मेसोस्कोपिक भौतिकी

मेसोस्कोपिक भौतिकी संघनित पदार्थ भौतिकी का उपविषय है जो मध्यवर्ती आकार की पदार्थ से संबंधित है। ये पदार्थ परमाणुओं की मात्रा (जैसे अणु) और माइक्रोमीटर मापने वाली पदार्थ के लिए नैनोस्कोपिक स्केल के बीच आकार में होती है। निचली सीमा को व्यक्तिगत परमाणुओं के आकार के रूप में भी परिभाषित किया जा सकता है। माइक्रोमीटर स्तर पर थोक पदार्थ होती है। मेसोस्कोपिक और मैक्रोस्कोपिक दोनों वस्तुओं में कई परमाणु होते हैं। जबकि घटक पदार्थ से प्राप्त औसत गुण स्थूल वस्तुओं का वर्णन करते हैं, क्योंकि वे सामान्यतः शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों का पालन करते हैं, मेसोस्कोपिक वस्तु, इसके विपरीत, औसत के आसपास थर्मल उतार-चढ़ाव से प्रभावित होती है, और इसके इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार को क्वांटम यांत्रिकी के स्तर पर मॉडलिंग की आवश्यकता हो सकती है।.

एक मैक्रोस्कोपिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, जब मेसो-आकार में घटाया जाता है, क्वांटम यांत्रिक गुणों को प्रकट करना प्रारंभ कर देता है। उदाहरण के लिए, मैक्रोस्कोपिक स्तर पर तार का विद्युत चालकता उसके व्यास के साथ लगातार बढ़ता है। चूँकि, मेसोस्कोपिक स्तर पर, तार की चालकता परिमाणीकरण (भौतिकी) है: वृद्धि असतत, या व्यक्तिगत, पूरे चरणों में होती है। अनुसंधान के समय, इन्सुलेटर (विद्युत), सेमीकंडक्टर्स, मेटल्स और सुपरकंडक्टर की भौतिकी को समझने के लिए मेसोस्कोपिक उपकरणों का निर्माण, मापन और प्रयोग और सैद्धांतिक रूप से निरीक्षण किया जाता है। मेसोस्कोपिक भौतिकी का अनुप्रयुक्त विज्ञान नैनो उपकरणों के निर्माण की क्षमता से संबंधित है।

मेसोस्कोपिक भौतिकी मूलभूत व्यावहारिक समस्याओं को भी संबोधित करती है जो तब होती हैं जब मैक्रोस्कोपिक वस्तु को छोटा किया जाता है, जैसा कि अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में ट्रांजिस्टर के लघुकरण के साथ होता है। पदार्थ के यांत्रिक, रासायनिक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों में परिवर्तन होता है क्योंकि उनका आकार नैनोस्कोपिक पैमाने पर पहुंचता है, जहां पदार्थ की सतह पर परमाणुओं का प्रतिशत महत्वपूर्ण हो जाता है। माइक्रोमीटर से बड़ी थोक पदार्थ के लिए, संपूर्ण पदार्थ में परमाणुओं की संख्या के संबंध में सतह पर परमाणुओं का प्रतिशत नगण्य है। उप-अनुशासन ने मुख्य रूप से धातु या अर्धचालक पदार्थ की कृत्रिम संरचनाओं से निपटा है जो कि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक परिपथ के उत्पादन के लिए नियोजित विधियों द्वारा गढ़े गए हैं।

मेसोस्कोपिक भौतिकी के लिए कोई कठोर परिभाषा नहीं है, किंतु अध्ययन की गई प्रणालियां सामान्य रूप से 100 एनएम (एक विशिष्ट वाइरस का आकार) से 1 000 एनएम (एक विशिष्ट जीवाणु का आकार) की सीमा में होती हैं: 100 नैनो मीटर एक नैनोकण के लिए अनुमानित ऊपरी सीमा है। इस प्रकार, मेसोस्कोपिक भौतिकी का नैनोफैब्रिकेशन और नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्रों से घनिष्ठ संबंध है। नैनोटेक्नोलॉजी में प्रयुक्त उपकरण मेसोस्कोपिक प्रणाली के उदाहरण हैं। ऐसी प्रणालियों में नई इलेक्ट्रॉनिक घटनाओं की तीन श्रेणियां हस्तक्षेप प्रभाव, क्वांटम कारावास प्रभाव और चार्जिंग प्रभाव हैं।

क्वांटम कारावास प्रभाव
क्वांटम कारावास प्रभाव ऊर्जा के स्तर, संभावित कुओं, संयोजी बंध, चालन बैंड और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड अंतराल के संदर्भ में इलेक्ट्रॉनों का वर्णन करता है।

बल्क अचालक पदार्थ (10 एनएम से बड़े) में इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा बैंड या इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों द्वारा वर्णित किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा स्तरों या बैंडों पर उपस्थित होते हैं। थोक सामग्रियों में इन ऊर्जा स्तरों को निरंतर वर्णित किया जाता है क्योंकि ऊर्जा में अंतर नगण्य होता है। जैसा कि इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर स्थिर होते हैं, अधिकांश वर्जित ऊर्जा स्तर के नीचे वैलेंस बैंड में कंपन करते हैं, जिसे ऊर्जा अंतराल कहा जाता है। यह क्षेत्र ऊर्जा श्रेणी है जिसमें कोई इलेक्ट्रॉन अवस्था उपस्थित नहीं है। एक छोटी मात्रा में वर्जित अंतर के ऊपर ऊर्जा का स्तर होता है, और यह चालन बैंड है।

कण का व्यास इलेक्ट्रॉन के तरंग समारोह के तरंग दैर्ध्य के समान परिमाण के एक बार होने पर क्वांटम कारावास प्रभाव देखा जा सकता है। जब सामग्रियां इतनी छोटी होती हैं, तो उनके इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण थोक सामग्रियों से अधिक सीमा तक विचलित हो जाते हैं। जैसा कि पदार्थ को नैनो-स्केल की ओर छोटा किया जाता है, सीमित आयाम स्वाभाविक रूप से कम हो जाता है। विशेषताएँ अब थोक द्वारा औसत नहीं हैं, और इसलिए निरंतर हैं, किंतु क्वांटा के स्तर पर हैं और इस प्रकार असतत हैं। दूसरे शब्दों में, ऊर्जा स्पेक्ट्रम असतत हो जाता है, जिसे क्वांटा के रूप में मापा जाता है, न कि बल्क पदार्थ के रूप में। नतीजतन, ऊर्जा अंतराल खुद पर जोर देता है: ऊर्जा स्तरों के बीच छोटा और सीमित अलगाव होता है। असतत ऊर्जा स्तरों की इस स्थिति को क्वांटम कारावास कहा जाता है।

इसके अतिरिक्त, क्वांटम कारावास प्रभाव में इलेक्ट्रॉनों के अलग-अलग द्वीप होते हैं जो दो अलग-अलग अर्धचालक पदार्थों के बीच प्रतिरूपित इंटरफ़ेस पर बन सकते हैं। इलेक्ट्रॉन सामान्यतः डिस्क के आकार के क्षेत्रों तक ही सीमित होते हैं जिन्हें क्वांटम डॉट्स कहा जाता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, इन प्रणालियों में इलेक्ट्रॉनों की सीमा विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ उनकी क्रिया को महत्वपूर्ण रूप से बदल देती है।

क्योंकि क्वांटम डॉट्स के इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर निरंतर के अतिरिक्त असतत होते हैं, क्वांटम डॉट में केवल कुछ परमाणुओं के जोड़ या घटाव से बैंडगैप की सीमाओं को बदलने का प्रभाव पड़ता है। क्वांटम डॉट की सतह की ज्यामिति को बदलने से बैंडगैप ऊर्जा भी बदल जाती है, जो फिर से डॉट के छोटे आकार और क्वांटम कारावास के प्रभावों के कारण होती है।

हस्तक्षेप प्रभाव
मेसोस्कोपिक शासन में, दोषों से बिखरना - जैसे कि अशुद्धियाँ - हस्तक्षेप प्रभाव उत्पन्न करता है जो इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करता है। मेसोस्कोपिक हस्तक्षेप प्रभाव का प्रायोगिक हस्ताक्षर भौतिक मात्रा में पुनरुत्पादनीय योग्य उतार-चढ़ाव की उपस्थिति है। उदाहरण के लिए, प्रायोगिक मापदंडों में उतार-चढ़ाव के कार्य के रूप में दिए गए नमूने का संचालन स्पष्ट रूप से यादृच्छिक विधियों से होता है। चूँकि, यदि प्रायोगिक मापदंडों को उनके मूल मानो पर वापस चक्रित किया जाता है, तो उसी पैटर्न को वापस लिया जा सकता है; वास्तव में, देखे गए पैटर्न दिनों की अवधि में पुनरुत्पादित होते हैं। इन्हें सार्वभौमिक चालन उतार-चढ़ाव के रूप में जाना जाता है।

समय-समाधान मेसोस्कोपिक गतिकी
मेसोस्कोपिक डायनेमिक्स में समय-समाधान प्रयोग: भौतिकी के नैनोस्केल्स पर अवलोकन और अध्ययन या संघनित पदार्थ जैसे ठोस पदार्थों में दरार गठन, चरण पृथक्करण, और तरल अवस्था में या जैविक रूप से प्रासंगिक वातावरण में तेजी से उतार-चढ़ाव; और गैर-क्रिस्टलीय सामग्रियों की अल्ट्राफास्ट गतिकी का नैनोस्केल पर अवलोकन और अध्ययन करना है।

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