ساخت آشکارسازهای نوری حساس به موقعیت

به گزارش «خبرنامه دانشجویان ایران»  به نقل از ستاد توسعه فناوری نانو، کنترل مداوم ارتعاشات و لرزش‌ها در رصد استحکام سازه‌های عمرانی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. استفاده از سنجشگرهای غیر تماسی اپتیکی برای اندازه‌گیری ارتعاشات از جمله روش‌های رایج برای این کار است.

همچنین در صنایع مختلف الکترونیکی و مکانیکی به منظور هدایت دقیق بازوهای روباتیک از موقعیت سنج‌های غیرتماسی اپتیکی (لیزری) استفاده می‌شود. اغلب موقعیت‌سنج‌های کلاسیک موجود در بازار مبتنی بر لایه‌های نازک سیلیکون یا سیلیکون آمورف هستند. این در حالی است که استفاده از مواد نانوساختار در ساخت موقعیت‌سنج‌های غیر تماسی نوین، علاوه بر کاهش هزینه‌ی ساخت، می‌تواند به افزایش قابل ملاحظه در کیفیت این ادوات منجر شود.

به گفته‌ دکتر یاسر عبدی، دانشیار دانشکده فیزیک دانشگاه تهران، آشکارسازهای رایج نوری صرفاً نسبت به روشن یا خاموش بودن منبع نوری حساسیت دارند. این در حالی است که آشکارسازهای حساس به موقعیت (Position-Sensitive Detectors (PSD)) جزو آشکارسازهای پیشرفته‌ی اپتوالکترونیکی هستند که علاوه بر روشن/خاموش بودن منبع نور، نسبت به محل تابش نور نیز حساس هستند. به عبارت دیگر با کمک آشکارسازهای حساس به موقعیت می‌توان محل تابش نور بر روی یک سطح را با دقت بسیار زیادی مشخص کرد.

وی در معرفی تحقیقات انجام شده در این طرح عنوان کرد: در این پژوهش، ما با استفاده مواد نانوساختار در قالب سازه‌های ساندویچی نامتقارن موفق به ساخت آشکارسازهای حساس به موقعیت در ناحیه‌ی مادون قرمز شده‌ایم. پیکربندی یکپارچه، سیگنال خروجی پیوسته، رزولوشن بسیار بالای فضایی (تا چند آنگستروم)، سادگی اتصالات الکترودی و عدم نیاز به مدار ثانویه برای تحلیل سیگنال خروجی از مزایای اصلی این آشکارساز است.

به گفته‌ عبدی، کاربرد اصلی موقعیت‌سنج‌های اپتیکی در اندازه‌گیری‌های غیرتماسی است. این ابزار به‌ویژه در اندازه‌گیری ارتعاشات در سدها و پل‌ها، بینایی روباتیکی، هم‌ترازسازی صنعتی (industrial alignment) و اندازه‌گیری جابجایی‌های کانتی‌لیور (اهرم) در میکروسکوپ نیروی اتمی کاربرد گسترده‌ای دارند.

این محقق در خصوص مواد به‌کار رفته در ساخت این آشکارساز عنوان کرد: در این آشکارساز، از نانوورقه‌های دی‌سولفیدن مولیبدن به‌عنوان قسمت میانی ساختار ساندویچی استفاده شده که ضریب جذب بالای نانوورقه‌ها در ناحیه‌ی مادون قرمز، نقشی بنیادین در عملکرد آشکارساز حساس به موقعیت دارد. همچنین در قسمت زیرین آشکارساز نیز از نانوصفحات اکسید گرافن کاهیده استفاده شده‌است که به دلیل رسانندگی بالا، تأثیر بسیار زیادی در سرعت پاسخ و بازیابی آشکارساز دارد.

عبدی در خصوص تفاوت اصلی این آشکارساز نسبت به نمونه‌های موجود گفت: ساختار پیشنهادی و معماری اپتوالکترونیکی به کارگرفته شده در ساخت این آشکارساز، نقطه‌ی تمایز آن با سایر آشکارسازهای رایج حساس به موقعیت است. در این معماری، فرآیندهای جذب نور و ترابرد حامل‌های اضافی به‌واسطه‌ی مواد مجزایی صورت می‌گیرد و از این‌رو پاسخ‌دهی آشکارساز به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته است.

به گفته‌ این محقق، در حال حاضر طرح در مقیاس آزمایشگاهی صورت گرفته است و لازم است تا تحقیقات بیشتری در زمینه‌ی بهینه‌سازی مواد مورد استفاده در ساختار ساندویچی صورت گیرد. اما با توجه به آنکه این آشکارساز نسبت به نمونه‌های رایج و هم‌ردیف‌ خود عملکرد بهتر و بازدهی بیشتری دارد، در صورت سرمایه‌گذاری مناسب می‌توان طرح را به مقیاس صنعتی نیز گسترش داد. همچنین از دیگر اولویت‌های مهم برای تجاری سازی این محصول سهولت دسترسی به مواد اولیه و کاهش هزینه‌های تولید است.

وی افزود: در ساخت این آشکارساز از مواد نانوساختار دوبعدی استفاده شده‌است. این مدل آشکارسازهای حساس به موقعیت در هم‌ترازسازی صنعتی و نیز در سازه‌های مهندسی از قبیل سدها و پل‌ها کاربرد دارند.

در این طرح جهت بررسی مشخصات موفورلوژی و خواص ساختاری نمونه‌ها از طیف سنجی پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده شده‌است. همچنین مطالعات توپوگرافی سطحی نمونه‌ها نیز با یک میکروسکوپ نیروی اتمی صورت گرفته‌است. ساختار نانوورقه‌ها نیز توسط طیف جابجایی رامان نمونه‌ها بررسی و تأیید شده‌است.

دکتر یاسر عبدی، عضو هیأت علمی دانشگاه تهران- محمد جوادی- دانشجوی دکتری فیزیک حالت جامد- و مهدیه غلامی- دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک دانشگاه تهران- در انجام این تحقیقات همکاری داشته‌اند. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Materials Chemistry C با ضریب تأثیر ۵/۹۸ (جلد ۶، سال ۲۰۱۸، صفحات ۸۴۴۴ تا ۸۴۵۲) به چاپ رسیده‌است.