नैनोफोटोनिक्स

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नैनोपोटोनिक्स या नैनो-ऑप्टिक्स नैनोमीटर पैमाने पर प्रकाश के व्यवहार का अध्ययन है, और प्रकाश के साथ नैनोमीटर-स्केल वस्तुओं के संपर्क का अध्ययन है। यह ऑप्टिक्स, ऑप्टिकल इंजीनियरिंग, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और नैनो टेक्नोलॉजी की एक शाखा है। इसमें अक्सर ढांकता हुआ संरचनाएं शामिल होती हैं जैसे कि नैनोएंटेनस, या धातु के घटक, जो सतह प्लास्मोन पोलरिटोन के माध्यम से प्रकाश को परिवहन और ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। [1]

नैनो-ऑप्टिक्स शब्द, ऑप्टिक्स शब्द की तरह, आमतौर पर पराबैंगनी, दृश्यमान और निकट-अवरक्त प्रकाश (300 से 1200 नैनोमीटर से मुक्त-अंतरिक्ष तरंग दैर्ध्य) से जुड़ी स्थितियों को संदर्भित करता है।

पृष्ठभूमि

सामान्य ऑप्टिकल घटक, जैसे लेंस और सूक्ष्मदर्शी, आमतौर पर विवर्तन सीमा (रेले मानदंड) के कारण प्रकाश को नैनोमीटर (डीप सबवेवलेंथ) स्केल पर केंद्रित नहीं कर सकते हैं। फिर भी, अन्य तकनीकों का उपयोग करके नैनोमीटर स्केल में प्रकाश को निचोड़ना संभव है, उदाहरण के लिए, सतह प्लास्मोंस, नैनोस्केल धातु की वस्तुओं के आसपास स्थानीयकृत सतह प्लास्मोंस, और निकट-क्षेत्र स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (एसएनओएम या नैनोस्केल अपर्चर और नैनोस्केल शार्प टिप्स) में उपयोग किया जाता है। एनएसओएम)[2][3][4] और फोटो असिस्टेड स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी।[5]


आवेदन

नैनोफोटोनिक्स शोधकर्ता जैव रसायन से लेकर इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग से लेकर कार्बन-मुक्त ऊर्जा तक के क्षेत्रों में लक्ष्यों की एक विस्तृत विविधता का पीछा करते हैं। इनमें से कुछ लक्ष्यों का सारांश नीचे दिया गया है।

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक

यदि प्रकाश को कम मात्रा में निचोड़ा जा सकता है, तो इसे एक छोटे डिटेक्टर द्वारा अवशोषित और पता लगाया जा सकता है। छोटे फोटोडिटेक्टर में कम शोर, उच्च गति, और कम वोल्टेज और शक्ति सहित विभिन्न प्रकार के वांछनीय गुण होते हैं।[6][7][8] छोटे लेज़रों में ऑप्टिकल संचार के लिए कम थ्रेशोल्ड करंट (जो बिजली दक्षता में मदद करता है) और तेज़ मॉड्यूलेशन सहित विभिन्न वांछनीय गुण होते हैं[9] (जिसका अर्थ है अधिक डेटा ट्रांसमिशन)। बहुत छोटे लेज़रों को सबवेवलेंथ ऑप्टिकल गुहा की आवश्यकता होती है। एक उदाहरण है सैर, लेज़रों का सतह प्लास्मोन संस्करण।

इंटीग्रेटेड सर्किट फोटोलिथोग्राफी यानी प्रकाश के संपर्क में आने से बनते हैं। बहुत छोटे ट्रांजिस्टर बनाने के लिए, प्रकाश को अत्यधिक तीक्ष्ण छवियों में केंद्रित करने की आवश्यकता होती है। विसर्जन लिथोग्राफी और फेज-शिफ्टिंग photomask जैसी विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके, वास्तव में छवियों को तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत बेहतर बनाना संभव हो गया है - उदाहरण के लिए, 193 एनएम प्रकाश का उपयोग करके 30 एनएम रेखाएं खींचना।[10] इस एप्लिकेशन के लिए प्लास्मोनिक तकनीक भी प्रस्तावित की गई है।[11] हीट-असिस्टेड मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग डेटा की मात्रा बढ़ाने के लिए एक नैनोफोटोनिक दृष्टिकोण है जिसे मैग्नेटिक डिस्क ड्राइव स्टोर कर सकता है। डेटा लिखने से पहले चुंबकीय सामग्री के एक छोटे, सबवेवलेंथ क्षेत्र को गर्म करने के लिए लेजर की आवश्यकता होती है। सही स्थान पर प्रकाश को केंद्रित करने के लिए चुंबकीय राइट-हेड में धातु के ऑप्टिकल घटक होंगे।

Optoelectronics में लघुकरण, उदाहरण के लिए एकीकृत परिपथों में ट्रांजिस्टर के लघुकरण ने उनकी गति और लागत में सुधार किया है। हालाँकि, optoelectronic सर्किट को केवल छोटा किया जा सकता है यदि इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ-साथ ऑप्टिकल घटकों को छोटा किया जाता है। यह ऑन-चिप ऑप्टिकल संचार के लिए प्रासंगिक है (यानी एक तार पर वोल्टेज को बदलने के बजाय, ऑप्टिकल वेवगाइड्स के माध्यम से प्रकाश भेजकर माइक्रोचिप के एक हिस्से से दूसरे तक जानकारी पहुंचाना)।[7][12]


सौर सेल

सौर सेल अक्सर सबसे अच्छा काम करते हैं जब प्रकाश सतह के बहुत करीब अवशोषित होता है, क्योंकि सतह के पास इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करने का बेहतर मौका होता है, और क्योंकि डिवाइस को पतला बनाया जा सकता है, जिससे लागत कम हो जाती है। शोधकर्ताओं ने सौर सेल के भीतर इष्टतम स्थानों में प्रकाश को तेज करने के लिए विभिन्न प्रकार की नैनोफोटोनिक तकनीकों की जांच की है।[13]


एंटी-कैंसर थेरेप्यूटिक्स का नियंत्रित रिलीज

नैनोपोटोनिक्स को ट्रिपल-नकारात्मक स्तन कैंसर को लक्षित करने और एक्सोसाइटोसिस एंटी-कैंसर दवा प्रतिरोध तंत्र को कम करने और इसलिए सामान्य प्रणालीगत ऊतकों को विषाक्तता को कम करने के लिए नैनोपोरस ऑप्टिकल एंटेना से एड्रियामाइसिन जैसे एंटी-कैंसर थैरेप्यूटिक्स की नियंत्रित और ऑन-डिमांड रिलीज की सहायता में फंसाया गया है। कोशिकाओं।[14]


स्पेक्ट्रोस्कोपी

उच्च शिखर तीव्रता बनाने के लिए नैनोफोटोनिक्स का उपयोग करना: यदि प्रकाश ऊर्जा की दी गई मात्रा को एक छोटी और छोटी मात्रा (हॉट-स्पॉट) में निचोड़ा जाता है, तो हॉट-स्पॉट में तीव्रता बड़ी और बड़ी हो जाती है। यह अरेखीय प्रकाशिकी में विशेष रूप से सहायक है; एक उदाहरण सतह-संवर्धित रमन स्कैटरिंग है। यह पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों के विपरीत, हॉट-स्पॉट में स्थित एकल अणुओं के संवेदनशील स्पेक्ट्रोस्कोपी मापन की भी अनुमति देता है, जो औसतन लाखों या अरबों अणुओं को लेते हैं।[15][16]


माइक्रोस्कोपी

नैनोफोटोनिक्स का एक लक्ष्य एक तथाकथित app का निर्माण करना है, जो विवर्तन सीमा (डीप सबवेवलेंथ) से अधिक सटीक छवियों को बनाने के लिए मेटामेट्री (नीचे देखें) या अन्य तकनीकों का उपयोग करेगा। 1995 में, गुएरा ने हवा में 650nm तरंग दैर्ध्य वाली रोशनी के साथ 50nm लाइनों और रिक्त स्थान वाली सिलिकॉन झंझरी की इमेजिंग करके इसका प्रदर्शन किया।[17] यह एक विसर्जन माइक्रोस्कोप उद्देश्य (सुपरलेन्स) के साथ 50nm लाइनों और रिक्त स्थान (मेटामेट्री) वाले एक पारदर्शी चरण झंझरी को जोड़कर पूरा किया गया था।

निकट-क्षेत्र स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (NSOM या SNOM) एक काफी अलग नैनोफोटोनिक तकनीक है जो तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटे रिज़ॉल्यूशन वाली छवियों को लेने का एक ही लक्ष्य पूरा करती है। इसमें छवि लेने के लिए सतह पर एक बहुत तेज नोक या बहुत छोटा एपर्चर रेखापुंज-स्कैनिंग शामिल है।[2]

नियर-फील्ड माइक्रोस्कोपी आमतौर पर नैनोस्केल, सबवेवलेंथ रेजोल्यूशन हासिल करने के लिए नियर-फील्ड (नीचे देखें) का उपयोग करने वाली किसी भी तकनीक को संदर्भित करता है। 1987 में, गुएरा (पोलरॉइड कॉर्पोरेशन में रहते हुए) ने एक गैर-स्कैनिंग पूरे क्षेत्र फोटॉन टनलिंग माइक्रोस्कोप के साथ इसे हासिल किया।[18] एक अन्य उदाहरण में, दोहरे ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री में वेवगाइड सतह के ऊपर लंबवत विमान में पिकोमीटर रिज़ॉल्यूशन होता है।[citation needed]


ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज

सबवेवलेंथ निकट-क्षेत्र ऑप्टिकल संरचनाओं के रूप में नैनोफोटोनिक्स, या तो रिकॉर्डिंग मीडिया से अलग हैं, या रिकॉर्डिंग मीडिया में एकीकृत हैं, ऑप्टिकल रिकॉर्डिंग घनत्व प्राप्त करने के लिए विवर्तन सीमा की अनुमति से बहुत अधिक उपयोग किया गया था।[19] यह काम 1980 के दशक में Polaroid ऑप्टिकल इंजीनियरिंग (कैम्ब्रिज, मैसाचुसेट्स) में शुरू हुआ, और NIST एडवांस्ड टेक्नोलॉजी प्रोग्राम के समर्थन से कैलिमेट्रिक्स (बेडफोर्ड, मैसाचुसेट्स) में लाइसेंस के तहत जारी रहा।

बैंड-गैप इंजीनियरिंग

2002 में, गुएरा (नैनोप्टेक कॉर्पोरेशन) ने प्रदर्शित किया कि अर्धचालकों की नैनो-ऑप्टिकल संरचनाएं प्रेरित तनाव के कारण बैंडगैप बदलाव प्रदर्शित करती हैं। टाइटेनियम डाइऑक्साइड के मामले में, 200 एनएम से कम चौड़ाई वाली संरचनाएं न केवल सौर स्पेक्ट्रम के सामान्य पराबैंगनी भाग में, बल्कि उच्च-ऊर्जा दृश्यमान नीले रंग में भी अवशोषित होंगी। 2008 में, थुलिन और गुएरा ने मॉडलिंग प्रकाशित की जिसमें न केवल बैंडगैप शिफ्ट, बल्कि बैंड-एज शिफ्ट और कम चार्ज पुनर्संयोजन के लिए उच्च छिद्र गतिशीलता भी दिखाई गई।[20] बैंड-गैप इंजीनियर टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग सूर्य के प्रकाश और पानी से हाइड्रोजन ईंधन के कुशल फोटोलिटिक और फोटो-इलेक्ट्रो-केमिकल उत्पादन में फोटोएनोड के रूप में किया जाता है।

सिलिकॉन नैनोफोटोनिक्स

Main article: Silicon photonics

सिलिकॉन फोटोनिक्स नैनोफोटोनिक्स का एक सिलिकॉन-आधारित उपक्षेत्र है जिसमें सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की नैनो-स्केल संरचनाएं महसूस की जाती हैं और जो प्रकाश और इलेक्ट्रॉन दोनों को नियंत्रित करने में सक्षम हैं। वे एक ही उपकरण में युगल इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल कार्यक्षमता की अनुमति देते हैं। इस तरह के उपकरणों को अकादमिक सेटिंग्स के बाहर कई प्रकार के अनुप्रयोग मिलते हैं,[21] उदा. मिड-इन्फ्रारेड और ओवरटोन बैंड, लॉजिक गेट्स और एक चिप आदि पर क्रिप्टोग्राफी।[21]

2016 तक सिलिकॉन फोटोनिक्स में प्रकाश न्यूनाधिक, ऑप्टिकल वेवगाइड्स और ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट, ऑप्टिकल एम्पलीफायरों, फोटोडेटेक्टर्स, मेमोरी एलिमेंट्स, फोटोनिक क्रिस्टल आदि का अनुसंधान। विशेष रुचि का क्षेत्र सिलिकॉन नैनोस्ट्रक्चर है जो सौर प्रकाश से कुशलतापूर्वक विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम है (जैसे। सौर पैनलों के लिए)।[22]


सिद्धांत

प्लास्मोंस और मेटल ऑप्टिक्स

Main articles: Plasmonics and Surface plasmon

धातु प्रकाश को तरंग दैर्ध्य से बहुत नीचे तक सीमित करने का एक प्रभावी तरीका है। यह मूल रूप से रेडियो और माइक्रोवेव इंजीनियरिंग में इस्तेमाल किया गया था, जहां मेटल एंटीना (रेडियो) और वेवगाइड फ्री-स्पेस वेवलेंथ से सैकड़ों गुना छोटे हो सकते हैं। इसी कारण से, दृश्यमान प्रकाश नैनो-आकार की धातु संरचनाओं, जैसे नैनो-आकार की संरचनाओं, युक्तियों, अंतरालों आदि के माध्यम से नैनो-स्केल तक सीमित हो सकता है। कई नैनो-ऑप्टिक्स डिज़ाइन सामान्य माइक्रोवेव या रेडियोवेव सर्किट की तरह दिखते हैं, लेकिन सिकुड़ जाते हैं 100,000 या उससे अधिक के कारक से नीचे। आखिरकार, रेडियो तरंगें, सूक्ष्मतरंगें, और दृश्य प्रकाश सभी विद्युतचुम्बकीय विकिरण हैं; वे केवल आवृत्ति में भिन्न होते हैं। तो अन्य चीजें समान हैं, एक माइक्रोवेव सर्किट 100,000 के कारक से कम हो जाता है, वही व्यवहार करेगा लेकिन 100,000 गुना अधिक आवृत्ति पर। 

[23] यह प्रभाव कुछ हद तक बिजली की छड़ के समान होता है, जहां क्षेत्र टिप पर केंद्रित होता है।

तकनीकी क्षेत्र जो प्रकाश और धातुओं के बीच परस्पर क्रिया का उपयोग करता है, plasmonics कहलाता है। यह मौलिक रूप से इस तथ्य पर आधारित है कि धातु की पारगम्यता बहुत बड़ी और नकारात्मक है। बहुत उच्च आवृत्तियों पर (प्लाज्मा आवृत्ति के निकट और ऊपर, आमतौर पर पराबैंगनी), एक धातु की पारगम्यता इतनी बड़ी नहीं होती है, और धातु ध्यान केंद्रित करने के लिए उपयोगी होना बंद कर देती है।

ई-बीम लिथोग्राफी द्वारा निर्मित एक फ़ीड तत्व, एक परावर्तक, और तीन निदेशकों से युक्त एक पांच-तत्व यागी-उदय एंटीना की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) छवि।[24]

उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं ने नैनो-ऑप्टिकल द्विध्रुव और यागी-उदय एंटेना को अनिवार्य रूप से उसी डिजाइन का अनुसरण करते हुए बनाया है जो रेडियो एंटेना के लिए उपयोग किया जाता है।[25][26]

धात्विक समानांतर-प्लेट waveguides (स्ट्रिपलाइन), गांठ-स्थिर विद्युत सर्किट तत्व जैसे कि अधिष्ठापन और समाई (दृश्यमान प्रकाश आवृत्तियों पर, बाद के मान क्रमशः फेम्टोहेनरी और एटोफैराड के क्रम के होते हैं), और द्विध्रुवीय एंटेना के प्रतिबाधा-मिलान संचरण लाइनों के लिए, माइक्रोवेव आवृत्तियों पर सभी परिचित तकनीकें, नैनोफोटोनिक्स विकास के कुछ वर्तमान क्षेत्र हैं। उस ने कहा, नैनो-ऑप्टिक्स और स्केल्ड-डाउन माइक्रोवेव सर्किट के बीच बहुत महत्वपूर्ण अंतर हैं। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल आवृत्ति पर, धातुएं आदर्श कंडक्टरों की तरह बहुत कम व्यवहार करती हैं, और गतिज अधिष्ठापन और सतह प्लासमॉन अनुनाद जैसे दिलचस्प प्लास्मोन-संबंधित प्रभाव भी प्रदर्शित करती हैं। इसी तरह, ऑप्टिकल क्षेत्र अर्धचालकों के साथ माइक्रोवेव की तुलना में मौलिक रूप से अलग तरीके से बातचीत करते हैं।

निकट-क्षेत्र प्रकाशिकी

Main articles: Near-field optics and Near and far field

एक स्थानिक क्षेत्र वितरण के फूरियर परिवर्तन में विभिन्न स्थानिक आवृत्तियाँ होती हैं। उच्च स्थानिक आवृत्तियाँ बहुत महीन विशेषताओं और तेज किनारों के अनुरूप हैं।

नैनोपोटोनिक्स में, दृढ़ता से स्थानीयकृत विकिरण स्रोत (द्विध्रुवीय एंटीना उत्सर्जक जैसे प्रतिदीप्ति अणु) का अक्सर अध्ययन किया जाता है। इन स्रोतों को अलग-अलग लहरों के साथ समतल तरंगों की एक विशाल कोणीय स्पेक्ट्रम विधि में विघटित किया जा सकता है, जो कोणीय स्थानिक आवृत्तियों के अनुरूप है। प्रकाश के फ्री-स्पेस yahoo की तुलना में उच्च तरंग संख्या वाले आवृत्ति घटक क्षणभंगुर क्षेत्र बनाते हैं। क्षणभंगुर घटक केवल उत्सर्जक के निकट और दूर के क्षेत्र में मौजूद होते हैं और शुद्ध ऊर्जा को निकट और दूर के क्षेत्र में स्थानांतरित किए बिना क्षय हो जाते हैं। इस प्रकार, एमिटर से सबवेवलेंथ की जानकारी धुंधली हो जाती है; इसका परिणाम ऑप्टिकल सिस्टम में विवर्तन सीमा में होता है।[27] नैनोफोटोनिक्स मुख्य रूप से निकट-क्षेत्र की वाष्पशील तरंगों से संबंधित है। उदाहरण के लिए, एक सुपरलेंस (ऊपर उल्लिखित) उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग की अनुमति देते हुए, क्षणभंगुर तरंग के क्षय को रोक देगा।

मेटामटेरियल्स

Main article: Metamaterial

मेटामटेरियल्स कृत्रिम पदार्थ हैं जो ऐसे गुण रखने के लिए इंजीनियर हैं जो प्रकृति में नहीं पाए जा सकते हैं। वे तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटी संरचनाओं की एक सरणी बनाकर बनाए जाते हैं। संरचनाओं का छोटा (नैनो) आकार महत्वपूर्ण है: इस तरह, प्रकाश उनके साथ बातचीत करता है जैसे कि वे अलग-अलग संरचनाओं को बिखरने के बजाय एक समान, निरंतर माध्यम बनाते हैं।

यह भी देखें


संदर्भ

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