یکی از زمینه‌های کاربردی فناوری‌نانو که پیشرفت زیادی هم داشته، بحث بلور‌های فوتونیکی می‌باشد. پیش‌بینی می‌شود این بلور‌ها با قابلیت کنترل پراکندگی نور، جایگزین روش‌هایی دیگر در قطعاتی مثل لیزرهای نمایشی، مدارها و رایانه‌های کوانتومی شوند. اما فرآیند ساخت پیچیده آنها باعث عدم توسعه هر چه بیشتر این بلور‌ها شده است.
کنترل مسیر نور با بلور‌های فوتونیکی
یکی از زمینه‌های کاربردی فناوری‌نانو که پیشرفت زیادی
هم داشته، بحث بلور‌های فوتونیکی می‌باشد. پیش‌بینی می‌شود این بلور‌ها با
قابلیت کنترل پراکندگی نور، جایگزین روش‌هایی دیگر در قطعاتی مثل لیزرهای
نمایشی، مدارها و رایانه‌های کوانتومی شوند. اما فرآیند ساخت پیچیده آنها
باعث عدم توسعه هر چه بیشتر این بلور‌ها شده است.
لئون والدرینگ (Leon Woldering) و تیم او از هلند اخیراً روشهای جدیدی
برای کنترل اندازه، شکل و انعطاف‌پذیری شیمیایی اُپال (شیشه‌های خاص) – یک
نوع بلور فوتونیکی- در کوچکترین حد ممکن، ابداع کرده‌اند. والدرینگ می‌گوید:
”ماهیت کار ما در واقع ایجاد توانایی کنترل شکل نانوذرات مشخص درون این
شیشه‌های مصنوعی می‌باشد. ما نانوحفره‌هایی را درون ذرات منفرد کلوئیدی
ایجاد کردیم و توانستیم موقعیت آنها را تغییر دهیم و همچنین قطر آنها را با
دقت نانومتری تنظیم کنیم، در واقع ما موفق به ساخت نوعی از نانودانه‌ها
شدیم”.
این محققان از روشی با نام Focused Ion Beam
milling(FIB) برای سوراخ کردن و ایجاد حفره‌هایی با عرض ۸۰ نانومتر در تک
کلوئیدها روی شیشه‌های مصنوعی استفاده کردند. این کلوئیدهای منفرد، با
شعاعی حدود ۱۰۰ نانومتر توسط یک فرآیند خودآرایی از کره‌های کلوئیدی دی‌اکسید
سیلیکون ایجاد شده‌اند. در ساخت آنها، محققان این حفره‌ها را برای مدت ۵ تا
۳۰ ثانیه آسیاب کردند و متوجه تناسب زمان آسیاب و اندازه حفرات شدند (زمان
بیشتر آسیاب حفره‌های بزرگتر را نتیجه می‌دهد) .
به گفته والدرینگ “نه تنها این نانوحفره‌ها برای حوزه فناوری‌نانو بسیار
جذاب می‌باشند، بلکه روش آسیاب کردن این حفره‌ها روی سطوح غیررسانا امری
کاملاً جدید بوده و امکان FIB را در حالت کلی افزایش می‌دهد”.
همیشه روش FIB اعتبار کافی در کاربردهای دقیق و با کیفیت بالا مثل ایجاد
نانودانه‌ها، ندارد. در گذشته برای این منظور از باریکه‌های الکترونی و
لیزری استفاده می‌شده تا بتوانند اصطلاحاتی روی سطح لایه‌های نازک اُپال (البته
نه با این دقت) ایجاد کنند. اگر چه والدرینگ با مسائلی روبرو شد که ناشی از
کوچک بودن اُپال‌های غیررسانا بود اما او با این وجود در ساخت و ایجاد
اصلاحات کوچکتر نسبت به روشهای قبلی موفق‌تر بود.
او توضیح می‌دهد: “FIB روی بستر عایق یک چالش عمومی می‌باشد. در موردی که
ما انجام دادیم، به دلیل آسیاب روی بستر مورد نظر، کلوئیدهای کره‌ای مجزا
باردار شده و یکدیگر را دفع می‌کند و خارج می‌شوند و بدین ترتیب بلور از
بین می‌رود. اما ما قادریم تا دیفیوژن بار را از منطقه آسیاب شده، به وسیله
رسوب‌دهی یک لایه کربنی رسانا بر روی بستر و به کمک یک فرآیند آسیاب متناوب،
کنترل کنیم. این روش از تجزیه بلور‌های فوتونیکی جلوگیری کرده و نانوحفره‌ها
را ایجاد می‌کند”.
همان‌طور که دانشمندان در مطالعاتشان توضیح می‌دهند، اغلب حوزه نانو شامل
نانوذرات کروی می‌باشد. که از نظر شکل با هم متفاوت می‌باشند و می‌توان از
طریق ایجاد انعطاف‌پذیری در ساختار آنها، مسیر تازه‌ای را در نانو ایجاد
نمود. به عنوان مثال در مورد یک بلور فوتونیکی یک تک ذره کلوئیدی اصلاح شده
می‌تواند شبیه یک کاواک نوری برای کنترل نور عمل کند.
والدرینگ می‌گوید:” انگیزه ما، در استفاده از این نانوذرات، ساخت یک کاواک
نوری در بلور‌های فوتونیکی سه بعدی می‌باشد. این کار با اضافه کردن لایه‌های
اُپال اضافی به ساختارهای اولیه به صورت معکوس انجام می‌گیرد”. او همچنین
اضافه می‌کند: “این اُپال‌های معکوس می‌توانند ساختارهای دی‌اکسید تیتانیوم
یا سیلیکون باشند. به منظور مطالعه محبوس‌سازی نور، ما تابش‌های یک
نقطهکوانتومی که درون یک کاواک نوری قرار گرفته را مورد بررسی قرار دادیم.
اگر محیط اطراف بلوری که کاواک نوری در آن واقع شده دارای ضریب شکست متناوب
باشد، این احتمال وجود دارد که رهاسازی فوتون‌های محدود شده در آن کاواک
امکان‌پذیر باشد. این مسئله ما را قادر به ساخت منابع نوری فوتونی می‌سازد.
و یک کاواک نیز می‌تواند به عنوان یک حسگر حساس عمل کند (در کارهای شیمیایی،
بیولوژیکی).
اما کاربردهای دیگر آنها طبق گفته والدرینگ می‌تواند مربوط به کاربرد آنها
در توسعه سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا در انتقال نور باشد. علاوه بر
این، اُپال‌ها می‌توانند عنوان یک منبع برای قطعات پلاسمونی‌ای از قبیل
تراشه‌‌های رایانه‌ای و یا حتی میکروسکوپ‌های نوری که توانایی متمرکز شدن
روی اجسامی کوچکتر از طول موج نور را دارند، به کار بروند.
نتایج این تحقیق در مجله Nanotechnology منتشر شده است.
