گروهی از محققان بین‌المللی موفق به ساخت (اولین دستگاه دومنظوره نوری جهان) دیودهای مبتنی بر پروسکایت (perovskite) شده‌اند که همزمان توانایی ساطع کردن و شناسایی نور را دارند.
منابع نوری و ردیاب‌ها مؤلفه‌های اصلی اولین دستگاه دومنظوره نوری جهان بی شمار فناوری در بازار هستند. به عنوان مثال، دیودهای ساطع کننده نور(LED) معمولاً به عنوان منبع نور در نمایشگرها و سایر فناوری‌ها مورد استفاده قرار می گیرند، در حالی که از فوتودیودها برای تشخیص نور در حسگرها، تصویربرداری و ابزارهای ارتباطی فیبر نوری استفاده می‌شود.
منابع نوری و ردیاب‌های موجود، دو نوع دستگاه متمایز با عملکردهای متفاوت هستند. در حالی که توسعه دستگاهی که هم بتواند نور را تولید کند و هم تشخیص دهد، می‌تواند منجر به طراحی فناوری‌های فشرده‌تر و هوشمندتر شود.
محققان دانشگاه “لینکوپینگ” (Linköping) در سوئد، دانشگاه شنژن چین و چندین دانشگاه دیگر در چین به تازگی دیودهای کارآمدی تولید کرده‌اند که قادر به انتشار و تشخیص همزمان نور هستند. این دستگاه جدید که در مقاله‌ای منتشر شده در مجله Nature Electronics ارائه شده، با استفاده از یک ماده پروسکایت فرآوری شده در محلول ساخته شده است.(اولین دستگاه دومنظوره نوری جهان)
پروسکایت (Perovskite) با فرمول شیمیایی CaTiO۳ از مجموعه کانی‌ها و رادیواکتیویته کامل است. این ماده آلی اولین بار در سال ۱۸۳۹ توسط “گوستاو روز” در کوه‌های اورال در روسیه کشف شد و به افتخار “پروسکایت” زمین‌شناس روسی نامگذاری شده‌است.
“فنگ گائو”، محقق اصلی این مطالعه گفت: اگر ما یک دستگاه دو منظوره داشتیم که بتواند به طور مؤثر نور را هم منتشر کند و هم تشخیص دهد، می‌توانستیم از یک دستگاه واحد برای انجام کارهایی استفاده کنیم که به طور معمول به دو دستگاه نیاز دارند. این نه تنها می‌تواند هزینه تولید دستگاه‌ها را کاهش دهد، بلکه ادغام منابع نوری و آشکارسازها را در تراشه‌های اپتوالکترونیکی تسهیل می‌کند.
“گائو” و همکارانش در مطالعه قبلی که در مجله Nature Photonics ارائه شده بود، مکانیزم شناخته شده به عنوان “اثر غیرفعال سازی” (passivation effect) را در نوارهای پروسکایت شناسایی کردند که موادی در حال ظهور برای ساخت LED هستند. آنها سپس یک غیرفعال کننده کارآمد (یعنی ماده‌ای را که می‌تواند نواقص موجود در نیمه رساناها را ترمیم کند) طراحی کرده و از آن برای بهبود بازدهی کوانتومی LEDهای پروسکایت نزدیک به مادون قرمز تا بیش از ۲۱ درصد استفاده کردند.
“چونشیونگ بائو” یکی از محققان این مطالعه گفت: بر اساس مطالعه قبلی، ما عملکرد تشخیص نور این دستگاه‌ها را بیشتر بررسی کردیم و متوجه شدیم که آنها عملکرد قابل توجهی را در تشخیص نور نشان می‌دهند.
وی افزود: اکنون ما در مطالعه جدید، تلاش‌های خود را بر بهبود همزمان انتشار نور و عملکرد ردیابی نور مبتنی بر پروسکایت متمرکز کردیم.
این ماده همچنین از تحرک حامل بالایی برخوردار است و از این رو می‌توان از آن برای ساخت نوارهایی با ضخامت‌های مختلف استفاده کرد. سرانجام محققان همپوشانی زیادی بین میزان جذب پروسکایت و طیف‌های نور تابشی مشاهده کردند. این بدان معنی است که این ماده همچنین می‌تواند نوری که خود ساطع می‌کند را جذب کند.
ماده پروسکایتی که “گائو”، “بائو” و همکارانشان برای ساخت دیود جدید از آن استفاده کردند، چندین ویژگی بی نظیر فوتوالکتریک دارد. علاوه بر راندمان کوانتومی تابش نور بالا (PLQE) که برای تولید ال ای دی‌های با کارایی بالا ایده‌آل است، این ماده از ضریب جذب بالایی برخوردار است و امکان تشخیص نور را فراهم می‌کند.
همه این خصوصیات در کنار هم امکان ایجاد LEDهای بسیار کارآمد را ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر، این خصوصیات همان چیزی است که در نهایت به محققان اجازه ایجاد یک دستگاه واحد را داده است که هم قادر به انتشار و هم جذب و شناسایی نور باشد.
این دیود تازه توسعه یافته قابلیت انتشار نور با راندمان کوانتومی بیش از ۲۱ درصد و تشخیص نور را دارد. همچنین می‌تواند سرعت عملکرد ده‌ها مگا هرتز را در هنگام انتشار و تشخیص نور به‌دست آورد و عملکرد بسیار خوبی در هر کدام دارد. علاوه بر این، هنگامی که از آن به عنوان ردیاب استفاده می‌شود، دستگاه به نور ساطع شده توسط خود نیز حساس است.
“بائو” توضیح داد: استفاده از نیمه‌رساناهای فرآوری شده در محلول در دستگاه‌های دو منظوره با کارایی بالا بسیار چالش‌برانگیز است. برای مثال باید از نیمه رساناهای آلی و نقطه کوانتومی کلوئیدی استفاده کنید. نیمه‌رساناهای آلی همیشه همپوشانی بسیار کمی بین طیف‌های جذب و تابش نور نشان می‌دهند، بنابراین جذب ضعیفی از نور ساطع شده از همان ماده نشان می‌دهند، در حالی که LEDهای نقطه کوانتومی کلوئیدی همیشه به دلیل خاصیت حاملی بسیار کم، با نوار نقطه کوانتومی بسیار نازک ساخته شده‌اند. بنابراین جذب نور آنها بسیار ضعیف است.
این محققان از نخستین کسانی هستند که یک دیود مبتنی بر پروسکایت را معرفی کرده‌اند که می تواند همزمان به عنوان یک منتشر کننده نور و یک دستگاه تشخیص نور عمل کند و در عین حال عملکرد خوبی را در هر دو انجام دهد.
محققان در مقاله خود تشریح می‌کنند که چگونه می‌توان از آن برای ساخت حسگر ضربان قلب یکپارچه و ارتباطات نوری دو طرفه استفاده کرد.
وسیله‌ای که آنها ایجاد کرده اند در آینده می‌تواند برای ایجاد قطعات الکترونیکی کوچکتر مورد استفاده قرار گیرد که می‌توانند به عنوان منبع نور و آشکارساز نیز مورد استفاده قرار گیرند.
“بائو” گفت: ما اکنون قصد داریم سرعت پاسخگویی دستگاه و طول عمر آن را بهبود ببخشیم و عملکرد تشخیص نور مرئی را در آن مطالعه کنیم.
پژوهشگران هلندی، نوعی آلیاژی سیلیکونی ابداع کرده‌اند که قدرت انتشار نور را دارد.
تلاش برای ابداع تراشه‌های کوچکتر، با موانع بسیاری از جمله محدودیت سیلیکون رو به رو است. از سوی دیگر، سیلیکون در انتشار نور بسیار ضعیف است؛ در حالی که اتصالات نوری می‌توانند با از بین بردن مشکلات مربوط به گرما و انرژی، پردازنده‌های متراکم‌تر و سریع‌تری فراهم کنند.
به گفته پژوهشگران، دانشمندان به مدت ۵۰ سال سعی داشته‌اند تا چنین کاری انجام دهند و یک گروه پژوهشی نیز در سال ۲۰۱۵، یک سیلیکون شش ضلعی ابداع کرد اما سیلیکون آنها نتوانست از عهده انتشار نور برآید.
پژوهشگران “دانشگاه فنی آیندهوون”(TU/e) هلند، نوعی آلیاژ سیلیکونی ابداع کرده‌اند که می‌تواند از عهده انتشار نور برآید. این آلیاژ، ترکیبی از سیلیکون و ژرمانیم است که در ساختاری شش‌ضلعی قرار گرفته‌اند. این ساختار به آنها امکان می‌دهد که نور را منتشر کنند.
این گروه پژوهشی پیش از به کارگیری فناوری خود در تراشه‌ها، به ابداع لیزر نیز نیاز دارند و هنوز باید اصلاحات بسیاری روی این فناوری انجام دهند. انتظار می‌رود که لیزر مورد نیاز آنها تا سال ۲۰۲۰ ابداع شود. در حال حاضر، بزرگترین چالش پیش روی پژوهشگران این است که فناوری خود را عملی کنند.
منبع: ایسنا