پژوهشگر ایرانی موفق به ساخت آشکارساز فوتونی فرابنفش شد

به گزارش پایگاه خبری پژوهندگان عصر، مسعود ابراری در دوره پسادکتری خود تحت راهنمایی مجید قناعت‌شعار در دانشگاه شهید بهشتی، پروژه‌ای پژوهشی با عنوان “ساخت و مشخصه‌یابی آشکارساز فوتونی فرابنفش بر پایه پیوند p-n مبتنی بر CuGaO۲ و Ga۲O۳” را به انجام رسانده است. ابراری در خصوص اهمیت آشکارسازی تابش فرابنفش اظهار داشت: در این پروژه تلاش کردیم یک آشکارساز فوتونی مبتنی بر پیوند Ga۲O۳/CuGaO۲ طراحی و تولید کنیم. آشکارسازی تابش فرابنفش یکی از زمینه‌های مهم پژوهش و فناوری است که کاربردهای وسیعی در حوزه‌های سلامت، کشاورزی، صنایع، نجوم و مخابرات نوری دارد.

وی افزود: تابش شدید فرابنفش می‌تواند آسیب‌های جدی به پوست انسان وارد کند و از عوامل مؤثر در بروز بیماری‌های پوستی و پیری زودرس به شمار می‌رود. همچنین، میزان تابش فرابنفش می‌تواند بر کیفیت محصولات کشاورزی و دوام سازه‌های مسکونی و صنعتی تأثیرگذار باشد. بررسی طیف فرابنفش در زمینه‌هایی مانند نجوم خورشیدی و کیهان‌شناسی نیز می‌تواند به شناخت بهتر پدیده‌های کیهانی کمک کند.

این پژوهشگر ادامه داد: مخابرات نوری نیز یکی دیگر از حوزه‌هایی است که می‌توان از محدوده فرابنفش در آن بهره‌برداری کرد. بنابراین، توسعه فناوری‌های دقیق و کارآمد برای تشخیص و آشکارسازی تابش فرابنفش از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این راستا، آشکارسازهای فوتونی مبتنی بر نیم‌رساناها می‌توانند ابزار مناسبی برای رصد و آشکارسازی این محدوده از طیف نوری باشند.

ابراری با اشاره به تنوع آشکارسازهای فوتونی نیم‌رسانا گفت: آشکارسازهای مورد استفاده در محدوده فرابنفش در ساختارهای مختلفی از جمله نور ـ رسانا، سد شاتکی، فلز ـ نیم‌رسانا ـ فلز، دیود پیوندی p-n، دیود بهمنی و ترانزیستور فوتونی توسعه یافته‌اند. انتخاب ماده نیم‌رسانا نیز اهمیت زیادی دارد؛ زیرا علاوه‌بر ویژگی‌های الکترونیکی، خواص نوری ماده باید به‌گونه‌ای باشد که امکان جذب و آشکارسازی مؤثر تابش فرابنفش را فراهم کند.

وی درباره مراحل طراحی و ساخت این آشکارساز گفت: پیش از ساخت افزاره، برای دستیابی به درک بهتر از عملکرد آشکارساز و بهینه‌سازی ساختار آن، شبیه‌سازی‌های مبتنی بر طراحی به کمک رایانه انجام شد. نتایج شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار Silvaco نشان داد که امکان تنظیم ساختار آشکارساز با هندسه‌های مختلف وجود دارد.

این پژوهشگر افزود: به کمک شبیه‌سازی‌های کامپیوتری توانستیم ابعاد آشکارساز، فاصله الکترودها، ضخامت لایه‌ها و سایر ویژگی‌های هندسی را پیش از مراحل تجربی ساخت افزاره بهینه کنیم. یک برآورد اولیه نشان می‌دهد می‌توان پاسخ‌دهی تقریبی mA/W ۹۰ از یک آشکارساز فوتونی نوعی مبتنی بر CGO/Ga۲O۳ انتظار داشت. با این حال، پس از بهینه‌سازی‌ها این مقدار می‌تواند تا mA/W ۱۶۰ بهبود یابد.

ابراری با اشاره به نتایج مشخصه‌یابی لایه‌های سنتزشده اظهار کرد: نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهنده کیفیت مناسب لایه‌های تهیه‌شده است. بررسی‌های آنالیز XRD نشان می‌دهد که لایه‌های تهیه شده به روش کندوپاش از کیفیت بلوری مطلوبی برخوردارند و اثری از فازهای اضافی یا ناخالصی در آن‌ها مشاهده نمی‌شود. همچنین فاز دلافوسیت مورد نظر در لایه CGO و فاز بتای Ga۲O۳ به‌خوبی تشکیل شده است.

وی ادامه داد: تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی نیز کیفیت مناسب لایه‌ها و یکنواختی سطح آن‌ها را تأیید می‌کند که از نظر ساخت آشکارساز فوتونی، نتیجه‌ای امیدوارکننده محسوب می‌شود. این پژوهشگر با اشاره به بررسی ویژگی‌های نوری لایه‌ها گفت: بررسی خواص نوری نمونه‌های سنتزشده نشان می‌دهد که این لایه‌ها در محدوده فرابنفش از جذب نوری مناسبی برخوردار هستند. گاف انرژی لایه سنتز شده CGO پس از اندازه‌گیری در محدوده ۳/۶ الکترون‌ولت برآورد می‌شود که برای کاربری در محدوده فرابنفش بسیار کارا است.

ابراری افزود: مشخصه‌یابی عنصری لایه‌های تهیه‌شده نیز نشان داد که عناصر تشکیل‌دهنده از استوکیومتری مناسبی برخوردارند و ترکیب به‌دست‌آمده با فرآیند تجربی موردنظر تطابق خوبی دارد. وی درباره بررسی‌های انجام‌شده در سطح مشترک دو نیم‌رسانا گفت: در این پژوهش، اثر قفل‌شدگی تراز فرمی در سطح مشترک میان CGO و Ga۲O۳ نیز مورد بررسی قرار گرفت. در این مرحله عواملی مانند چگالی حالت‌های گافی، موقعیت انرژی حالت‌های گافی و پهنای توزیع این حالت‌ها مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفتند.

این پژوهشگر در تشریح مرحله نهایی ساخت افزاره اظهار کرد: با لایه‌نشانی دو لایه CGO و Ga۲O۳ روی یکدیگر، موفق به تشکیل پیوند p-n شدیم. سپس با استفاده از فرآیند لیتوگرافی و لایه‌نشانی الکترودهای فلزی روی ساختار، یک آشکارساز فوتونی مبتنی بر دیود پیوندی p-n ساخته شد. این آشکارساز با اینکه پاسخ‌دهی چندانی ندارد، اما زمان پاسخ بسیار سریعی دارد که از این جهت می‌تواند بسیار امیدوارکننده باشد.

نتایج تحقیقات پیشین ما نشان داده‌اند که آشکارسازهای مبتنی بر نور-رسانای CGO می‌توانند پاسخ‌دهی بالایی داشته باشند، اما این دسته آشکارسازها از لحاظ سرعت پاسخ کندتر از آشکارسازهای مبتنی بر پیوند p-n عمل می‌کنند. در پژوهش حاضر نشان دادیم که با طراحی مناسب آشکارساز مبتنی بر پیوند بین CGO و Ga۲O۳ می‌توان پاسخ زمانی را تا زیر محدوده چند میلی‌ثانیه کاهش داد که به نوبه خود بسیار امیدوارکننده و کاربردی خواهد بود.

وی در پایان خاطرنشان کرد: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد ترکیب CuGaO۲ و Ga۲O۳ می‌تواند بستر مناسبی برای توسعه آشکارسازهای فوتونی فرابنفش فراهم کند. طراحی مبتنی بر شبیه‌سازی، کیفیت مناسب لایه‌های سنتزشده، تشکیل موفق پیوند p-n و ساخت آشکارساز فوتونی، مسیر مناسبی را برای توسعه و بهینه‌سازی نسل جدید آشکارسازهای فرابنفش و استفاده از آن‌ها در کاربردهای مختلف فراهم می‌کند.