این LED کوچک، تلفن همراه را به میکروسکوپ تبدیل می‌کند!

به گزارش سارنا به نقل از ایسنا و به نقل از نیو اطلس، کوچکترین LED سیلیکونی و میکروسکوپ هولوگرافیک جهان می‌تواند طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه را از جمله تبدیل کردن دوربین تلفن همراه هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل با وضوح بالا داشته باشد.

فوتونیک، حوزه‌ای از فناوری است که به نحوه انتقال و ویژگی‌های فوتون‌ها مربوط می‌شود. پیشرفت‌های حوزه فوتونیک، نوآوری‌هایی را در طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها مانند ارتباطات نوری داده‌ها، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی، نورپردازی و نمایشگرها به همراه داشته‌اند.

اگرچه تراشه‌های فوتونیک، یک راه طولانی را در زمینه نورپردازی پیموده‌اند اما ادغام یک ساطع‌کننده کوچک نور با تراشه(فناوری نور روی تراشه) هنوز باقی مانده است. سازندگان معمولا به استفاده از یک منبع نور بیرون از تراشه متوسل می‌شوند که بازدهی انرژی پایینی دارد و مقیاس‌پذیری تراشه‌های فوتونی را محدود می‌کند.

به لطف پژوهشگران شرکت «اتحاد پژوهش و فناوری ام‌آی‌تی سنگاپور»(SMART) که کوچک‌ترین LED سیلیکونی جهان را ساخته‌اند، ممکن است ساطع‌کننده‌های بدون تراشه به یک فناوری متعلق به گذشته تبدیل شوند. این LED که قدرت آن قابل مقایسه با نمونه‌های بسیار بزرگ‌تر LED سیلیکونی است، کمتر از یک میکرومتر عرض دارد.

ادغام ساطع‌کننده‌های روی تراشه با پلتفرم‌های استاندارد «نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل»(CMOS) همیشه کار دشواری بوده است. نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل، یک مدار مجتمع است که روی یک برد مدار چاپ‌شده ساخته می‌شود و در بیشتر تراشه‌های امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تلفن‌های همراه، نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل به عنوان چشم دوربین استفاده می‌شود.

پژوهشگران در این پروژه، LED سیلیکونی کوچک خود را در یک گره ۵۵ نانومتری نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل و در کنار سایر اجزای فوتونیکی و الکترونیکی قرار دادند. همه این اجزا روی یک تراشه قرار گرفتند.

پژوهشگران برای آزمایش کردن نحوه استفاده از LED در یک موقعیت واقعی، آن را در یک میکروسکوپ هولوگرافیک بدون لنز قرار دادند. میکروسکوپ‌های بدون لنز، کوچک‌تر و ارزان‌تر از میکروسکوپ‌های معمولی هستند زیرا به سیستم‌های پیچیده و دقیق لنز نیاز ندارند. آنها از یک منبع نور برای روشن کردن نمونه استفاده می‌کنند. سپس، نور روی یک حسگر دیجیتال نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل پراکنده می‌شود و یک هولوگرام دیجیتالی را ایجاد می‌کند که توسط رایانه برای تولید تصویر پردازش می‌شود.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون لنز ممکن است مشکلاتی در بازسازی تصویر داشته باشد. یک بازسازی دقیق معمولا به دانش دقیقی در مورد اَپِرچِر و طول موج نور منبع و فاصله نمونه تا حسگر نیاز دارد. پژوهشگران برای مقابله با این مشکل، از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیای مشاهده‌ شده توسط میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه‌های عصبی، سیستم‌های رایانه‌ای هستند که از شبکه‌های مغز انسان تقلید می‌کنند و با تکیه بر داده‌های آموزشی برای یادگیری و بهبود دقت به مرور زمان انجام می‌شوند.  

پژوهشگران دریافتند که لنز هولوگرافیک آنها نسبت به میکروسکوپ نوری معمولی، تصاویر دقیق‌تری را با وضوح بالا ارائه می‌دهد. آنها وضوح تصاویر لنز هولوگرافیک خود را تقریبا ۲۰ میکرومتر محاسبه کردند.

به گفته پژوهشگران، نسل بعدی LED و شبکه عصبی یکپارچه نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل آنها کاربردهای زیادی خواهد داشت که از میان آنها می‌توان به بازسازی اشیای میکروسکوپی مانند نمونه‌های بافت انسانی و دانه‌های گیاهی اشاره کرد. همچنین، پژوهشگران می‌گویند که با اصلاح تراشه سیلیکونی و نرم‌افزار تلفن‌های همراه هوشمند کنونی می‌توان به سادگی از این فناوری در دوربین‌ تلفن‌های هوشمند استفاده کرد تا تلفن همراه به یک میکروسکوپ با وضوح بالا تبدیل شود.

«راجیو رام»(Rajeev Ram)، از پژوهشگران این پروژه گفت: LED جدید ما علاوه بر پتانسیل بسیار زیاد آن در هولوگرافی بدون لنز، دارای طیف گسترده‌ای از کاربردهای ممکن دیگر است. این LED می‌تواند برای کاربردهای تصویربرداری زیستی و سنجش زیستی، از جمله میکروسکوپ میدان نزدیک و دستگاه‌های قابل کاشت نیمه‌هادی اکسید-فلزی مکمل، ایده‌آل باشد.

این پژوهش، در مجله «Nature Communications» به چاپ رسید.