कृत्रिम हीरे के अनुप्रयोग में तेजी लाने के लिए फोटोनिक्स प्रौद्योगिकी विकास

सिंथेटिक हीरे के उत्पादन में प्रगति ने नई फोटोनिक्स प्रौद्योगिकियों को संभव बना दिया है, लेकिन क्वांटम अनुप्रयोगों की सेवा में इन नई प्रौद्योगिकियों के लिए कई चुनौतियां बनी हुई हैं।
पिछले एक दशक में, कई प्रमुख प्रौद्योगिकी रुझानों और बाजार की मांग से प्रेरित होकर, हीरे के विशेष भौतिक गुणों का लाभ उठाने वाली कई वाणिज्यिक, उभरती हुई फोटोनिक्स प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण प्रगति देखी गई है। रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), हीरे के रंग केंद्र इंजीनियरिंग और हीरे के ऑप्टिकल घटकों और फोटोनिक संरचनाओं के निर्माण के लिए प्रौद्योगिकियों द्वारा ऑप्टिकल गुणवत्ता वाले हीरे के संश्लेषण में नवाचारों ने इन प्रगति को संभव बना दिया है।
हीरे के उत्कृष्ट आंतरिक गुणों पर आधारित फोटोनिक्स अनुप्रयोग
High purity diamond exhibits transparency in the frequency range from ultraviolet to terahertz and beyond. It has the highest room temperature thermal conductivity of any bulk material (>तांबे से 5 गुना), जबकि थर्मो-ऑप्टिकल गुणांक कम है। ये गुण डायमंड ऑप्टिक्स को मशीनिंग, वेल्डिंग और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सहित उच्च-शक्ति औद्योगिक लेजर अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं, जहां यह विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के कई अलग-अलग हिस्सों पर लागू होता है।
इसके अलावा, हीरा पृथ्वी पर ज्ञात सबसे कठोर पदार्थ है, और यह बेहद कठोर और ऊबड़-खाबड़ है, जो इसे रक्षा और सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए भी आदर्श बनाता है, जिसके लिए मजबूत ऑप्टिकल और अवरक्त घटकों और बहुत चुनौतीपूर्ण वातावरण में कार्य करने की क्षमता की आवश्यकता होती है।
ऑप्टिकल गुणवत्ता वाला सीवीडी हीरा एकल क्रिस्टल और पॉलीक्रिस्टलाइन रूपों में उपलब्ध है। पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे का लाभ यह है कि इसका उपयोग 135 मिमी व्यास तक के बड़े क्षेत्र के उपकरणों के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग सबसे उन्नत सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण नोड्स के लिए अत्यधिक पराबैंगनी (ईयूवी) लिथोग्राफी सिस्टम के लिए उच्च-शक्ति 10.6 μm CO2 लेजर के लिए एक विंडो के रूप में किया जा सकता है।
यह तकनीक, जो मूर के नियम के साथ तालमेल बिठाकर संचालित होती है, कड़े ऑप्टिकल गुणवत्ता मानकों के लिए हीरे की खिड़कियों के संश्लेषण और प्रसंस्करण पर बहुत अधिक निर्भर करती है, क्योंकि कोई भी अन्य ऑप्टिकल सामग्री आवश्यक चरम लेजर स्थितियों के तहत काम नहीं कर सकती है।
लगभग 1.5 माइक्रोन से कम तरंग दैर्ध्य पर पॉलीक्रिस्टलाइन सीवीडी हीरे में बिखरने के नुकसान का मतलब है कि उस श्रेणी में अधिकांश अनुप्रयोगों को एकल क्रिस्टल हीरे का उपयोग करके संबोधित किया जाता है। वर्तमान में उपलब्ध हीरे के सबस्ट्रेट्स की आकार सीमाओं के कारण, एकल-क्रिस्टल हीरे के तत्व आम तौर पर लगभग 5-10 मिमी लंबाई के होते हैं, और हालांकि कुछ निर्माता गैर-हीरा सब्सट्रेट पर बड़े क्षेत्र के एकल-क्रिस्टल हीरे विकसित कर रहे हैं, लेकिन यह सामग्री नहीं बन सकती है। इसके अपेक्षाकृत उच्च आंतरिक तनाव के कारण इसका उपयोग सभी ऑप्टिकल अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है।
आकार की सीमाओं के बावजूद, कुछ एकल-क्रिस्टल सीवीडी हीरे की फोटोनिक्स तकनीक विकसित की गई हैं, जैसे कि एलीमेंट सिक्स के अद्वितीय कम-प्रकाश-अवशोषित, कम-द्विपरफ्रिंजेंस क्रिस्टल पर आधारित हीरा रमन लेजर।
ये नॉनलाइनियर लेजर पंप बीम को स्टोक्स-शिफ्ट किए गए आउटपुट बीम में परिवर्तित करने के लिए उत्तेजित रमन बिखरने की घटना का फायदा उठाते हैं, इस प्रकार यूवी से आईआर को कवर करने वाले नए अनुप्रयोगों के लिए उपलब्ध लेजर स्रोतों की सीमा का विस्तार करते हैं, जिनमें शामिल हैं: सामग्री वेल्डिंग, 3 डी प्रिंटिंग, निर्देशित ऊर्जा , लिडार, रिमोट सेंसिंग और लेजर गाइडेड स्टार्स (एलजीएस)।
हीरे में उच्चतम रमन लाभ गुणांक है, जो इसकी उत्कृष्ट तापीय चालकता के साथ मिलकर इसे पावर स्केलिंग और चमक बढ़ाने के प्रदर्शन के लिए एक आदर्श लाभ माध्यम बनाता है, जिसमें 1 का "मानव आंख सुरक्षित" वर्णक्रमीय क्षेत्र भी शामिल है। }.8 μm. इस श्रेणी में, उपलब्ध लेजर स्रोतों का विकल्प पहले सीमित कर दिया गया है।
कलर कोर इंजीनियरिंग के माध्यम से हीरे के अनुप्रयोगों का विस्तार
जबकि हीरे में आंतरिक ऑप्टिकल गुणों का एक उत्कृष्ट सेट होता है, इसमें सैकड़ों अलग-अलग ऑप्टिकल सक्रिय दोष (रंग केंद्र) भी होते हैं। इनमें से कुछ तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं जो प्रकाश की क्वांटम स्थिति और रंग केंद्रों के इलेक्ट्रॉन स्पिन गुणों का फायदा उठाते हैं, जिनमें क्वांटम संचार, क्वांटम कंप्यूटिंग और सेंसिंग अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला शामिल है।
विशेष रूप से उल्लेखनीय है नाइट्रोजन वैकेंसी (एनवी) रंग केंद्र - हीरे में एक ल्यूमिनसेंट बिंदु दोष जो कमरे के तापमान पर प्रकाश और आरएफ क्षेत्रों के अनुप्रयोग द्वारा आसानी से अपनी क्वांटम स्थिति में हेरफेर करने की क्षमता के कारण गहन शोध का विषय रहा है।
अंतिम आवेदन प्रक्रिया के आधार पर, कोई दो तरीकों से एनवी रंग केंद्र बना सकता है। एक सीवीडी विकास प्रक्रिया के दौरान नाइट्रोजन की डोपिंग को नियंत्रित करना है ताकि नाइट्रोजन परमाणु वांछित एकाग्रता पर पूरे पदार्थ में वितरित हो जाएं। दूसरी ओर, नाइट्रोजन इंजेक्शन का उपयोग करके, व्यक्तिगत रंग केंद्रों के सटीक स्थानिक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। जाली रिक्तियां तब उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विकिरण द्वारा बनाई जाती हैं, और क्रिस्टल में नाइट्रोजन परमाणुओं के साथ बंधन के लिए रिक्तियों को जुटाने के लिए क्रिस्टल को उच्च तापमान पर एनील्ड किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एनवी रंग केंद्र बनते हैं। इसी तरह के दृष्टिकोण का उपयोग अन्य अनुकूलित रंग केंद्र जैसे सिलिकॉन रिक्तियां (SiV) या जर्मेनियम रिक्तियां (GeV) केंद्र बनाने के लिए किया जा सकता है।
क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए, रंग केंद्रों की सरणियों की आवश्यकता होती है - दोनों अपने क्वांटम गुणों को नियंत्रित करने के लिए और फोटोनिक गुहाओं के माध्यम से व्यक्तिगत केंद्रों को कुशलतापूर्वक जोड़ने के लिए। हीरे की रासायनिक जड़ता और व्यापक बाजार उपलब्धता की कमी के कारण, ऐसी संरचनाओं के लिए आवश्यक नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों को विकसित करने के लिए अभी भी काफी प्रयास और धन की आवश्यकता है; हालाँकि, हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने इस क्षेत्र में काफी प्रगति की है, जिसमें वेवगाइड, कॉलम, कैविटी और डिस्क के रूप में जटिल नैनोस्ट्रक्चर का निर्माण, विभिन्न प्रकार की फोटोलिथोग्राफी तकनीकों का उपयोग करना और नक़्क़ाशी के लिए प्लाज्मा और प्रतिक्रियाशील आयन बीम का उपयोग करना शामिल है। .
डायमंड क्वांटम फोटोनिक्स प्राप्त करने के लिए भविष्य की चुनौतियाँ
हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने उच्च आंतरिक ऑप्टिकल गुणवत्ता और उच्च गुणवत्ता वाले रंग केंद्रों के साथ हीरे के उत्पादन में महत्वपूर्ण प्रगति की है, और कई नई और मौजूदा उन्नत फोटोनिक्स तकनीकों को सक्षम किया है।
हालाँकि, क्वांटम फोटोनिक्स में हीरे के अनुप्रयोगों को क्वांटम सूचना प्रसंस्करण जैसे अनुप्रयोगों के लिए स्केलेबल चिप्स के रूप में सफलतापूर्वक लागू करने से पहले कई चुनौतियाँ बनी हुई हैं। इनमें शामिल हैं: रंग-केंद्रित इंजीनियरिंग में सुधार और क्वांटम बिट्स की मजबूती; वेफर्स का निर्माण; और अन्य फोटोनिक सामग्रियों और घटकों के साथ हाइब्रिड एकीकरण। इन चुनौतियों के बावजूद, इन क्षेत्रों की ओर निर्देशित वर्तमान अनुसंधान बहुत सक्रिय है और आने वाले वर्षों में पर्याप्त प्रगति की उम्मीद है।