محققان دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي موفق به طراحي و ساخت آشكارساز امواج فروسرخ (IR) و تراهرتز (THz) بر پايه ديود شاتكي گرافين- سيليكون شدند و با پذيرش طرح در برنامه نانو مچ ستاد توسعه فناوري نانو اين طرح در مسير تجاري‌سازي قرار گرفته است

به گزارش روابط عمومي؛ به نقل از ايسنا، در اين طرح سلول خورشيدي و آشكارساز مادون قرمز بر پايه گرافين، اولين ماده دو بعدي و نانومتري پايداري كه در سال 2004 ميلادي كشف شده است، ارائه مي‌شود. به دليل بهره‌مندي از خواص ممتاز و منحصر به فرد گرافين همچون شفافيت بالا و امكان توليد زوج الكترون –حفره در آن و همچنين طراحي متمايز، اين قطعات عملكرد بهتر در مقايسه با قطعات مشابه دارند.

در يك سلول خورشيدي و يا يك آشكارساز از مواد جاذب نور كه با قرار گرفتن در معرض تابش، زوج الكترون-حفره توليد مي‌كنند، استفاده مي‌شود. براي ايجاد جريان خارجي در بار، حامل‌ها (زوج  الكترون- حفره) بايد از هم تفكيك شوند. اين تفكيك از طريق ميدان الكتريكي داخلي ايجادشده توسط قطعه صورت مي‌پذيرد.

در ميان ساختارهاي بررسي‌شده براي طراحي اين گونه قطعات، ساختار بر پايه اتصال شاتكي كه از جمله ساختارهاي پذيرفته‌شده براي تبديل انرژي خورشيدي به الكتريسته و يا آشكار سازي امواج است، در مقايسه با ساير ساختارها از محاسني چون عموميت مواد مورد استفاده، هزينه كم و فرآيند ساخت آسان برخوردار است. 

از اين رو در ميان سلول‌هاي خورشيدي و يا آشكارسازهاي مادون قرمز بر پايه اتصال شاتكي، اتصال شاتكي گرافين و سيليكون در سال‌هاي اخير به طور گسترده‌اي از سوي محققان و پژوهشگران مورد استقبال قرار گرفت؛ چراكه از اين طريق مي‌توان از خصوصيات ممتاز سيليكون و گرافين به طور همزمان بهره برد.

در يك سلول خورشيدي با اين ساختار با توجه به شفافيت بالاي گرافين، نور خورشيد به آساني به داخل آن نفوذ كرده و به سد شاتكي مي‌رسد. زوج‌هاي الكترون-حفره توليدشده در سيليكون در اثر ميدان الكتريكي داخلي از هم تفكيك شده و توسط الكترودها جمع‌آوري مي‌شوند.

از سوي ديگر به دليل صفر بودن شكاف باند گرافين، توليد زوج الكترون- حفره در اين ماده نيز صورت مي‌پذيرد. در اين طرح با بهينه‌سازي فلز كاري كانتكت روي قطعه، امكان جمع‌آوري زوج‌هاي الكترون- حفره در گرافين فراهم شده كه از طريق جريان خارجي بازدهي سلول افزايش يافته است.

در آشكارساز مادون قرمز طراحي شده نيز به دليل جذب گرافين در محدوده مادون قرمز نزديك، امكان آشكارسازي اين ناحيه از طيف در دماي اتاق فراهم شده است.

براي ساخت اين قطعات سنتز گرافين به 3 روش شيميايي، ورقه كردن مكانيكي و CVD صورت پذيرفته است؛ اما در نهايت سنتز گرافين به روش شيميايي كه فرآيندي بسيار آسان و بدون نياز به تجهيزات و ملاحظات خاص است، براي ساخت قطعات انتخاب شد.

بنابراين علاوه بر انتخاب ساختار شاتكي براي طراحي ساختار قطعات كه منجر به كاهش هزينه ساخت مي‌شود، اين روش سنتز منجر به توليد گرافين با هزينه كم و به مقدار زياد خواهد شد كه در كاهش هزينه تمام شده طرح بسيار موثر است.

اين محققان همچنين براي مقايسه بهتر قطعه ساخته شده با نمونه ساده (سيليكون بدون گرافين) نمونه مشابهي ساختند. نمونه مشابه نسبت به امواج مادون قرمز پاسخ نشان نمي‌دهد. سلول خورشيدي ساخته شده بر پايه گرافين نسبت به نمونه بدون گرافين ولتاژ مدار بار و جريان اتصال كوتاهي در حدود 3 برابر توليد مي‌كند.

سلول‌هاي خورشيدي بر پايه سيليكون و آشكارسازهاي امواج مادون قرمز از مرايايي چون تبديل نور خورشيد به الكتريسيته با بازدهي بالا، آشكارسازي امواج مادون قرمز در دماي اتاق، هزينه ساخت كم و فرآيند ساخت آسان برخوردار هستند.

از اين سلول ساخته‌شده مي‌توان در ساخت سلول‌هاي خورشيدي، آشكارسازي نور مادون قرمز در دماي اتاق، سنسور آتش يا شعله، شمارش در خط توليد و دوربين‌هاي ديد در شب و يا حسگرهاي تشخيص حركت بدن استفاده كرد.

اين طرح از سوي مينا امير مزلقاني از دانش‌آموختگان دوره دكتري رشته برق و الكترونيك دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي اجرايي شده و با توجه به دستاوردهاي اين تحقيق، در برنامه نانو مچ ستاد توسعه فناوري نانو براي تجاري‌سازي مورد حمايت قرار گرفته است.