ഡോ. ശിവദാസൻ എ കെ

സെന്റർ ഫോർ മെറ്റീരിയൽസ് ഫോർ ഇലക്ട്രോണിക്ക് ടെക്നോളജി, തൃശൂർ (C-MET, Thrissur),

Centre for Materials for Electronics Technology, Thrissur

• Youtube
• Email
• Website

ആമുഖം

കാഴ്ചയില്ലാത്ത ഒരു ജീവിതത്തിനെ പറ്റി നമുക്ക് സങ്കൽപ്പിക്കാൻ കഴിയുകയില്ല. അതുപോലെ തന്നെ കാണാൻ പറ്റാത്ത കാഴ്ചകൾ കാണണം എന്നുള്ള ജിജ്ഞാസ നമുക്ക് എല്ലായിപ്പോഴും ഉള്ളതാണ്. എന്നിരുന്നാലും നമ്മുടെ കണ്ണിന് വസ്തുക്കളുടെ വലിപ്പം  തിരിച്ചറിയാനുള്ള കഴിവിന് ഒരു പരിധിയുണ്ടെന്ന് അറിയാമല്ലോ? ഈ പരിധി പ്രകാരം നമ്മുടെ കണ്ണിനു 0.1 മില്ലി മീറ്റർ (100 മൈക്രോമീറ്റർ) വരെ വലുപ്പമുള്ള വസ്തുക്കൾ മാത്രമേ തിരിച്ചറിയാൻ സാധിക്കുകയുള്ളൂ. അതിലും ചെറിയ വസ്തുക്കളെ ഒരു മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ (Microscope) സഹായത്തോടുകൂടി മാത്രമേ നമുക്ക് തിരിച്ചറിയാൻ സാധിക്കുകയുള്ളൂ. എന്നിരുന്നാലും മൈക്രോസ്കോപ്പിനും ഒരു മൈക്രോമീറ്ററിനും താഴെയുള്ള വസ്തുക്കളെ തിരിച്ചറിയാൻ ബുദ്ധിമുട്ടാണ്. കാരണം മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ റെസല്യൂഷൻ എന്നു പറയുന്നത് ഒരു മൈക്രോമീറ്റർ മാത്രമാണ്. ഈ അവസരത്തിൽ മൈക്രോമീറ്ററിനും വളരെ താഴെ മാത്രം വലിപ്പം വരുന്ന (1 മൈക്രോമീറ്റർ = 1000 നാനോമീറ്റർ) പദാർത്ഥങ്ങളെ എങ്ങനെയാണ് നമുക്ക് കാണുവാൻ സാധിക്കുക? സാധിക്കും! പ്രകാശത്തിന് പകരം ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗ സ്വഭാവം ഉപയോഗിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്ന നൂതന സാങ്കേതികവിദ്യയായ സ്കാനിങ് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പി (Scanning Electron Microscope, SEM) ന്റെയും ടണലിംഗ് ഇലട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെയും (Tunneling Electron Microscope, TEM) കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെയും സഹായത്തോടുകൂടി നമുക്ക് കാണുവാനും പഠിക്കുവാനും സാധിക്കുന്നു. പക്ഷേ നമുക്ക് ഒരു ഒറ്റക്കണികയായ നാനോപദാർത്ഥം (Single Nanoparticle) എങ്ങനെയാണ് പ്രകാശവുമായി സംവദിക്കുന്നത് എന്നാണ് പഠിക്കേണ്ടതെങ്കിലോ? ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളെ കാണുവാൻ സാധിക്കുമെങ്കിലും അത് എങ്ങനെയാണ് പ്രകാശവുമായി സംവദിക്കുന്നത് എന്ന് നമുക്ക് പഠിക്കാൻ സാധിക്കാതെ വരുന്നു. കാരണം ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിൽ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ പ്രവാഹം മാത്രമേ ഉള്ളൂ, പ്രകാശത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം ഇല്ല. നേരെ തിരിച്ച് സാധാരണ മൈക്രോസ്കോപ്പിൽ പ്രകാശമുണ്ട്. എന്നാൽ നാനോ കണികകളെ (Nanoparticle, NP) തിരിച്ചറിയാൻ സാധിക്കുകയില്ല. അങ്ങനെയാണെങ്കിൽ എങ്ങനെയാണ് ഈ പ്രതിസന്ധി നമുക്ക് തരണം ചെയ്യാൻ സാധിക്കുക? ഇതിനെ മറികടക്കാൻ പ്രകാശം എന്ന തരംഗത്തെയും അതുപോലെ തന്നെ തരംഗ സ്വഭാവം കാണിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെയും (Dual nature of particle) സംയോജിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് നമുക്ക് പ്രകാശവും നാനോ കണികയുമായുള്ള പ്രവർത്തനങ്ങളും പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളും പഠിക്കാൻ സാധിക്കുന്നു. ഇങ്ങനെയുള്ള പ്രകാശത്തിന്റെയും ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും തരംഗങ്ങൾ സംയോജിപ്പിച്ചു കൊണ്ടുള്ള പ്ലാസ്മോണുകൾ (Plasmons) ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് നമുക്ക് ഒരു അതിസൂക്ഷ്മ പ്രകാശസ്രോതസ്സ് (Tiny Light-source) ഉണ്ടാക്കുവാനും അത് ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് നമുക്ക് നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ വളരെ അടുത്ത് (near-field) പ്രകാശം എത്തിക്കുവാനും അവയെ വേർതിരിച്ചെടുക്കുവാനും അതോടൊപ്പം ഒരു ഒറ്റക്കണികയായ (Single NP) നാനോ പദാർത്ഥം പോലും എങ്ങനെയാണ് പ്രകാശവുമായി ഇടപെടൽ നടത്തുന്നത് എന്ന് പഠിക്കുവാനും സാധിക്കുന്നു. ഒറ്റക്കണികയായ നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളെ പോലും ഇങ്ങനെ പഠിക്കാൻ സഹായിക്കുന്ന നിയർഫീൽഡ് സ്കാനിങ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പുകളെ  (Near-field Scanning Optical Microscope, NSOM) കുറിച്ചാണ് ഈ ലേഖനത്തിൽ പ്രതിപാദിക്കുന്നത്.

പ്ലാസ്മോൺ കണികകൾ (Plasmons)

നമുക്കറിയാം ലോഹങ്ങൾ വൈദ്യുതിയുടെ നല്ല ചാലകങ്ങളാണ്. അതിനു കാരണം ലോഹങ്ങളിൽ വളരെയധികം ഇലക്ട്രോണിന്റെ പ്രവാഹം സാധ്യമാകുന്നതാണ്. അപ്പോൾ നമ്മൾ സ്വർണ്ണം, വെള്ളി (Gold, Au), എന്നിവയുടെ നാനോ കണങ്ങൾ എടുക്കുകയാണെങ്കിൽ പോലും അതിൽ യഥേഷ്ടം ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉള്ളതായി കാണപ്പെടുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് നെഗറ്റീവ് ചാർജ് ഉള്ളതിനാൽ അത് പോസിറ്റീവ് ചാർജിന് അടുത്ത് വരുമ്പോൾ ആകർഷിക്കുകയും നെഗറ്റീവ് ചാർജിന് അടുത്ത് വരുമ്പോൾ വികർഷിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അപ്പോൾ ഒരു ഗോൾഡ് നാനോ കണം (Au NP) ഇലക്ട്രോ മാഗ്നറ്റിക് ഫീൽഡിന് (EM-field) അടുത്ത് വരികയാണെങ്കിലോ? ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് ഫീൽഡിന് ഒരു പോസിറ്റീവ് ആവൃത്തിയും അതുപോലെ ഒരു നെഗറ്റീവ് ആവൃത്തിയും ഉണ്ട് (ചിത്രം 1).

പോസിറ്റീവ് ആവൃത്തിക്കനുസരിച്ച് നാനോ കണത്തിലെ ഇലക്ട്രോണുകൾ ആകർഷിക്കപ്പെടുകയും നെഗറ്റീവ് ആവൃത്തിക്കനുസരിച്ച് അവ വികർഷിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. ആയതിനാൽ ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് വികിരണത്തിന്റെ (പ്രകാശത്തിന്റെ) ആവൃത്തിക്കനുസരിച്ച് ചിത്രം ഒന്നിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു ദോലനത്തിൽ ഏർപ്പെടുകയും ഒരു പ്രത്യേക ആവൃത്തിയിൽ ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക്ക് വികിരണത്തിന്റെ ദോലനവും ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ദോലനവും  താദാത്മ്യം പ്രാപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെയുള്ള പ്രകാശത്തിന്റെയും ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും ഒന്നിച്ചുള്ള ദോലനത്തിനെയാണ് പ്ലാസ്മോൺസ് (Plasmons) എന്നുപറയുന്നത്. ഈ ഇരുവിധ ദോലത്തിന്റെയും ആവർത്തി തദാത്മ്യം പ്രാപിച്ച ഏറ്റവും ഉന്നതിയിൽ എത്തുന്ന പ്രക്രിയയാണ് പ്ലാസ്മോൺ റിസോനെൻസ് (Resonance) എന്നു പറയുന്നത്. ഈ അവസരത്തിൽ ഇലക്ട്രോണുകളും പ്രകാശത്തിന്റെ ഫോട്ടോൺസും ഒരു അനുനയത്തിൽ എത്തുകയും പോളറെറ്റോൺസ് (Polaritons, ഇലക്ട്രോണുകളും ഫോട്ടോണുകളും കൂടിച്ചേർന്ന അവസ്ഥ) ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെയുണ്ടാകുന്ന പോളറൈറ്റോൺസ് ഗോൾഡ് നാനോ കണികകളുടെ വലിപ്പത്തിനനുസരിച്ച് പ്രകാശത്തിന്റെ ഒരു അതി സൂക്ഷ്മ സ്രോതസ്സായി (Tiny light-source) മാറുകയും ചെയ്യുന്നു. അതായത് നമ്മുടെ ഗോൾഡ് നാനോ കണങ്ങളുടെ വലുപ്പത്തിലുള്ള ഒരു ‘നാനോ ടോർച്ച്’ എന്ന് വേണമെങ്കിൽ നാടൻ ഭാഷയിൽ വിശേഷിപ്പിക്കാം. ഈ നാനോ ടോർച്ച് ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് സാധാരണ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ റെസൊല്യൂഷനും അപ്പുറത്തുള്ള നാനോ കണങ്ങളുടെ പ്രകാശം വച്ചുകൊണ്ടുള്ള ഇമേജിങ് സാധ്യമാകുന്നു. ഈ പ്രക്രിയയാണ് നാനോസ്കോപ്പി (Nanoscopy) എന്ന് അറിയപ്പെടുന്നത്.

നിയർ-ഫീൽഡ് സ്കാനിങ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പി (Near-field Scanning Optical Microscopy, NSOM)

നാനോ മെറ്റാലിക് കണികകളിൽ നിന്നോ അതുപോലെ നാനോ മീറ്റർ വലിപ്പം മാത്രമുള്ള Aperture ൽ നിന്നോ വരുന്ന മുകളിൽ പ്രതിപാദിച്ചത് പോലുള്ള അതി സൂക്ഷ്മ പ്രകാശസ്രോതസ്സുകൾ ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ വളരെ അടുത്തു നിന്നും (Near-field) എടുക്കുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രവർത്തനത്തെയോ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തെയോ ആണ് നിയർ ഫീൽഡ് ഇൻ്ററാക്ഷൻ (Near-field light-matter interaction) എന്നു പറയുന്നത്. ഈ ഇന്ററാക്ഷന്റെ പരിണിതഫലമായി ഉണ്ടാകുന്ന ഇമേജിനെയാണ് നിയർഫീൽഡ് ഇമേജ് എന്ന് പറയുന്നത്. ഇത്തരത്തിലുള്ള പ്രകാശത്തിന്റെ നിയർഫീൽഡ് ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് ഇമേജിങ് ചെയ്യുന്ന Nanoscopic ഉപകരണത്തിന്റെ രേഖാചിത്രമാണ് (ചിത്രം 2) ചുവടെ കൊടുത്തിരിക്കുന്നത്. 

പ്രകാശ സ്രോതസായ ലേസറിൽ നിന്നും ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ വഴി പ്രകാശം ഒരു നാനോ അപ്പർച്ചറിൽ എത്തുകയും അത് അതിനോട് വളരെ അടുത്തുവരുന്ന മറ്റ് നാനോ പദാർത്ഥങ്ങളുമായി പ്രവർത്തനത്തിൽ ഏർപ്പെടുകയും അതിനു ശേഷം പുറത്തുവരുന്ന പ്രകാശത്തിനെ ഒരു ഡിറ്റക്ടറിൽ എത്തിക്കുകയും ഇമേജ് രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇത്തരത്തിലുള്ള നിയർ ഫീൽഡ് സ്കാനിങ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ (NSOM) ഒരു യഥാർത്ഥ ചിത്രമാണ് (ചിത്രം 3) ചുവടെ കൊടുത്തിട്ടുള്ളത്.

നിയർഫീൽഡ് ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇമേജ് (നാനോസ്കോപി) Near- field optical image (Nanoscopic Image)

നിയർഫീൽഡ് സ്കാനിങ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ടുള്ള ഒരു നാനോസ്കോപിക് ഇമേജ് (ചിത്രം 4) ആണ് ചുവടെ കൊടുത്തിട്ടുള്ളത്. 

ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് ഏകദേശം 100 നാനോ മീറ്റർ വലിപ്പം മാത്രം വരുന്ന ഗോൾഡ് നാനോ കണങ്ങളുടെ ചിത്രങ്ങളാണ് നമ്മൾ ദ്വിമാന രൂപത്തിലും ത്രിമാന രൂപത്തിലും ഇവിടെ കൊടുത്തിരിക്കുന്നത്. ദ്വിമാന ചിത്രത്തിലെ അറ്റോമിക്ക് ഫോഴ്സ് മൈക്രോസ്കോപ്പിലെ  (Atomic Force Microscope, AFM) ചിത്രങ്ങളും നിയര്‍ഫീൽഡ് ചിത്രങ്ങളും  നമുക്ക് ഒരുപോലെയുള്ള ഇമേജ് തന്നെയാണ് തരുന്നത്. രണ്ടു ചിത്രങ്ങളിലും നാനോ മീറ്റർ വലിപ്പം മാത്രമുള്ള ഗോൾഡ് കണികകളെ വളരെ വ്യക്തമായി തന്നെ ഇമേജ് ചെയ്തിട്ടുണ്ട്. ഇത് ത്രിമാന ചിത്രത്തിലും നമുക്ക് കാണുവാൻ സാധിക്കും. പക്ഷേ നിയർഫീൽഡ് ഇമേജിൽ നോക്കിയാൽ നമുക്ക് മനസ്സിലാവും ദ്വിമാനചിത്രം dark ആയും ത്രിമാന ചിത്രം ഒരു pit (കുഴി) യായും കാണപ്പെടുന്നു. ഇതിനു കാരണം നമ്മൾ കൊടുക്കുന്ന നിയർഫീൽഡ് പ്രകാശ സ്രോതസ്സിലെ പ്രകാശത്തിന് ഗോൾഡ് നാനോ കണങ്ങളിലെ പ്ലാസ്മോൺ ഉപയോഗിച്ച് അതിന്റെ ഉപരിതലത്തിലുള്ള പ്ലാസ്മോൺ പോളറൈറ്റോൺസ് (Surface Plasmon Polaritons, SPP) ആയി മാറുകയും ചെയ്യുന്നു. തന്മൂലം പ്രകാശത്തിന്റെ ഫോട്ടോൺസും ഇലക്ട്രോൺസും കൂടിച്ചേർന്നുള്ള അവസ്ഥയായി മാറുകയും പ്രകാശത്തിന്റെ പ്രതിഫലനം ഇല്ലാതാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ആയതിനാൽ, അത് ഇമേജ് ചെയ്യുന്ന ഡീറ്റെക്റട്ടറിൽ പ്രകാശം എത്താതെ വരികയും, ക്രമേണ രൂപപ്പെടുന്ന ദ്വിമാന ചിത്രത്തിൽ dark ആയും ത്രിമാന ചിത്രത്തിൽ dark pit ആയും കാണിക്കുന്നു. ഒരു നിയർ ഫീൽഡ് സ്കാനിങ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ് (NSOM) ഉപയോഗിച്ച് നാനോസ്കോപിക് ഇമേജ് എടുക്കുന്നതിനുള്ള അടിസ്ഥാന തത്വം ഇങ്ങനെയാണ്.

References :-

1. L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge University Press, 2006).
2. S.  Kawata, Y.  Inouye and P.  Verma, Nature Photonics, 3, 388 (2009)
3. W. L. Barnes, A. Dereux and T. W. Ebbesen Nature, 424, 824 (2003)
4. R. Howland, L. Benatar, A Practical Guide: To Scanning Probe Microscopy, DIANE Publishing Company (1998)
5. M. R. Beversluis, A. Bouhelier and L. Novotny, Phys. Rev. B. 68, 115433 (2003)
6. A. K. Sivadasan, S. Parida, S. Ghosh, R. Pandian, S. Dhara, Nanotechnology. 28 (46), 465703 (2017)

ഡോ.എ.കെ.ശിവദാസന്റെ സയൻസ് സ്ലാം അവതരണം കാണാം

Happy

0 0 %

Sad

0 0 %

Excited

0 0 %

Sleepy

0 0 %

Angry

0 0 %

Surprise

0 0 %