धातूंच्या प्रकाशीय गुणधर्मांवर यांत्रिक ताणाने नियंत्रण; भारतीय संशोधकांची नॅनोफोटॉनिक्समध्ये महत्त्वपूर्ण कामगिरी
बेंगळुरू: भारतीय संशोधकांनी धातूंच्या प्रकाशीय (ऑप्टिकल) गुणधर्मांबाबतचा अनेक दशकांपासूनचा वैज्ञानिक समज बदलणारा महत्त्वाचा शोध लावला आहे. यांत्रिक ताण (Mechanical Strain) लागू करून धातू प्रकाशाशी कसा संवाद साधतो, हे नियंत्रित करता येते, हे त्यांनी प्रथमच सिद्ध केले आहे. या संशोधनामुळे भविष्यात पुनर्संरचित (Reconfigurable) आणि प्रोग्रामेबल नॅनोफोटॉनिक उपकरणांच्या विकासाला नवी दिशा मिळण्याची शक्यता आहे. विशेष म्हणजे ही तंत्रज्ञान पद्धत विद्यमान सेमिकंडक्टर उत्पादन प्रक्रियेशी पूर्णपणे सुसंगत आहे.
धातूंमध्ये प्रकाशाला त्याच्या तरंगलांबीपेक्षा अत्यंत लहान जागेत केंद्रित करण्याची क्षमता असते. या प्रक्रियेला प्लाझ्मॉन रिझोनन्स म्हणतात. याच गुणधर्मामुळे अतिसंवेदनशील रासायनिक सेन्सर्स, कर्करोग निदान, सूक्ष्म फोटॉनिक सर्किट्स आणि मेटासर्फेस-आधारित ऑप्टिकल उपकरणांसारख्या आधुनिक तंत्रज्ञानाचा पाया तयार होतो. आतापर्यंत धातूची प्लाझ्मा फ्रिक्वेन्सी ही त्यातील मुक्त इलेक्ट्रॉन्सच्या संख्येवर अवलंबून असून ती निश्चित मानली जात होती.
जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर अॅडव्हान्स्ड सायंटिफिक रिसर्च (JNCASR) या विज्ञान व तंत्रज्ञान विभागाच्या (DST) स्वायत्त संस्थेतील संशोधकांनी टायटॅनियम नायट्राइड (TiN) या पदार्थाच्या अतिपातळ फिल्म्सचा वापर करून हा अभ्यास केला. TiN हा उष्णता व रासायनिकदृष्ट्या स्थिर असून त्याचे प्लाझ्मॉनिक गुणधर्म सोन्यासारखे आहेत. तसेच तो CMOS चिप उत्पादन प्रक्रियेशीही सुसंगत आहे.
संशोधकांनी १० नॅनोमीटर जाडीच्या दोन TiN फिल्म्स तयार केल्या. त्यापैकी एक ताणमुक्त होती, तर दुसऱ्या फिल्मवर अॅल्युमिनियम-स्कँडियम नायट्राइड (Al₀.₃Sc₀.₇N) बफर लेयरच्या साहाय्याने नियंत्रित ताण निर्माण करण्यात आला. त्यानंतर स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप आणि इलेक्ट्रॉन एनर्जी लॉस स्पेक्ट्रोस्कोपी (EELS) या अत्याधुनिक तंत्रज्ञानाद्वारे प्लाझ्मॉन रिझोनन्सचा अभ्यास करण्यात आला.
या प्रयोगात ताण दिलेल्या TiN फिल्ममध्ये प्लाझ्मॉन रिझोनन्स ऊर्जा ०.३० ते ०.४५ इलेक्ट्रॉन व्होल्टने वाढल्याचे आढळले. हा बदल स्थानिक ताणाच्या प्रमाणाशी सुसंगत असल्याचेही स्पष्ट झाले. त्यामुळे यांत्रिक ताणामुळे धातूच्या अंतर्गत इलेक्ट्रॉनिक प्रतिसादात थेट बदल होत असल्याचे संशोधनातून सिद्ध झाले.
या बदलामागील कारण समजून घेण्यासाठी संशोधकांनी डेन्सिटी फंक्शनल थिअरी (DFT) आधारित संगणकीय विश्लेषण केले. त्यातून असे दिसून आले की ताणामुळे TiN मध्ये नायट्रोजन रिक्त जागा (Nitrogen Vacancies) तयार होणे अधिक सोपे होते. या रिक्त जागा अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन्स उपलब्ध करून देतात, त्यामुळे मुक्त इलेक्ट्रॉन्सची संख्या वाढते आणि प्लाझ्मा फ्रिक्वेन्सीमध्ये वाढ होऊन प्लाझ्मॉन रिझोनन्समध्ये दिसणारा बदल घडतो. स्पेक्ट्रोस्कोपिक एलिप्सोमेट्री आणि उच्च-रिझोल्यूशन एक्स-रे विवर्तन चाचण्यांनीही या निष्कर्षांना पुष्टी दिली.
JNCASR मधील सहयोगी प्राध्यापक आणि या संशोधनाचे प्रमुख लेखक प्रा. बिवास साहा यांनी सांगितले की, यांत्रिक ताण हा धातूंच्या प्लाझ्मॉनिक गुणधर्मांवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी प्रभावी आणि यापूर्वी फारसा न वापरलेला मार्ग आहे. CMOS-सुसंगत TiN सारख्या पदार्थामध्ये प्रकाशीय गुणधर्म यांत्रिकरीत्या बदलण्याची क्षमता उपलब्ध झाल्याने प्लाझ्मॉनिक्स हे स्थिर तंत्रज्ञान न राहता सक्रिय आणि प्रोग्रामेबल स्वरूपात विकसित होऊ शकते.
या संशोधनात JNCASR व्यतिरिक्त ऑस्ट्रेलियातील युनिव्हर्सिटी ऑफ सिडनी येथील डॉ. मॅग्नस गारब्रेख्ट, विजय भाटिया आणि आशालथा इंदिरादेवी कमलासनन पिल्लई यांनीही सहभाग घेतला. हा संशोधनप्रबंध २०२६ मध्ये नॅनो लेटर्स (American Chemical Society) या प्रतिष्ठित वैज्ञानिक नियतकालिकात प्रकाशित झाला आहे.