حسگر نوری با بازده عجیب 200درصدی
در پژوهشی که اخیرا منتشرشده است، مهندسان موفق به طراحی و ساخت حسگر نوری شده‌اند که می‌تواند پرتوهای نور را با بازده شگفت‌انگیر 200درصدی، به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل کند.
این درصد بازده عجیب و دور از ذهن به لطف بهره‌گیری از فیزیک کوانتومی به‌دست آمده است. به گفته تیم تحقیقاتی مسئول این پروژه، این حسگر که به‌عنوان «فوتودیود» شناخته می‌شود، به‌صورت بالقوه می‌تواند در زمینه‌های حساسی مانند پایش و ثبت علائم حیاتی بدن مانند ضربان‌قلب یا تنفس حتی بدون نیاز به ورود یا تماس مستقیم با بدن استفاده شود.مبنای سنجش و اندازه‌گیری بازده فتودیود، تعداد فوتون‌ها یا ذرات نور در دسترسی است که می‌تواند به سیگنال الکترونیکی تبدیل کند اما ساختار این حسگر کمی متفاوت‌تر و خاص‌تر است.
تولید انرژی با تمام توان
با رسیدن نور به این حسگر، فوتون‌ها به آن برخورد می‌کنند و در اثر این برخورد، تعدادی الکترون تولید می‌شود. بازده حسگر با تعداد این الکترون‌های تولیدشده سنجیده می‌شود. این بازده که به‌عنوان بازده «فوتوالکترون» شناخته می‌شود به کمک بازده کوانتومی تعیین می‌گردد. بازده کوانتومی یک ماده به‌صورت توانایی ماده در تولید ذرات حامل بار، به‌جای مقدار توان الکتریکی تولیدشده آن است. رنه یانسن، مهندس شیمی دانشگاه صنعتی آیندهوون هلند می‌گوید: «ما در اینجا با بازده‌های معمول انرژی سروکار نداریم. تمام چیزی که در زمینه فوتودیودها اهمیت دارد، بازده کوانتومی آن است. این حسگر به‌جای اندازه‌گیری کل انرژی نوری رسیده به آن، تعداد فوتون‌هایی که به الکترون تبدیل می‌شوند را اندازه‌گیری می‌کند.» در ابتدا تمرکز گروه روی ساخت حسگری متشکل از دو نوع سلول خورشیدی، یکی از جنس مواد آلی و دیگری از جنس پروسکایت (اکسید معدنی تیتانیوم و کلسیم) بود. با روی هم قرار دادن این دو لایه، درصورتی‌که یک لایه قدری نور از دست بدهد، لایه دیگر می‌تواند آن را جذب کند و به این ترتیب، بازده کوانتومی 70درصدی برای این نمونه اولیه به‌دست‌‌آمد. این گروه تحقیقاتی برای افزایش میزان بهره‌وری حسگر، نور سبز را به آن اضافه کرد. این کار، توانایی حسگر در فیلترکردن انواع مختلف نور را تا حد زیادی افزایش داد. این امر بازده کوانتومی فوتودیود را تا 200درصد افزایش داد، هرچند هنوز دقیقا علت این افزایش عجیب بازده، برای مهندسان کاملا مشخص نشده است.
به گفته ریکاردو اولئارو، مهندس شیمی دانشگاه صنعتی آیندهوون هلند، نور سبز اضافی سبب تجمع الکترون در لایه از جنس پروسکایت می‌شود. به این ترتیب لایه پروسکایت به‌نوعی مانند یک مخزن ذخیره‌سازی بار الکتریکی عمل می‌کند که با جذب فوتون‌های فروسرخ در لایه آلی آزاد می‌شود. به عبارت دیگر، هر فوتون فروسرخی که از این لایه عبور می‌کند و به الکترون تبدیل می‌شود، با سایر الکترون‌های ذخیره‌شده همراه می‌گردد که در نهایت به بازدهی 200 درصد یا بیشتر منجر خواهد شد. یک حسگر فوتودیود هرچه حساسیت بیشتری داشته باشد، فوتودیود بهتری خواهد بود و عملکرد بهتری نیز خواهد داشت. حسگرهای با حساسیت بالا قادر خواهند بود تا کوچک‌ترین تغییرات در نور را از فواصل دور شناسایی کنند. این امر در اندازه‌گیری ضربان قلب و سطح تنفس می‌تواند بسیار کارآمد باشد.در یک آزمایش، محققان به کمک حسگر فوق‌العاده نازک خود که صدبرابر نازک‌تر از یک ورق روزنامه است، توانسته‌اند تغییرات کوچکی در پرتو فروسرخ بازتاب‌شده از انگشت شخصی در فاصله 130 سانتی‌متری را ثبت و اندازه‌گیری کنند. اطلاعاتی که حسگر طی آزمایش ثبت کرده است، با فشارخون و ضربان‌قلب شخص مطابقت دارد.
منبع: Science Alert
جواد فیاض - گروه دانش و سلامت
تولید انرژی با تمام توان
با رسیدن نور به این حسگر، فوتون‌ها به آن برخورد می‌کنند و در اثر این برخورد، تعدادی الکترون تولید می‌شود. بازده حسگر با تعداد این الکترون‌های تولیدشده سنجیده می‌شود. این بازده که به‌عنوان بازده «فوتوالکترون» شناخته می‌شود به کمک بازده کوانتومی تعیین می‌گردد. بازده کوانتومی یک ماده به‌صورت توانایی ماده در تولید ذرات حامل بار، به‌جای مقدار توان الکتریکی تولیدشده آن است. رنه یانسن، مهندس شیمی دانشگاه صنعتی آیندهوون هلند می‌گوید: «ما در اینجا با بازده‌های معمول انرژی سروکار نداریم. تمام چیزی که در زمینه فوتودیودها اهمیت دارد، بازده کوانتومی آن است. این حسگر به‌جای اندازه‌گیری کل انرژی نوری رسیده به آن، تعداد فوتون‌هایی که به الکترون تبدیل می‌شوند را اندازه‌گیری می‌کند.» در ابتدا تمرکز گروه روی ساخت حسگری متشکل از دو نوع سلول خورشیدی، یکی از جنس مواد آلی و دیگری از جنس پروسکایت (اکسید معدنی تیتانیوم و کلسیم) بود. با روی هم قرار دادن این دو لایه، درصورتی‌که یک لایه قدری نور از دست بدهد، لایه دیگر می‌تواند آن را جذب کند و به این ترتیب، بازده کوانتومی 70درصدی برای این نمونه اولیه به‌دست‌‌آمد. این گروه تحقیقاتی برای افزایش میزان بهره‌وری حسگر، نور سبز را به آن اضافه کرد. این کار، توانایی حسگر در فیلترکردن انواع مختلف نور را تا حد زیادی افزایش داد. این امر بازده کوانتومی فوتودیود را تا 200درصد افزایش داد، هرچند هنوز دقیقا علت این افزایش عجیب بازده، برای مهندسان کاملا مشخص نشده است.
به گفته ریکاردو اولئارو، مهندس شیمی دانشگاه صنعتی آیندهوون هلند، نور سبز اضافی سبب تجمع الکترون در لایه از جنس پروسکایت می‌شود. به این ترتیب لایه پروسکایت به‌نوعی مانند یک مخزن ذخیره‌سازی بار الکتریکی عمل می‌کند که با جذب فوتون‌های فروسرخ در لایه آلی آزاد می‌شود. به عبارت دیگر، هر فوتون فروسرخی که از این لایه عبور می‌کند و به الکترون تبدیل می‌شود، با سایر الکترون‌های ذخیره‌شده همراه می‌گردد که در نهایت به بازدهی 200 درصد یا بیشتر منجر خواهد شد. یک حسگر فوتودیود هرچه حساسیت بیشتری داشته باشد، فوتودیود بهتری خواهد بود و عملکرد بهتری نیز خواهد داشت. حسگرهای با حساسیت بالا قادر خواهند بود تا کوچک‌ترین تغییرات در نور را از فواصل دور شناسایی کنند. این امر در اندازه‌گیری ضربان قلب و سطح تنفس می‌تواند بسیار کارآمد باشد.در یک آزمایش، محققان به کمک حسگر فوق‌العاده نازک خود که صدبرابر نازک‌تر از یک ورق روزنامه است، توانسته‌اند تغییرات کوچکی در پرتو فروسرخ بازتاب‌شده از انگشت شخصی در فاصله 130 سانتی‌متری را ثبت و اندازه‌گیری کنند. اطلاعاتی که حسگر طی آزمایش ثبت کرده است، با فشارخون و ضربان‌قلب شخص مطابقت دارد.
منبع: Science Alert
جواد فیاض - گروه دانش و سلامت
