کشف تکنیک نوین در تصویربرداری مادون قرمز رنگی

تحقیقات جدید در شناسایی فوتون‌های مادون قرمز با طول موج بلند

دبشیس چاندا، پژوهشگر دانشگاه مرکزی فلوریدا (UCF) و استاد مرکز فناوری نانو این دانشگاه، یک تکنیک جدید برای شناسایی فوتون‌های مادون قرمز با طول موج بلند (LWIR) از رنگ‌ها و طول موج‌های مختلف توسعه داده است. این تحقیق به‌تازگی در نشریه Nano Letters که توسط انجمن شیمی آمریکا منتشر می‌شود، به چاپ رسیده است. تکنیک جدید شناسایی و تصویربرداری می‌تواند در تحلیل مواد بر اساس خواص طیفی آن‌ها یا تصویربرداری طیفی و همچنین در کاربردهای تصویربرداری حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

انسان‌ها رنگ‌های اصلی و ثانویه را درک می‌کنند، اما قادر به دیدن نور مادون قرمز نیستند. دانشمندان فرض می‌کنند که حیواناتی مانند مارها یا گونه‌های شب‌زی می‌توانند طول موج‌های مختلف در مادون قرمز را تقریباً مانند درک رنگ‌ها توسط انسان‌ها شناسایی کنند. چاندا می‌گوید که شناسایی مادون قرمز، به‌ویژه LWIR، در دمای اتاق به دلیل انرژی ضعیف فوتون‌ها یک چالش دیرینه بوده است.

چاندا توضیح می‌دهد که تشخیص‌دهنده‌های LWIR به‌طور کلی به دو دسته تشخیص‌دهنده‌های خنک و غیرخنک تقسیم می‌شوند. تشخیص‌دهنده‌های خنک در حساسیت بالا و زمان پاسخ سریع عالی هستند، اما وابستگی آن‌ها به خنک‌سازی کریوژنیک هزینه‌های آن‌ها را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و کاربردهای عملی آن‌ها را محدود می‌کند. در مقابل، تشخیص‌دهنده‌های غیرخنک، مانند میکروبولومترها، می‌توانند در دمای اتاق کار کنند و هزینه کمتری دارند، اما حساسیت کمتری دارند و زمان پاسخ آن‌ها نیز کندتر است.

چاندا می‌گوید که هر دو نوع تشخیص‌دهنده‌های LWIR از قابلیت تنظیم طیفی دینامیک برخوردار نیستند و بنابراین نمی‌توانند طول موج‌های فوتون‌های مختلف را از رنگ‌های متفاوت تشخیص دهند. چاندا و تیم پژوهشگران پسادکتری‌اش تلاش کردند تا از محدودیت‌های تشخیص‌دهنده‌های LWIR موجود فراتر بروند و روشی بسیار حساس، کارآمد و قابل تنظیم دینامیک را بر اساس گرافن نانومشکلی ارائه دهند. تیانی گو، دانش‌آموخته دکترای 2023، نویسنده اصلی این تحقیق است. گو در سال 2023 تحت راهنمایی چاندا، مدرک دکترای خود را در UCF به پایان رساند.

دریافت جایزه بین‌المللی پایان‌نامه

او برنده جایزه بین‌المللی پایان‌نامه از Springer Nature است و پایان‌نامه‌اش که به بررسی روش‌های بالقوه تشخیص LWIR می‌پردازد، در مجموعه کتاب‌های Springer Theses منتشر شده است. چاندا می‌گوید: “این روش تازه کشف شده نتیجه تحقیقات گوا، چاندا و دیگران در آزمایشگاه چانداست.” او ادامه می‌دهد: “هیچ‌یک از آشکارسازهای خنک یا غیرخنک فعلی چنین قابلیت تنظیم طیفی دینامیک و پاسخ فوق‌سریع را ارائه نمی‌دهند.”

پتانسیل آشکارسازهای گرافن تک‌لایه

چاندا تأکید می‌کند: “این نمایش، پتانسیل آشکارسازهای LWIR گرافن تک‌لایه مهندسی‌شده را که در دمای اتاق کار می‌کنند، نشان می‌دهد و حساسیت بالا و قابلیت تنظیم طیفی دینامیک برای تصویربرداری طیفی را ارائه می‌دهد.” این آشکارساز بر اساس تفاوت دما در مواد (که به آن اثر سیبک گفته می‌شود) در یک فیلم گرافن با الگوی نامتقارن عمل می‌کند. با تابش نور و تعامل، نیمه الگو دار دماهای بالایی را تولید می‌کند که جذب آن به شدت افزایش می‌یابد، در حالی که نیمه بدون الگو خنک باقی می‌ماند.

تولید ولتاژ فوتوترمو الکتریک

انتشار حامل‌های داغ ولتاژ فوتوترمو الکتریک را ایجاد کرده و این ولتاژ بین الکترودهای منبع و تخلیه اندازه‌گیری می‌شود. با ایجاد الگو بر روی گرافن در یک آرایه تخصصی، محققان به جذب بهبود یافته‌ای دست یافته و می‌توانند به‌طور الکترواستاتیکی در محدوده طیفی LWIR تنظیمات بیشتری انجام دهند و تشخیص مادون قرمز بهتری ارائه دهند. این آشکارساز به‌طور قابل‌توجهی از قابلیت‌های آشکارسازهای مادون قرمز غیرخنک سنتی، که به میکروبولومترها نیز معروف هستند، فراتر می‌رود.

نسل جدید آشکارسازهای LWIR

چاندا می‌گوید: “پلتفرم تشخیصی پیشنهادی، راه را برای نسل جدیدی از آشکارسازهای فوتون LWIR مبتنی بر گرافن غیرخنک هموار می‌کند که کاربردهای وسیعی از جمله الکترونیک مصرفی، حسگری مولکولی و فضا را شامل می‌شود.” محققان گروه چاندا شامل پژوهشگران فوق‌دکتری آریتر بیسواس (’21MS ’24PhD)، سایان چاندر، آریندام داسگوپتا و محمد وقاص شبیری (’16MS ’21PhD) هستند. این یافته‌ها نتیجه یک پروژه 1.5 میلیون دلاری هستند که از طریق برنامه قابلیت‌های تصویربرداری فوتون‌های شدید آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی تأمین مالی شده و تقریباً دو سال پیش به آن اعطا شده است.