درباره نانوفوتونیك چه میدانیم؟
به علوم و فناوری‌های مربوط یا به كار گیرنده نور و فوتون (ذره بنیادی نور) كه به برهم‌كنش‌های بین نور و ماه می‌پردازند فوتونیك گفته می‌شود .....

خلاصه

به علوم و فناوری‌های مربوط یا به كار گیرنده نور و فوتون (ذره بنیادی نور) كه به برهم‌كنش‌های بین نور و ماه می‌پردازند فوتونیك گفته می‌شود . بازار جهانی تجهیزات نانوفوتونیك از 421 میلیون دلار در سال 2004 به 3/9 میلیارد دلار 2009 خواهد رسید. كاربردهای كوتاه مدت نانوفوتونیك به چهار دسته اصلی نمایشگرها، دیودهای نورافشان، سلول‌های خورشیدی (دریافت كننده‌های انرژی خورشیدی) و حسگرهای زیست شیمیایی تقسیم خواهد شد.

نانوفوتونیك چیست ، چه می‌كند و چه خواهد بود؟
با نگاهی گذرا به زیرساخت
برای روشن‌شدن مفهوم و گستره نانوفوتونیك بالاجبار باید تبیینی مختصر از دو حوزه تشكیل‌دهنده آن یعنی فوتونیك و فناوری‌نانو ارائه دهیم. ابتدا توضیح مختصری راجع به فوتونیك خواهیم داد.
اصولاً به علوم و فناوری‌های مربوط و به كار گیرنده نور و فوتون (ذره بنیادی نور) كه به برهم‌كنش‌های بین نور و ماه می‌پردازند فوتونیك گفته می‌شود كه لیزر، اپتیك،‌تصویری‌سازی نوری و الكترونیك نوری از حوزه‌های اصلی آن هستند.
اما فناوری‌نانو چیست و تأثیرات آن بر فوتونیك چیست؟
دربارة تعاریف فناوری‌نانو، منابع و ادبیات آن چنان مفصلی وجود دارد كه به سختی بتوان تعریف واحد و پذیرفته شده‌ای از آن ارائه كرد.

شكل 1- ماهیت میان رشته‌ای

مثالی كه برای نشان دادن این تعدد تعاریف استفاده می‌شود این است كه اگر از پنج صاحب‌نظر در حوزه نانو نظرخواهی شود، احتمالاً آنان پنج تعریف متفاوت از فناوری‌نانو ارائه خواهند كرد.
یكی از آنها به مواد و كاربردها، یكی به تجهیزاتی كه دستكاری و تجسم اشیا و فرآیندها در سطح مولكولی را ممكن می‌سازند و دیگری به تمایز بین نانومواد و نانوفرآیندهای ساخت بشر و آنهایی كه به طور طبیعی به وجود می‌آیند، اشاره خواهد كرد.
یك مورد هم احتمالاً بیشتر به این نكته كه فناوری‌نانو چه چیزی نیست اشاره خواهد كرد تا این كه چه چیزی هست. به طور مثال یك فناور به این نكته اشاره می‌كند كه فناوری‌نانو را نباید به هر آن چه در سطح مولكولی اتفاق می‌افتد اطلاق كرد در غیر این صورت باید به فعالیت یك متصدی بار در آمریكا كه برای تولید نوعی نوشیدنی، مولكول‌های مخمر جو سیاه را با مولكول‌های نوشیدنی شیرین افسنطین تركیب می‌كند، فناوری‌نانو اطلاق كنیم.
حال به سراغ تعریفی می‌رویم كه كاربرد بیشتری دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما برای رسیدن اهداف‌مان در این مقاله بیشتر كمك خواهد كرد:
به گفته بروس ویزمن، استاد دانشگاه رایس كه اولین مركز تحقیقاتی دانشگاه فناوری‌نانو در آمریكا را در سال 1993 تأسیس كرده است یك هم‌گرائی در جامعة علمی برای رسیدن به یك تعریف استاندارد شده وجود دارد كه می‌توان آن را این گونه بیان كرد: دستكاری ماده در سطح مولكولی و اتمی برای به وجود آوردن ساختارهای مهندسی شده برای كاربردهای معین.
تأثیرات فناروی نانو بر فناوری فوتونیك چقدر خواهد بود؟
به طور بالقوه بسیار زیاد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانویه 2005 به وسیله Business Communications (Norwalk)، بازار جهانی تجهیزات نانوفوتونیك از 421 میلیون دلار در سال 2004 به 3/9 میلیارد دلار در سال 2009 خواهد رسید كه كاربردهایی كلیدی، بین دیودهای نورافشان و نور میدان- نزدیك متغیر خواهد بود.
حوزه‌های كاربردی نانوفوتونیك
یكی از گزارش‌هایی كه امسال توسط شركت Strategies با مسئولیت نامحدود در mountainview كانادا منتشر شده است، اشاره می‌كند كه كاربردهای كوتاه مدت نانوفوتونیك به چهار دسته اصلی نمایشگرها، دیودها، نورافشان، سلول‌های خورشیدی (دریافت كننده‌های انرژی خورشیدی) و حسگرهای زیست شیمیایی تقسیم خواهد شد و بازار نهایی آن از مسائل مربوط به امنیت و پزشكی تا هوش كنترل شده و فناوری اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.
در حوزه فناوری‌های تواناساز سه فناوری كه رشد بیشتری نسبت به دیگر فناوری‌های نانوفوتونیك داشته‌اند نقاط كوانتومی، نانولوله‌های كربنی و بلور‌های فوتونیكی بوده‌اند.
نقاط كوانتومی در حجم وسیعی برای كاربردهایی چون زیست پزشكی تولید می‌شوند. همین طور نانولوله‌های كربنی كاربردهای جدیدی در خودرو، پزشكی، نمایشگرها و محاسبات می‌یابند. بلور‌های فوتونیكی نیز به جهان نانو هجوم آورده‌اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور‌های فوتونیك برای ساخت مدارهای نانوفوتونیك استفاده می‌كنند ‌(كه هم‌اكنون 200 تا 300 نانومتر هستند) كه هدف نهایی آنها به وجود آوردن ‌نانوفوتونیك با قابلیت تطبیق‌پذیری با نیمه‌رساناهای اكسید فلزی یا همان CMOSها برای دستیابی به تولید انبوه مدار مجتمع‌های فوتونیكی و به طور تدریجی مدارهای نانوئی 100 نانومتری و كوچكتر است.
شناسایی زیرساخت‌های حیاتی برای توسعه نانوفوتونیك :
سؤالی كه پیش آمد این است كه در صورتی كه كشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونیك پرداخته و از كاربردهای آن بهره‌مند گردد، كدام فناوری‌ها نقش حیاتی‌تری را در این راه ایفا خواهند كرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش برای دسترسی به آنها در اولویت قرار خواهد گرفت كه البته پاسخ به چنین سؤالی نیاز به تحقیقات عمیق و طولانی مدت دارد كه از حوصلة این مقاله خارج است ولی برای به دست آوردن یك پاسخ ابتدایی و نسبتاً منطقی می‌توان از یك مدل ساده استفاده كرد.
ابتدا باید كاربردهای اصلی نانوفوتونیك و فناوری‌های مربوط به هر كدام را شناسایی نمود و بررسی كرد كدام فناوری‌ها به اكثر كاربردهای مادر مربوط می‌شوند كه البته در این راه باید به دلیل یافتن پاسخی قطعی‌تر برای كاربردهای مختلف است ضریبی قائل شد. فناوری‌هایی كه از اهمیت كمتری برخوردارند و نمره بالائی كسب نكرده، مشخص شوند تا تلاش برای دسترسی به آنها باعث صرف منابع در زمینه‌های بدون اولویت نشود.
همان طور كه ذكر كردیم كاربردهای كوتاه مدت و سودآوری نانوفوتونیك به چهار دسته اصلی نمایشگرهای دیود نورافشان، پیل‌های خورشیدی و حسگرهای زیست شیمیایی تقسیم خواهند شد، پس ما برای فناوری‌های مربوط به این 4 دسته ضریب 2 قائل خواهیم شد.

كاربردها

فناوری‌های مرتبط

نمایشگرها نانولوله‌های كربنی، نانوذرات
دیودهای نورافشان نانوذرات، بلور‌های فوتونیكی
سلول‌های خورشیدی نانوسیم، فولرین‌های كربنی، فناوری مواد آلی، نانوذرات
حسگرها وعلامت‌گذارهای سیال زیست شیمیایی نانوذرات، نانوسیم، بلور‌های فوتونیكی، نانوسیالات، SPR (تشدید پلاسمون سطح ما فیبرهای میكروساختار، فوتونیك‌های سیلیكونی
لیزرهای دیودی نقاط كوانتومی، بلور‌های فوتونیكی
ارتباط درونی تراشه نانوذرات، بلور‌های فوتونیكی، فوتونیك‌های سیلیكونی
حسگرها و جفتگرهای نوری نانوذرات، فوتونیك‌های سیلیكونی
لیتوگرافی با ابزار لیزر اپتیك‌های زیر طول موج
فیبرهای ویژه فیبرهای میكروساختار

شكل 2- كاربردهای اصلی نانوفوتونیك و فناوری‌‌های مرتبط

  نما
یشگر
ها 2×
دیود
ها نور
افشان2×
 

سلول
‌های خورشید
ی

 

حسگر
ها و علامت
‌گذارهای
زیست شیمیا
یی

 
لیزر
های دیودی
ارتباط درون تراشه حسگر
ها و جفتگر
های نوری
لیتو
رافی با ابزار لیزر
فیبر
های ویژه
نانولوله‌
های
كربنی
ü                
نانوذرات ü ü   ü ü ü ü    
بلورهای فوتونیكی   ü   ü   ü      
نانوسیم     ü ü          
فولرین‌های كربنی     ü            
فناوری مواد آلی     ü            
نانوسیالات       ü          
SPR (تشدید پلاسمون سطح)       ü          
فیبرهای میكرو
ساختار
      ü         ü
فوتونیك
‌های سیلیكو
نی
      ü ü ü      
اپتیك
‌های زیر طول
موج
            ü    
نقاط كوانتومی       ü          

شكل 3- بررسی بر كاربردترین فناوری‌ها در نانوفوتونیك

نمره محاسبه شده برای هر یك از فناوری‌ها بدون اعمال ضریب:

نانوذرات= 5 بلور‌های فوتونیكی=4 فوتونیك‌های سیلیكونی=3  نانوسیم= 2 فیبرهای میكروساختار= 2
فولرین‌های كربن= 1 فناوری مواد آلی= 1 نانوسیالات= 1 SPR= 1 نانولوله‌های كربنی= 1
اپتیك‌های لیزر زیر طول موج=    نقاط كوانتومی= 1    

اولویت‌های به دست آمده بدون اعمال ضریب:

1- نانوذرات
2- بلور‌های فوتونیكی
 3-فوتونیك‌های سیلیكونی
4- نانوسیم
5- فیبرهای میكروساختار

نمره محاسبه شده برای هر یك از فناوری‌ها با اعمال ضریب:

نانولوله‌های كربنی=2   نانوذرات= 8
بلور‌های فوتونیكی=6

فناوری‌ مواد آلی=2

فولرین‌های كربنی = 2 فوتونیك‌های سیلیكونی=5
SPR= 2 نقاط كوانتومی=1
فیبرهای میكروساختار=3 نانوسیم=4
اپتیك‌های زیر طول موج=1 نانوسیالات=2
اولویت‌های به دست آمده با اعمال ضریب:
1- نانوذرات
2- بلور‌های فوتونیكی
3-فوتونیك‌های سیلیكونی
4 - نانوسیم  
5- فیبرهای میكروساختار

همان گونه كه ملاحظه نمودید نتایج به دست آمده در هر دو روش یكسان می‌باشد كه این مسأله می‌تواند به معنای تأكید بر اولویت‌های به دست آمده باشد.
مراكز مهم تجاری نانوفوتونیك در جهان
مسأله بعدی یافتن راهكارهایی برای توسعه این فناوری‌ها و در مرحله بعد تجاری‌سازی كالاهای نانوفوتونیك است كه به احتمال قوی و طبق نتایج به دست آمده تحقیقات مدیریت راهبردی، یكی از مؤثرترین این راهكارها همكاری با مؤسسات مهم تجاری و تحقیقاتی نانوفوتونیك دنیا است.
در این مقاله ما به اختصار به معرفی مراكز پیشرو تجارت نانو فوتونیك در جهان می‌پردازیم،‌ ضمن این كه مراكز تحقیقاتی و دانشگاهی نانوفوتونیك در مقاله‌ای دیگر به طور جداگانه بررسی خواهند شد.
• در زمینه نانوذرات و نانوبلور‌ها شركت‌ها Evident technology در نیویورك آمریكا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترین شركت‌ها هستند.
• در زمینه استفاده از نانولوله‌ در نمایشگرها شركت DuPont در دلاویر آمریكا و Samsung در سئول كره جنوبی مهمترین مراكزند.
• شركت‌های Konarka در ماساچوست آمریكا و STMicroelectronics در جنوا سوئیس فعالترین مراكز تجاری درباره سلول‌های خورشیدی هستند و بزرگترین شركت‌هایی كه درباره سیم‌ها و بلور‌های فوتونیكی فعال هستند. NanoOpto در نیوجرسی آمریكا و LittleOptics در مری لند آمریكا هستند.
آینده و چالش‌های نانوفوتونیك
در طول سال‌ها، نانوفوتونیك از توسعه مواد در نیمه‌رساناها و مفاهیم توسعه در فیزیك اتمی و خود سامانی در علوم شیمی سود برده است و این مسئله منجر به این شده است كه بازۀ وسیعی از مفاهیم و كاربردها زیر چتر نانوفوتونیك قرار گرفته و راهی را به سوی فوتونیك مولكولی باز كرده‌اند كه چشم‌انداز فوق‌العاده‌ای را به ما می‌نمایاند.
اگر چه هنوز اپتیك و لیزر ابزارهای مقدماتی در تجارت نانو هستند، ولی جالب است ذكر كنیم كه در حالی كه فوتونیك بیشتر شامل تجهیزات سامانه‌ها و زیرسامانه‌ها‌ است، نانوفوتونیك بیشتر به كاربردهای فناوری‌های اپتیكی موجودبرای ساخت، دستكاری و تصویربرداری از اشیاء در قطع‌های نانوئی و مولكولی می‌پردازد.
در حقیقت یكی از كاربردهای اصلی نانومقیاس در فناوری‌های نوری تعیین مشخصات است، كه در كاربرد فلوئورسانس و طیف‌نمائی نوری و تكنیك‌های مرتبط در تحقیقات برای تعیین مشخصات بهتر با ابزاری مانند مواد نانولوله‌ای و فرآیندهای مولكولی شاخص‌ترین موارد هستند.
یشرفت‌های به دست آمده در تكنیك‌های نوری و غیر نوری منجر به تصاویر با دقت بسیار بالا از اشیاء بسیار ریز می‌باشد.
محققان بیان می‌كنند كه در تمام تحقیقات نانوئی از روش‌های مشابهی از تعیین مشخصات به وسیله نور استفاده شده است ولی مشكل اصلی نانوساختارها مانند نانولوله‌ها، تفاوت‌های ساختاری فراوان آنها است كه چالش‌هایی ‌را فراروی "گزینش انتخابی" قرار داده است. محققان این رشته باید به طور مداوم با چنین مشكلی دست و پنجه نرم كنند.
حل این مسأله برای تولید انبوه و در مقیاس بالای فناوری‌ها و تجهیزات نانوفوتونیكی حیاتی است. حتی نانولوله‌های كربنی نیز كه هم اكنون در حجم‌های تقریباً انبوه توسط بعضی تولید كنندگان ساخته می‌شوند هنوز از عدم وجود استانداردهای قابل اطمینان رنج می‌برند كه این مسأله تأثیر مهمی بر كارآئی بسیاری از كاربردهایش دارد.
محققان در آزمایشگاه‌های مختلف از روش‌های مختلف استفاده می‌كنند و این گونه است كه نتایج كار آنها می‌تواند متفاوت باشد و تولید كنندگان نانولوله‌ها در كنترل تركیبات محصول دچار مشكلاتی اساسی می‌شوند كه این مسأله در حقیقت، تحقیقات و بعضی از جنبه‌های تجاری‌سازی را كند می‌كند. با این موضوع همچنین از بعضی از كاربردهای بسیار ظریف كه می‌توانند از خواص نوری بسیاری دقیق سود برند، جلوگیری می‌كند. بنابر این تلاش‌های بسیاری برای تولید نانولوله‌های كربنی با كنترل و گزینش بیشتر صورت می‌گیرد.
از سوی دیگری تلاش‌ها به سمت كنترل تغییرات خواص مواد متمركز شده است كه در حین ساختار یافتن اشیاء به كمك نور رخ می‌دهد.
دیگر محققان نیز در حل كار بر روی نانومواد و نانوتجهیزاتی هستند كه از لحاظ زیست محیطی و زیستی سازگارتر باشند. از سوی دیگر، هزینه بالا،‌ زمان بر بودن و قابلیت بالقوه تخریب طبیعی دیگر چالش‌هایی بوده‌اند كه گروهی از محققان را واداشته است كه برای استفاده از فرآیندهای طبیعی نانوئی مانند خزه‌های دریایی و نوعی از غبار كه فرآیندهای نانوئی در آن رخ می‌دهد در محصولات و سطوح دیگر تلاش‌هایی را صورت دهند.

منابع :
Small Times Magazineصحفه 30 Larry Bock, Nanosys, July/ August 2003.
Nanophotonics: A marketing challenge Tom Hausken Laserfocusworld December 2004
Global community charts a course for Nanophotonics KATHYKINCADE laserfocusworld August 2005
 
منبع http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=302
 
 

نوشته شده در تاریخ پنجشنبه 26 آبان 1390    | توسط: سیدمحمدامین شاهمرادی    |    | لطفا نظر بدهید()