पुंज कणांचा शोध : अब्जांश तंत्रज्ञानाच्या सहाय्याने पदार्थ आकारमानाने लहान लहान करत गेल्यावर काही अब्जांश मीटर मापाच्या आतील पदार्थांच्या गुणधर्मांमध्ये आमुलाग्र व वैशिष्ट्यपूर्ण बदल होतात. परंतु हे जेव्हा अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधक पदार्थांचे बाबतीत होते तेव्हा त्या अब्जांश मापाच्या पदार्थांना ‘पुंज कण (क्वांटम डॉट्स)’ असे म्हणतात. पुंज कणांचे अस्तित्व प्रथम रशियन शास्त्रज्ञ एकिमोव्ह (Ekimov) आणि ओनुश्चेंको (Onuschenko) ह्यांनी सन १९८० मध्ये पाहिले. काचेमध्ये अर्धसंवाहक पदार्थांचे कण टाकल्यावर त्यांचे प्रकाशकीय गुणधर्म कसे आणि किती बदलतात याचा अभ्यास करीत असताना त्यांना असे आढळून आले की जेव्हा ह्या कणांचे आकार अतिसूक्ष्म म्हणजे काही अब्जांश मीटर होतात तेव्हा काचेचे रंग बदलतात. ह्याचा सैद्धांतिक अभ्यास सर्वप्रथम एफ्रोस (Efros) व त्याचे सहकारीया रशियन शास्त्रज्ञांनी आणि नंतर एल. इ. ब्रुस (L. E. Brus) ह्या अमेरिकन शास्त्रज्ञाने केला. त्यानंतर ह्या विषयावरील कामाला गति प्राप्त झाली. पुंज (क्वांटम) कण ह्या शब्दाच्या व्युत्पत्तीचे श्रेय अमेरिकन शास्त्रज्ञ मार्क रीड (Mark Reed) यांचेकडे जाते.
पुंज कणांची मर्यादा : विविध अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधकांच्या बाबतीत गुणधर्म बदलण्याची ‘मापमर्यादा’ वेगवेगळी असते. साधारणतः १ ते २०-२२ अब्जांश मीटर अशा मापात आल्यावर अर्धसंवाहक पदार्थांचे गुणधर्म बदलतात. पदार्थांच्या मापाबरोबरच त्यांचे आकार आणि डायइलेक्ट्रीक गुणधर्म ह्यांवर ही मापमर्यादा ठरते. ह्यास क्वांटम कणांची हद्द किंवा मर्यादा असेही म्हणता येईल. अशावेळी पदार्थांतील इलेक्ट्रॉन्सची तरंगलांबी (wavelength) आणि पदार्थाचे माप साधारणतः एकसमान होते. सिलिकॉन ह्या अर्धसंवाहकाला क्वांटम कण म्हणायला त्याचे माप ५ अब्जांश मीटर किंवा त्याहून लहान असावे लागते. कॅडमियम सल्फाइड किंवा गॅलिअम सेलेनाइड ह्यांच्या अनुक्रमे १ ते ६ आणि १ ते २२ अब्जांश मीटर मापांच्या कणांना पुंज (क्वांटम) कण म्हणता येते. पदार्थांच्या लांबी, रुंदी आणि उंची या तीन मितीपैकी किमान एकतरी मिती क्वांटम मर्यादेत असल्यास अशा पदार्थांना ‘क्वांटम कण’ म्हणतात. गोलाकार अब्जांश पदार्थांचे बाबतीत त्यांचा व्यास क्वांटम मर्यादेत असल्यास त्या पदार्थांना ‘क्वांटम कण’ म्हणतात.
उपयोग : अब्जांश क्वांटम कणांचे नळ्या, तारा, पापुद्रे, थर, फूल असे वेगवेगळे आकार असू शकतात. त्यांचा अब्जांश तंत्रज्ञानात अनेक प्रकारे उपयोग होतो. बऱ्याचशा अब्जांश क्वांटम कणांचे विशेष म्हणजे त्यांचे मापाप्रमाणे बदलणारे रंग. त्यांचेवर काही विशिष्ट प्रकाशलांबीचे (wavelength) किरण पडल्यावर त्याच किंवा दुसऱ्या प्रकाशलांबीचा प्रकाश त्यातून बाहेर पडतो. असा प्रकाश किती कार्यक्षमतेने बाहेर
पडतो, त्याप्रमाणे त्या पदार्थांचे तंत्रज्ञानांत विविध उपयोग होतात. सोबतच्या छायाचित्रात अतिनील (ultraviolet) किरण पडल्यावर कॅडमियम सेलेनाइड आणि दस्त या धातूचे ऑक्साइड (झिंक ऑक्साइड) या क्वांटम कणांचे त्यांच्या माप मर्यादेनुसार बाहेर पडलेले बदलते रंग दिसत आहेत. अशा क्वांटम कणांचा वैद्यकीय क्षेत्रात आरोग्य चिकित्सा, निदान, उपचार इत्यादीसाठी उपयोग केला जातो. काही उपयोगांचा उल्लेख येथे करणे योग्य ठरेल. उदा., सजीवांच्या शरीरातील पेशींच्या प्रतिमा पाहणे, शरीराच्या विशिष्ट भागात औषध घालणे, कर्करोगावर उपचार करणे. अर्धसंवाहक क्वांटम कण वापरून बनवलेले एलिडी दिवे, तसेच अधिक चांगल्या प्रतीचे दूरचित्रवाणी संच आता बाजारात आलेले आहेत. अशा प्रकारच्या क्वांटम कणांतून आपापसांत होणारे विद्युत् वहन हे नेहमीपेक्षा पूर्णतः वेगळ्या पद्धतीने असते. त्याला ‘क्वांटम टनेलिंग’ म्हणतात. या गुणधर्माचा उपयोग क्वांटम टनेलिंग सूक्ष्मदर्शकात तसेच काही विद्युत् यंत्रे बनाविण्यासाठी करतात.
संदर्भ :
- A. I. Ekimov and A. A. Onushchenko, JETP Lett. 34, 345 (1981); 40, 1137 (1984).
- Al. L. Efros and A. L. Efros, Sov. Phys. Semicond. 16, 772(1982).
- L. E. Brus, J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).
- Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, S. V. GAPONENKO, Cambridge University Press 1998 ISBN 0-521-58241-5 (hb).
- Nanotechnology Principles and Practices, SulabhaKulkarni, 3rd Edition, Springer, 2015 ISBN 978-3-319-09170-9
समीक्षक – वसंत वाघ
