فناوری انقلابی در تشخیص فروسرخ: گرافن، کلید دیدن دنیای نامرئی!

پژوهش‌های نو در تشخیص فوتون‌های فروسرخ با طول موج بلند

دکتر دبشیس چاندا، محقق دانشگاه مرکزی فلوریدا (UCF) و استاد مرکز فناوری نانو در این دانشگاه، روشی جدید برای شناسایی فوتون‌های فروسرخ با طول موج بلند (LWIR) و تشخیص آن‌ها از رنگ‌های و طول موج‌های گوناگون ارائه داده است. این تحقیق اخیراً در مجله‌ی “نانو لترز” که توسط انجمن شیمی آمریکا منتشر می‌شود، به چاپ رسیده است. این تکنیک جدید شناسایی و تصویربرداری می‌تواند در آنالیز مواد بر اساس خصوصیات طیفی آن‌ها، یا در تصویربرداری طیفی و همچنین در کاربردهای تصویربرداری حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

انسان‌ها رنگ‌های اصلی و ثانویه را درک می‌کنند، اما قابلیت دیدن نور فروسرخ را ندارند. دانشمندان بر این باورند که حیواناتی نظیر مارها یا گونه‌های شب‌زی می‌توانند طول موج‌های مختلف در ناحیه‌ی فروسرخ را تقریباً مشابه درک رنگ‌ها توسط انسان‌ها، تشخیص دهند. دکتر چاندا می‌گوید تشخیص فروسرخ، خصوصاً LWIR، در دمای اتاق به دلیل انرژی اندک فوتون‌ها، یک چالش همیشگی بوده است.

چاندا توضیح می‌دهد که آشکارسازهای LWIR به طور کلی به دو دسته سردکننده و بدون‌سردکننده تقسیم می‌شوند. آشکارسازهای سردکننده از حساسیت بالایی برخوردارند و زمان پاسخ‌دهی سریعی دارند، اما وابستگی آن‌ها به سردسازی کرایوژنیک، هزینه‌هایشان را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد و کاربردهای عملی آن‌ها را محدود می‌کند. در مقابل، آشکارسازهای بدون‌سردکننده، مانند میکروبولومترها، می‌توانند در دمای اتاق کار کنند و قیمت کمتری دارند، اما حساسیتشان کمتر است و زمان پاسخ آن‌ها نیز کندتر است.

چاندا اذعان می‌کند که هر دو نوع آشکارسازهای LWIR، از قابلیت تنظیم طیفی پویا برخوردار نیستند و بنابراین نمی‌توانند طول موج‌های فوتون‌های گوناگون را از رنگ‌های متفاوت تشخیص دهند. چاندا و گروه پژوهشی‌اش در تلاش بوده‌اند تا از محدودیت‌های آشکارسازهای LWIR موجود فراتر روند و روشی بسیار حساس، کارآمد و با قابلیت تنظیم پویا، مبتنی بر گرافن نانومشکلی ارائه دهند. تیانی گو، دانش‌آموخته‌ی مقطع دکتری در سال ۲۰۲۳، نویسنده‌ی اصلی این مقاله است. گو در سال 2023، تحت راهنمایی چاندا، مدرک دکترای خود را از UCF دریافت نمود.

دریافت جایزه‌ی بین‌المللی پایان‌نامه

او برنده جایزه‌ی بین‌المللی پایان‌نامه از Springer Nature شده است و پایان‌نامه‌اش که به بررسی راه‌های بالقوه‌ی تشخیص LWIR می‌پردازد، در مجموعه‌ی کتاب‌های Springer Theses به چاپ رسیده است. چاندا می‌گوید: “این روش کشف‌شده، نتیجه‌ی تحقیقاتِ گو، چاندا و دیگران در آزمایشگاهِ چاندا است.” او ادامه می‌دهد: “هیچ‌کدام از آشکارسازهای سردکننده یا بدون‌سردکننده کنونی، چنین امکان تنظیم طیفی پویا و پاسخ‌دهی فوق‌سریع را ندارند.”

پتانسیل آشکارسازهای تک‌لایه‌ی گرافن

چاندا تأکید می‌کند: “این دستاورد، توانایی آشکارسازهای LWIR ساخته شده از گرافن تک‌لایه، که در دمای اتاق کار می‌کنند، را نشان می‌دهد و حساسیت بالا و امکان تنظیم طیفی پویا را برای تصویربرداری طیفی مهیا می‌سازد.” این آشکارساز، بر اساس تفاوت دما در مواد (پدیده‌ای که به نام اثر سیبک شناخته می‌شود) در یک لایه‌ی گرافن با الگوی نامتقارن عمل می‌کند. با تابش نور و تعامل، نیمه‌ی طرح‌دار، دماهای بالایی را تولید می‌کند که جذب آن به طرز چشمگیری افزایش می‌یابد، در حالی که نیمه‌ی بدون الگو، خنک باقی می‌ماند.

تولید ولتاژ فوتوترمو الکتریک

خروج حامل‌های داغ، ولتاژ فوتوترمو الکتریک را ایجاد کرده و این ولتاژ مابین الکترودهای منبع و تخلیه اندازه‌گیری می‌شود. با ایجاد الگو بر روی گرافن در یک آرایه‌ی خاص، محققان به جذب بهبودیافته‌ای دست یافته‌اند و قادر هستند به صورت الکترواستاتیکی و در محدوده‌ی طیفی LWIR، تنظیمات بیشتری اعمال کنند و تشخیص بهتری از فروسرخ ارائه دهند. این آشکارساز، قابلیت‌های آشکارسازهای مرسوم فروسرخ بدون‌سردکننده که با نام میکروبولومترها نیز شناخته می‌شوند را به طور قابل ملاحظه‌ای ارتقا می‌دهد.

نسل جدید آشکارسازهای LWIR

دکتر چاندا می‌گوید: “این طرح پیشنهادی، راه را برای نسل جدیدی از آشکارسازهای فوتون LWIR مبتنی بر گرافن بدون‌سردکننده هموار می‌سازد که کاربردهای گستردی از جمله وسایل الکترونیکی مصرفی، حسگرهای مولکولی و فضا را در بر می‌گیرد.”. محققان گروه چاندا شامل پژوهشگران پسا-دکتری آریتر بیسواس (’21MS ’24PhD)، سایان چاندر، آریندام داسگوپتا و محمد وقاص شبیری (’16MS ’21PhD) هستند. نتایج این پژوهش، حاصل یک پروژه‌ی 1.5 میلیون دلاری است که از طریق برنامه‌ی “قابلیت‌های تصویربرداری فوتون‌های شدید” آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی تامین مالی شده و تقریباً دو سال پیش به آن اختصاص یافته است.