[Zohreh Gholami]

بررسي ادبيات، چالش‌ها و کاربردهاي نانوفوتونيک با نگاه

به علوم و فناوري‌هاي مربوط يا به كار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) كه به برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماه مي‌پردازند فوتونيك گفته مي‌شود . بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيك از 421 ميليون دلار در سال 2004 به 3/9 ميليارد دلار 2009 خواهد رسيد. كاربردهاي كوتاه مدت نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودهاي نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي (دريافت كننده‌هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد.
 

نانوفوتونيک چيست ، چه مي‌کند و چه خواهد بود؟
با نگاهي گذرا به زيرساخت براي روشن‌شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيك بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشكيل‌دهنده آن يعني فوتونيك و فناوري‌نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيك خواهيم داد. اصولاً به علوم و فناوري‌هاي مربوط و به كار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) كه به برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماه مي‌پردازند فوتونيك گفته مي‌شود كه ليزر، اپتيك،‌تصويري‌سازي نوري و الكترونيك نوري از حوزه‌هاي اصلي آن هستند.


اما فناوري‌نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيك چيست؟
دربارة تعاريف فناوري‌نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد كه به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده‌اي از آن ارائه كرد.

شكل 1- ماهيت ميان رشته‌اي

مثالي كه براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي‌شود اين است كه اگر از پنج صاحب‌نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري‌نانو ارائه خواهند كرد. يكي از آنها به مواد و كاربردها، يكي به تجهيزاتي كه دستكاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولكولي را ممكن مي‌سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي كه به طور طبيعي به وجود مي‌آيند، اشاره خواهد كرد.
يك مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نكته كه فناوري‌نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد كرد تا اين كه چه چيزي هست. به طور مثال يك فناور به اين نكته اشاره مي‌كند كه فناوري‌نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولكولي اتفاق مي‌افتد اطلاق كرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يك متصدي بار در آمريكا كه براي توليد نوعي نوشيدني، مولكول‌هاي مخمر جو سياه را با مولكول‌هاي نوشيدني شيرين افسنطين تركيب مي‌كند، فناوري‌نانو اطلاق كنيم.
حال به سراغ تعريفي مي‌رويم كه كاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف‌مان در اين مقاله بيشتر كمك خواهد كرد:
به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس كه اولين مركز تحقيقاتي دانشگاه فناوري‌نانو در آمريكا را در سال 1993 تأسيس كرده است يك هم‌گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يك تعريف استاندارد شده وجود دارد كه مي‌توان آن را اين گونه بيان كرد: دستكاري ماده در سطح مولكولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي كاربردهاي معين.


تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيك چقدر خواهد بود؟
به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه 2005 به وسيله (Business Communications (Norwalk، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيك از 421 ميليون دلار در سال 2004 به 3/9 ميليارد دلار در سال 2009 خواهد رسيد که كاربردهايي كليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديك متغير خواهد بود.


حوزه‌هاي كاربردي نانوفوتونيك
يكي از گزارش‌هايي كه امسال توسط شركت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره مي‌كند كه كاربردهاي كوتاه مدت نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي (دريافت كننده‌هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشكي تا هوش كنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.
در حوزه فناوري‌هاي تواناساز سه فناوري كه رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري‌هاي نانوفوتونيك داشته‌اند نقاط كوانتومي، نانولوله‌هاي كربني و بلور‌هاي فوتونيكي بوده‌اند. نقاط كوانتومي در حجم وسيعي براي كاربردهايي چون زيست پزشكي توليد مي‌شوند. همين طور نانولوله‌هاي كربني كاربردهاي جديدي در خودرو، پزشكي، نمايشگرها و محاسبات مي‌يابند. بلور‌هاي فوتونيكي نيز به جهان نانو هجوم آورده‌اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور‌هاي فوتونيك براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيك استفاده مي‌كنند ‌(كه هم‌اكنون 200 تا 300 نانومتر هستند) كه هدف نهايي آنها به وجود آوردن ‌نانوفوتونيك با قابليت تطبيق‌پذيري با نيمه‌رساناهاي اكسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع‌هاي فوتونيكي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي 100 نانومتري و كوچكتر است.


شناسايي زيرساخت‌هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيك :
سؤالي كه پيش آمد اين است كه در صورتي كه كشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيك پرداخته و از كاربردهاي آن بهره‌مند گردد، كدام فناوري‌ها نقش حياتي‌تري را در اين راه ايفا خواهند كرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت كه البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد كه از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يك پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي‌توان از يك مدل ساده استفاده كرد.

ابتدا بايد كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌هاي مربوط به هر كدام را شناسايي نمود و بررسي كرد كدام فناوري‌ها به اكثر كاربردهاي مادر مربوط مي‌شوند كه البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي‌تر براي كاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري‌هايي كه از اهميت كمتري برخوردارند و نمره بالائي كسب نكرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه‌هاي بدون اولويت نشود.
همان طور كه ذكر كرديم كاربردهاي كوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل‌هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري‌هاي مربوط به اين 4 دسته ضريب 2 قائل خواهيم شد.


كاربردها                                            فناوري‌هاي مرتبط
نمايشگرها                                                        نانولوله‌هاي كربني، نانوذرات
ديودهاي نورافشان                                              نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي
سلول‌هاي خورشيدي                                          نانوسيم، فولرين‌هاي كربني، فناوري مواد آلي، نانوذرات
حسگرها وعلامت‌گذارهاي سيال زيست شيميايي        نانوذرات، نانوسيم، بلور‌هاي فوتونيكي، نانوسيالات، SPR (تشديد پلاسمون سطح ما فيبرهاي ميكروساختار، فوتونيك‌هاي سيليكوني
ليزرهاي ديودي                                                  نقاط كوانتومي، بلور‌هاي فوتونيكي
ارتباط دروني تراشه                                            نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي، فوتونيك‌هاي سيليكوني
حسگرها و جفتگرهاي نوری                                  نانوذرات، فوتونيك‌هاي سيليكوني
ليتوگرافي با ابزار لیزر                                            اپتيك‌هاي زير طول موج
فيبرهاي ويژه                                                    فيبرهاي ميكروساختار

شكل 2- كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌‌هاي مرتبط

 

شكل 3- بررسي بر كاربردترين فناوري‌ها در نانوفوتونيك

نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها بدون اعمال ضريب:
نانوذرات= 5                      بلور‌هاي فوتونيكي=4            فوتونيك‌هاي سيليكوني=3              نانوسيم= 2   
فيبرهاي ميكروساختار= 2          فولرين‌هاي كربن= 1            فناوري مواد آلي= 1            نانوسيالات= 1   
 SPR= 1              نانولوله‌هاي كربني= 1              اپتيك‌هاي لیزر زیر طول موج=              نقاط كوانتومي= 1       


اولويت‌هاي به دست آمده بدون اعمال ضريب:
1- نانوذرات
2- بلور‌هاي فوتونيكي
3- فوتونيك‌هاي سيليكوني
4- نانوسيم
5- فيبرهاي ميكروساختار


نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها با اعمال ضريب:
نانولوله‌هاي كربني=2        نانوذرات= 8
بلور‌هاي فوتونيكي=6          فناوري‌ مواد آلي=2
فولرين‌هاي كربني = 2      فوتونيك‌هاي سيليكوني=5
SPR= 2                        نقاط كوانتومي=1
فيبرهاي ميكروساختار=3    نانوسيم=4
اپتيك‌هاي زير طول موج=1    نانوسيالات=2


اولويت‌هاي به دست آمده با اعمال ضريب:
1- نانوذرات
2- بلور‌هاي فوتونيكي
3- فوتونيك‌هاي سيليكوني
4 - نانوسيم 
5- فيبرهاي ميكروساختار


همان گونه كه ملاحظه نموديد نتايج به دست آمده در هر دو روش يكسان مي‌باشد كه اين مسأله مي‌تواند به معناي تأكيد بر اولويت‌هاي به دست آمده باشد.
مراكز مهم تجاري نانوفوتونيك در جهانمسأله بعدي يافتن راهكارهايي براي توسعه اين فناوري‌ها و در مرحله بعد تجاري‌سازي كالاهاي نانوفوتونيك است كه به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يكي از مؤثرترين اين راهكارها همكاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيك دنيا است.

در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراكز پيشرو تجارت نانو فوتونيك در جهان مي‌پردازيم،‌ ضمن اين كه مراكز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيك در مقاله‌اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد.
• در زمينه نانوذرات و نانوبلور‌ها شركت‌ها Evident technology در نيويورك آمريكا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شركت‌ها هستند.
• در زمينه استفاده از نانولوله‌ در نمايشگرها شركت DuPont در دلاوير آمريكا و Samsung در سئول كره جنوبي مهمترين مراكزند.
• شركت‌هاي Konarka در ماساچوست آمريكا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراكز تجاري درباره سلول‌هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شركت‌هايي كه درباره سيم‌ها و بلور‌هاي فوتونيكي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريكا و LittleOptics در مري لند آمريكا هستند.


آينده و چالش‌هاي نانوفوتونيك
در طول سال‌ها، نانوفوتونيك از توسعه مواد در نيمه‌رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيك اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است كه بازۀ وسيعي از مفاهيم و كاربردها زير چتر نانوفوتونيك قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيك مولكولي باز كرده‌اند كه چشم‌انداز فوق‌العاده‌اي را به ما مي‌نماياند.

اگر چه هنوز اپتيك و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذكر كنيم كه در حالي كه فوتونيك بيشتر شامل تجهيزات سامانه‌ها و زيرسامانه‌ها‌ است، نانوفوتونيك بيشتر به كاربردهاي فناوري‌هاي اپتيكي موجودبراي ساخت، دستكاري و تصويربرداري از اشياء در قطع‌هاي نانوئي و مولكولي مي‌پردازد.

در حقيقت يكي از كاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري‌هاي نوري تعيين مشخصات است، كه در كاربرد فلوئورسانس و طيف‌نمائي نوري و تكنيك‌هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله‌اي و فرآيندهاي مولكولي شاخص‌ترين موارد هستند. پیشرفت‌هاي به دست آمده در تكنيك‌هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي‌باشد.

محققان بيان مي‌كنند كه در تمام تحقيقات نانوئي از روش‌هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشكل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله‌ها، تفاوت‌هاي ساختاري فراوان آنها است كه چالش‌هايي ‌را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشكلي دست و پنجه نرم كنند.

حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري‌ها و تجهيزات نانوفوتونيكي حياتي است. حتي نانولوله‌هاي كربني نيز كه هم اكنون در حجم‌هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد كنندگان ساخته مي‌شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي‌برند كه اين مسأله تأثير مهمي بر كارآئي بسياري از كاربردهايش دارد.

محققان در آزمايشگاه‌هاي مختلف از روش‌هاي مختلف استفاده مي‌كنند و اين گونه است كه نتايج كار آنها مي‌تواند متفاوت باشد و توليد كنندگان نانولوله‌ها در كنترل تركيبات محصول دچار مشكلاتي اساسي مي‌شوند كه اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه‌هاي تجاري‌سازي را كند مي‌كند. با اين موضوع همچنين از بعضي از كاربردهاي بسيار ظريف كه مي‌توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي‌كند. بنابراين تلاش‌هاي بسياري براي توليد نانولوله‌هاي كربني با كنترل و گزينش بيشتر صورت مي‌گيرد.

از سوي ديگري تلاش‌ها به سمت كنترل تغييرات خواص مواد متمركز شده است كه در حين ساختار يافتن اشياء به کمک نور رخ مي‌دهد.
ديگر محققان نيز در حل كار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند كه از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا،‌ زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش‌هايي بوده‌اند كه گروهي از محققان را واداشته است كه براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه‌هاي دريايي و نوعي از غبار كه فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي‌دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش‌هايي را صورت دهند.


منبع: وب سایت علوم پایه