پژوهش‌گرانی از اسپانیا موفق به ساخت دوربینی شده‌اند که از ترکیبی از گرافن و پردازش نیم‌رسانای صنعتی ایجاد شده است. قطعه‌ای که آنان ساخته‌اند به طیف گسترده‌ای از نور بیشتر از هر دوربین تجاری دیگری حساس است و به گفته‌ی این تیم پژوهشی، از فرآیند جدیدی که آن‌ها معرفی کرده‌اند، می‌توان برای ایجاد ‌اتصالات اپتیکیِ سرعت‌بالا در شبکه‌های ارتباطی نیز استفاده کرد.

گرافن ورقه‌ای از کربن به ضخامت فقط یک اتم است و این «ماده‌ی حیرت‌انگیز» تعدادی ویژگی‌های الکترونی بسیار مفید همانند تحرک الکترونی فوق‌العاده زیاد دارد. در نتیجه از آن در ساخت نمایش‌گرها، اسپیکرها، صفحات لمسی و دیگر قطعات الکترونی استفاده شده است. با این حال بسیاری از این کاربردها در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار داشته و محققان و شرکت‌ها هنوز بر روی تجمیع گرافن در درون فرآیندهای ساخت در مقیاس صنعتی کار می‌کنند.

صنعت الکترونیک امروزی تحت سلطه‌ی فرآیند نیم‌رسانای اکسیدفلزی مکمل (CMOS) قرار دارد که در آن سیلیکون با فلزات و عایق‌ها بر روی تک ویفرهایی ترکیب می‌شود که شامل میلیاردها ترانزیستور است. با این وجود تجمیع دیگر نیم‌رساناها همچون گرافن در درون CMOS با مشکلی روبروست و آن عدم انطباق شبکه‌ای بین مواد مختلف است که معمولاً رشد لایه‌هایی با کیفیت بالا از نیم‌رساناها را بر روی سیلیکون غیرممکن می‌سازد. در واقع وقتی قطعات الکترونی گرافنی ایجاد شده بودند در درون مدارهای CMOS تجمیع نشده بودند.

گستره‌ی محدود

تجمیع‌سازی دیگر نیم‌رساناها محدودیت‌هایی را بر عملکرد دوربین‌های CMOS اعمال می‌کند. آنطور که فرانک کوپنز از موسسه‌ی علوم فوتونی در بارسلونا توضیح می‌دهد: «دوربین در تلفن هوشمند شما تنها می‌تواند نور مرئی را ببیند، چنانکه سیلیکون تنها نور مرئی را جذب می‌کند. اگر بخواهید نور فروسرخ را آشکارسازی کنید مثلا باید یک دوربین ایندیوم گالیوم آرسناید خریداری کنید». این دوربین‌ها حدود ۴۰۰۰۰ یا ۵۰۰۰۰ دلار برای شما هزینه خواهد داشت، چون ایندیوم گالیوم آرسناید بصورت یکنواخت با CMOS تجمیع نمی‌شود بنابراین فرآیند بسیار پیچیده‌تری برای تجمیع مدار بازخوانی با آشکارسازهای نوری وجود دارد.»

در سال ۲۰۱۱ کوپنز و همکارانش یک آشکارساز نوری هم برای طول‌موج‌های فروسرخ و هم مرئی  با حساسیت بالا تولید کردند. آنان این کار را با بهم چسباندن دو الکترود به یک صفحه‌ی گرافنی پوشیده شده با نقاط کوانتومی سولفید سرب انجام داده‌اند. فوتون‌هایی که در نقاط کوانتومی جذب می‌شوند جفت‌های الکترون-حفره‌ ایجاد می‌کنند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومی نگه داشته شده در حالیکه حفره‌ها به سمت گرافن بسمت پایین حرکت کرده و به شکل چشم‌گیری رسانایی الکتریکی آن را افزایش می‌دهند بنابراین افزایش بزرگی در جریان تولید می‌شود. به بیان کوپنز: «می‌توانید یک آشکارساز نوری را تنها به یک برد الکترونیکی متصل کنید. یک دوربین نیاز خواهد بود تا یک میلیون آشکارساز نوری را در آن واحد بخواند. بنابراین به یک مدار میکروالکترونیک نیاز دارید».

در این پژوهش‌ جدید تیم کوپنز گرافن را به شکل همبافته (اپیتاکسیک) بر روی فویل مسی رشد داده‌اند که بر روی سطح یک تراشه‌ی CMOS سیلیکونی قرار دارد. این تراشه در مداری تعبیه شده است تا هر پیکسل را به شکل مجزا بخواند. سپس گرافن را برای تعریف هر پیکسل الگوبندی کرده‌ و لایه‌ای از نقاط کوانتومی را بر روی آن نهشته کرده‌اند. دوربین حاصل می‌تواند طول‌موج‌هایی از ۳۰۰ نانومتر (فرابنفش نزدیک) تا ۲۰۰۰ نانومتر (فروسرخ موج‌کوتاه) را آشکارسازی کند. هرچند گرافن برای جذب نور استفاده نشده است اما تحرک الکترونی فوق‌العاده بالای آن سیگنال قوی را تولید می‌کند که آشکارسازی نور فروسرخ بالای نوفه را ممکن می‌سازد؛ چیزی که قطعات دیگر قادر به انجام آن نیستند. این پژوهش‌گران بر این باورند که این قطعه می‌تواند استفاده‌هایی در تلفن‌های هوشمند، سیستم‌های امنیتی، وسایل نقلیه و سیستم های بازرسی مواد غذایی و دارویی داشته باشد. مهم‌تر آنکه تولید CMOS تجمیع یافته از دوربین‌های تلفن‌های هوشمند امروزی، گران‌تر نخواهد بود.

سرعت‌های بی‌سابقه

این محققان بر روی تولید ‌اتصالات اپتیکی بر پایه‌ی گرافن نیز کار می‌کنند که ظرفیت شبکه‌های ارتباطی اپتیکی را ارتقاء می‌دهد و حتی به رایانه‌های اپتیکی می‌انجامد. اگرچه در طرح جاری، نقاط کوانتومی سرعت دوربین را محدود می‌سازد اما خودِ گرافن می‌تواند نور را با سرعت‌های بی‌سابقه‌ای جذب کند (هرچند خیلی کم‌تر). به بیان کوپنز: «برای ارتباطات داده‌ای به گرافن تجمیع‌یافته با فوتونیک سیلیکونی نیاز دارید. همان فناوری بر پایه‌ی CMOS».

 آندرا فراری (Andrea Ferrari ) از دانشگاه کمبریج در انگلستان به فیزیک ورد می‌گوید: «مهم‌ترین نتیجه‌ی این پژوهش بدون هیچ شکی، قطعه‌ی تجمیع‌یافته‌ی CMOS بر پایه گرافن با سطح بزرگ است». فراری که در این پژوهش درگیر نبوده است می‌افزاید: «این آخرین چالشی است که در اپتوالکترونیک گرافنی است». به گفته‌ی وی یکی از موانع بزرگ در راه توسعه‌ی فرآیند تولید مناسب برای «fabs» - تسهیلات تولیدی میلیارد دلاری که تراشه‌های CMOS تجاری را تولید می‌کند. به بیان وی: «اگر تجمیع گرافن و CMOS به شکل درستی در fab واقعا کار کند سپس ما انجام می‌دهیم: ما در جستجوی یک انقلاب اصلی هستیم با قطعات اپتوالکترونیک در تلفن شما، در انتقال‌دهنده‌های داده برای اینترنت که همگی بر پایه گرافن هستند. این نتیجه‌ای اصلی است».

این پژوهش در مجله‌ی نیچر فوتونیک انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان نویسنده‌ای علمی از انگلستان است.

منبع:

Camera combines graphene and quantum dots