آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب تبدیل می‌کند.
اگرچه جایگزین‌های ایمن‌تری مانند کلوئیدهای نقره تلورید در دسترس هستند، اما با چالش‌هایی نظیر نویز، زمان واکنش کند و محدوده تشخیص نور محدود مواجه‌اند که بر کارایی آن‌ها در تشخیص نور روشن و کم‌نور تأثیر می‌گذارد.
مهندسی سطح
پژوهشگران با استفاده از دو مرحله به این چالش‌ها پرداختند.
آن‌ها با بهینه‌سازی سنتز نقاط کوانتومی کلوئیدی نقره تلورید شروع کردند. بهبود این فرآیند به آن‌ها امکان داد تا نقص‌های سطحی روی ذرات نیمه‌هادی را که عامل کاهش کارایی شناخته می‌شوند، از بین ببرند.
مرحله دوم، جایی که نوآوری نهفته است، پس از سنتز انجام می‌شود. پژوهشگران پس از سنتز، نیترات نقره را به لایه نازک نقطه کوانتومی اعمال کردند.
فرآیند آلایش (doping)، که شامل اعمال نیترات نقره است، ناخالصی‌هایی را به نقاط کوانتومی وارد می‌کند و خواص الکترونیکی آن‌ها را تغییر می‌دهد.
در مورد این نقاط کوانتومی، نیترات نقره نوع نقاط کوانتومی را از نیمه‌هادی نوع p به نیمه‌هادی نوع n تغییر داد. p و n نشان می‌دهند که آیا بارهای مثبت یا منفی مسئول جریان عبوری در ماده هستند.
در حالی که نقاط کوانتومی نوع p عملکرد پایین و جریان تاریک بالایی نشان می‌دهند، نوع n این مشکل را ندارد.
کاربردهای لیدار ایمن برای چشم
پژوهشگران عملکرد فتودتکتور SWIR خود را که از نقاط کوانتومی کلوئیدی نقره تلورید ساخته شده بود، آزمایش کردند.
این فتودتکتور به طور قابل توجهی جریان تاریک را کاهش داد و باعث کاهش نویز و بهبود دقت شد. با بازدهی ۳۰٪ در جذب نور با طول موج معین، این دستگاه افزایش کارایی در تشخیص نور را نشان داد.
علاوه بر این، آشکارساز دارای زمان پاسخ سریع تنها ۲۵ نانوثانیه است که به آن امکان می‌دهد فاصله‌ها را با دقت اندازه‌گیری کند. در نهایت، آشکارساز می‌تواند محدوده بسیار وسیع‌تری از شدت نور را مدیریت کند.
با استفاده از این نقاط کوانتومی سازگار با محیط زیست، پژوهشگران اولین نمونه اثبات مفهوم (proof-of-concept) برای یک سیستم لیدار SWIR را ساختند. این نمونه اولیه فاصله‌های بیش از ۱۰ متر را با حاشیه خطای تنها ۰.۱ متر به دقت اندازه‌گیری کرد.
این یافته‌ها برای کاربردهای احتمالی این سیستم‌ها در زمینه‌هایی مانند پایش محیط زیست، الکترونیک مصرفی و نقشه‌برداری امیدوارکننده است.
دکتر یونجی وانگ، یکی از نویسندگان مقاله از ICFO، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «در ابتدای پروژه، انتظار چنین جهش قابل توجهی در عملکرد نهایی دستگاه را نداشتیم.»
یافته‌های این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.
درباره نویسنده: تجسری گوروراج
تجسری یک نویسنده علمی چندمنظوره است که به قابل دسترس و جذاب کردن تحقیقات پیچیده برای همه اختصاص دارد. او مدرک کارشناسی ارشد خود را در فیزیک از NIT Karnataka دریافت کرد که به او پایه‌ای قوی برای ترجمه مفاهیم علمی پیچیده به بینش‌های روشن بخشیده است.