گرافن و بقیه مواد دو بعدی، مانند فلز گذار dichalcogenide، به سرعت به عنوان بلوک‌های ساختاری جذاب برای کاربردهای اپتوالکترونیک، همراه با تمرکز قوی روی پلتفرم‌های مختلف تشخیص نور، خود را به اثبات رسانده‌اند. تطبیق‌پذیری این سیستم‌های مواد، کاربرد آنها را در نواحی شامل تشخیص بسیار سریع و با حساسیت بالای نور در رنج فرکانسی ماوراء بنفش، نور مرئی، مادون قرمز و تراهرتز، امکان‌پذیر می‌کند. این حسگرها همانند تکنولوژی‌های الکترونیک و فوتونیک سیلیکون، می‌توانند با دیگر اجزای فوتونیک مبتنی بر همان مواد، در کنار یکدیگر قرار گیرند. در اینجا، حسگرهای نوری مبتنی بر گرافن مدرن، سایر مواد دوبعدی و سیستم‌های هیبرید مبتنی بر ترکیب بلورهای دو بعدی مختلف یا بلورهای دو بعدی و دیگر مواد (نانو)، مانند نانوذرات پلاسماسون، نیمه هادی ها، نقاط کوانتومی یا ادغام آنها با موجکهای سیلیکون را مرور و ارزیابی می‌کنیم.
تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی در صدر تکنولوژی قرار دارد دهد. کاربردهای شامل تصویربرداری ویدئویی، ارتباطات نوری، تصویربرداری بیومدیکال، امنیت، دید در شب، حسگر گاز و تشخیص حرکت، به دلیل توسعه مواد با کارایی بالا و تکنولوژی تولید و یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ به سطح بالایی از پیشرفت رسیده است. با وجود رشد مقیاس و تنوع نواحی کاربردی، نیاز به یک پلتفرم تشخیص نور با کارایی بالاتر در زمینه سرعت، کارایی یا رنج طول موج، به اندازه انعطاف‌پذیری، شفافیت و اجتماع‌پذیری CMOS، روز به روز برجسته‌تر می‌شود.
گرافن ماده جذابی برای فوتونیک و اپتوالکترونیک است زیرا در مقایسه با مواد دیگر مزایای متعددی ارائه می دهد. انواع دستگاه های اپتوالکترونیک نمونه اولیه ، مانند الکترودهای شفاف در نمایشگرها و ماژول های فتوولتائیک، مدولاتورهای نوری ، دستگاه های پلاسمونی و لیزرهای فوق سریع، تاکنون نشان داده شده است. در بین این‌ها، بیشترین تلاش برای پیشرفت سنسورهای نوری، براساس تعدادی از ویژگی های متمایز گرافن و مواد مرتبط (GRM)، صورت گرفته است. اول، گرافن بدون شکاف است. این ویژگی منحصربفرد، تولید حامل‌های بار از طریق جذب نور را در طیف بسیار وسیعی از انرژی، امکان‌پذیر می‌کند. این رنج وسیع اشعه ماوراء بنفش، نورمرئی، مادون قرمز موج کوتاه (SWIR)، نزدیک مادون قرمز (NIR)، میان مادون قرمز (MIR)، مادون قرمز دور (FIR) و رگرسیون طیفی تراهرتز (THz) را در برمی‌گیرد. همچنین، گرافن دارای دینامیک حامل بار بسیار سریع، جذب مستقل طول موج، خواص نوری قابل تنظیم از طریق دوپینگ الکترواستاتیک، نرخ تخلیه کم و تحرک بالا و توانایی محدود کردن انرژی الکترومغناطیسی به حجم بی‌سابقه کم است. تحرک‌پذیری بسیار بالای حامل‌ها باعث تبدیل سریع فوتون و یا پلاسمون به جریان الکتریکی یا ولتاژ می شود.
مکانیزم‌های فیزیکی قادر به تشخیص نور
اصل کلیدی که تشخیص فوتوژن و دیگر کاربردهای اپتوالکترونیک به آن متکی هستند، تبدیل فوتون‌های جذب شده به سیگنال الکتریکی است. چندین مکانیزم متفاوت در گرافن که توسط آن این تبدیل صورت می‌گیرد، گزارش شده‌است. این روش‌ها شامل تاثیر فتوولتائیک، تاثیر ترموالکتریک نوری، اثر بالومتریک، اثر فوتوگیتینگ و مکانیزمی که از موج پلاسما کمک می‌گیرد می‌باشد. در ادامه، ما این مکانیزم ها، که در چه زمانی هر یک از آنها برجسته شده و اهمیت آنها در تشخیص نور مبتنی بر GRM را توصیف می‌کنیم.
دسته بندی حسگر های نور
در حال حاضر ما در مورد کلاس های اصلی فوتودتکتور بر اساس GRM های موجود در پیشینه بحث می کنیم و شایستگی ها و عملکرد های نسبی آنها را در نظر می گیریم.
فوتودیکاتور فلزی گرافن فلزی. این نخستین کلاس از تشخیصدهنده نور مبتنی بر گرافن بود که مورد بررسی بود. در گزارش های اولیه، جریان نور توسط روشنایی محلی یکی از رابط های فلزی / گرافن یک FET گرافن با گیت پشتی ایجاد شده است. جریان نتیجه به اثرPV نسبت داده شد. نشان داده شد که این میدان از انتقال بار از فلز متصل به گرافن ایجاد می شود و بنابراین می تواند با انتخاب مناسب فلز تنظیم شود. این امر می تواند توسط دوپینگ از طریق gating الکترواستاتیک افزایش یابد. الکترودهای فلزی توسط چند لایه گرافن با FeCl3 افزایش یافته جایگزین شدند تاحسگر های نور تمام مبتنی بر گرافن را ایجاد کنند.
زمینه های کاربردی، چالش ها و دیدگاه ها
ما در حال حاضر در مورد عملکرد پلتفرم های تشخیص نور GRM مدرن کنونی بحث می کنیم. از آنجایی که گرافن به طور متمایز به عنوان یک سیستم مادی متفاوت است، دارای مزایا و معایبی نیز می باشد، و ما با چالش هایی مواجه هستیم که برای دستیابی به رقابت در زمینه های کاربردی مختلف مورد توجه قرار می گیرند. پارامترهای عملکرد GRM در جدول 1 نشان داده شده اند.
برنامه های کاربردی با سرعت بالا. تشخیص نور با سرعت بالاتر از فناوری های موجود برای ارتباطات نوری مورد علاقه ما است. پهنای باند ذاتی حسگرهای نوری مبتنی بر گرافن به 262 گیگاهرتز می رسد. با توجه به جذب باند پهن گرافن، ضریب جذب نور برای دیدن، NIR و SWIR ، با بهره گیری از ادغام با موجک یا پیشرفت های پلاسمونیک، نسبتا ثابت (تا ~ 3 μm؛ Ref 149) با Rph تا ~ 0.13 AW-1 نشان داده شده است. از لحاظ پهنای باند، گرافن می تواند از تکنولوژی های دیگر که برای ارتباطات نوری مورد بررسی قرار می گیرند، از جمله یکپارچه سازی همگن Ge (Refs 151،152) ، فراتر عمل کند. حسگرهای نوری با سرعت بالا نیز با نیمه هادی III-V (> 300 GHz) تحقق یافته است، اما با فناوری های نوری و الکترونیکی Si به سختی سازگار است. یک چالش مهم برای حسگرهای نوری مبتنی بر گرافن همچنان افزایش پاسخ دهی و ناحیه تشخیص موثر است. پشته های ساختار همگن از مواد 2D برای استخراج جریان نوری عمودی دارای ناحیه تشخیص بزرگ هستند و بنابراین ممکن است موضوع دوم را حل کنند. مزیت دیگری بر فن آوری های موجود این است که گرافن یک پلت فرم برای مدولاسیون و تشخیص نور با سرعت بالا در یک تراشه است. اگر چه عناصرتکی شناخته شده است، مجتمع کردن یک لینک تمام نوری و پیاده سازی مدارهای باقی مانده در مقیاس بزرگ، یک چالش مهم باقی مانده است. نتایج در مرجع 73 نشان می دهد به رغم آرامش در زمان بندی بسیار سریع، توزیع ناهمسانگردی نور تولید شده از جنبش حامل ها می تواند در اندازه گیری های الکتریکی دیده شود. این ممکن است راه را برای حسگرهای نوری مبتنی بر گرافن که می تواند نور بازگشتی و قطبش آن را در زمانبندی فوق العاده سریع تشخیص دهد باز می کند، که با ثابت زمانی که سرعت را محدود می کند مقابله می کند.
این مقاله ISI در سال 2014 در نشریه Nature و در مجله فناوری نانو طبیعت، توسط دانشگاه صنعتی وین منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله حسگرهای مبتنی بر گرافن، دیگر مواد دو بعدی و سیستم های ترکیبی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
