การบิดตัวโครงสร้างวัสดุสารกึ่งตัวนำส่งผลสามารถนำไปใช้งานได้อย่างไร

            วัสดุศาสตร์ คือ ศาสตร์ที่ศึกษา ลักษณะโครงสร้างของวัสดุ การเคลื่อนตัว การผิดรูปของวัสดุนั้นๆ เพื่อนำมาต่อยอดและใช้ในวงการอุตสาหกรรมต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น รถยนต์ กระเบื้อง รวมทั้ง ในแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆจะมีโครงสร้างทางวัสดุสารกึ่งตัวนำมาใช้ในการผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ในแต่ละแบบที่ต้องการอีกด้วยซึ่งต่อมาได้มีวิวัฒนาการศึกษา และ วิจัยค้นคว้า เกี่ยวกับวัสดุสารกึ่งตัวนำทดแทน ซิลิกอน (Si) หรือ แกลเลี่ยม (Ga) มาใช้ในวงจรไฟฟ้า ดั่งเช่น ในงานวิจัยที่จะได้กล่าวดังต่อไปนี้ จะเป็นการศึกษาโดยใช้วัสดุที่เราเรียกว่า กราฟีน มาทำการบิดตัวของโครงสร้างแล้วนำมาศึกษาลักษณะโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสารกึ่งตัวนำก่อนที่เราจะไปเข้าสู่ตัวบทเนื้อหา เขาเอากราฟีนมาทดลองทำไรบ้าง จะมาเกริ่นนำก่อนว่า กราฟีนคืออะไร กราฟีน (Graphene) คือ อะตอมของคาร์บอนนั้นเองซึ่งนำมาเรียงต่อกันที่มีลักษณะเป็นเส้นสายยาวที่เชื่อมต่อถึงกันและกันได้ ซึ่งถ้าคาร์บอนนั้นมาเชื่อมต่อกันในลักษณะที่เหมาะสมทางโครงสร้างนั้นจะทำให้ จากคาร์บอนธรรมดาๆที่ไม่มีค่าอะไร สามารถกลายเป็นเพชรที่เป็นของล้ำค่าได้ คาร์บอนนั้นเป็นอะไรที่พิเศษเป็นอย่างมาก ถ้าจัดรูปแบบโครงสร้างในอีกรูปแบบนึง จะได้โครงสร้างและลักษณะทางโมเลกุลที่แตกต่างกันออกไปอีก จะทำให้กลายเป็นแค่ถ่าน ไส้ดินสอ หรือ ที่เรียกว่า กราไฟต์ ซึ่งจะไม่ค่อยมีค่าอะไรมากมายหนัก ซึ่งล้วนแต่ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวทางโครงสร้างของอะตอมคาร์บอนอีกทางนึง แต่ถ้าในอีกแง่มุมนึง ถ้าเราดึงแผ่นกราไฟต์นั้นออกมาเพียงแค่ชั้นเดียวละ จะเกิดไรขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดชั้นเลเยอร์ของกราไฟต์เพียงแค่ชั้นเดียว ที่มีลักษณะบางและเล็กมาก ซึ่งเจ้าสิ่งนี้นี่ละ เรียกว่า กราฟีน ซึ่งเป็นเพียงแค่อะตอมคาร์บอนนั้นมาจับตัวและเรียงตัวกันเป็นชั้นเดียวคนที่ค้นพบการฟีน และ ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ปี 2010 ที่มีชื่อว่า อังเดร ไกม์ และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ ที่สามารถสังเคราะห์กราฟีนได้สำเร็จ           หลังจากเราได้รู้ไปแล้วว่า อะไรคือ กราฟีน สถาบัน National Graphene Institute ได้ทำการศึกษาและทดลอง โดยที่แลคทิชอะตอมของกราฟีนนั้นจะถูกทำให้โครงสร้างเกิดการบิดตัวเล็กน้อยในระนาบ 2 มิติ ซึ่งจะอยู่ร่วมกันกับ โลหะผสมในโครงสร้างการก่อตัวแลททิชแบบใหม่อย่างกว้างๆ ซึ่งหลักการศึกษานี้สามารถนำไปใช้กับ คุณสมบัติทางออปโต้อิเล็กทรอนิกส์ ในการวัดความยาวในระดับนาโนมิเตอร์สเกล ซึ่งกราฟีนนั้น จะมีลักษณะโครงสร้างที่ซ้อนๆกันของคาร์บอนอะตอมเหมือนกันกับ ตัวต่อเลโก้ ที่เรารู้จักกันดีในรูปแบบ โครงสร้างแบบเฮทเทอร์โร (Hetero) หรือ มีความหลากหลายโมเลกุลในวัสดุที่นำมาศึกษาเมื่อการเรียงตัวของคริสตัลในโครงสร้างอะตอมใดๆ จะเกิดการหมุนของลักษณะโครงสร้างแบบเฮเทอร์โรไปพร้อมกัน  หรือ การบิดเพื่อศึกษาดูลักษณะผลลัพธ์ในแต่ละโครงสร้างของธาตุ แต่สำหรับการศึกษาในลักษณะนี้มีจะมีข้อจำกัดบางประการในโครงสร้างของกราฟีน และ โบรอนไนไตรด์ที่เป็นแบบ เฮกซะโกนัลล์ (Hexagonal) ซึ่งไปหาอ่านเพิ่มเติมได้ที่ Nature Nanotechnology            จากนั้นทางทีมวิจัยนั้นได้ทำการศึกษา ค้นคว้า โดยที่จะทำการบิดอะตอมของคาร์บอนนั้นเป็นมุมเล็กน้อย และปรับเปลี่ยนโลหะผสมลงไปเพื่อให้เกิดการจับตัวและซ้อนกันสองชั้นของอะตอม จากนั้นทำการแยกขอบเขตของเกรน (grain boundaries) เพื่อดูผลลัพธ์ของความเค้นที่สะสมในโครงสร้างของอะตอม จากนั้นนำกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบคุณภาพสูง หรือที่เรียกว่า TEM (Transmission Electron Microscope)  เพื่อจะแสดงให้เห็นว่าลักษณะการเรียงตัวของโครงสร้างในแต่ละโมเลกุลเมื่อหลังจากเกิดการบิดตัวซึ่งจะทำให้เกิด 1.การรวมตัวกันของชั้นโมโนเลเยอร์ที่ซ้อนทับกันในทิศทางที่ขนานกัน หรือ ทำให้เกิดมุมบิดของโครงสร้างเท่ากับ 0 องศา 2.ในทางตรงกันข้ามถ้าทิศทางการเรียงตัวของโครงสร้างโมเลกุลที่ไม่ขนานกัน มุมบิดจะประมาณ 180 องศา ซึ่งในแต่ละกรณีจะทำให้เกิดความแตกต่างในการขึ้นรูปทรงทางอะตอมในโครงสร้าง ซึ่งจากผลการทดลองนั้นแสดงให้เห็นว่า ลักษณะโครสร้างของวัสดุใน 2 มิติ ที่ทางทีมวิจัยนั้นได้ศึกษาและคาดไว้ว่าจะเป็นโครงสร้างในลักษณะที่เป็นอะตอมทั่วๆไป และ เกิดการจัดรูปแบบคาบการเรียงตัวทางโครงสร้างวัสดุที่มีความแม่นยำในระดับนาโนมิเตอร์อีกด้วยในระหว่างการทดลอง ซึ่งในท้ายที่สุดแล้วทางทีมวิจัยนั้นยังได้ค้นพบเพิ่มเติมที่ว่า รอบๆบริเวณใกล้เคียงของวัสดุโครงสร้างนั้น จะมีลักษณะโครงสร้างที่มีทิศทางที่ขนานกัน และยังมีความที่ไม่สมมาตรกันของโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ อีกทั้งยังเกิดลักษณะของคลื่นในทิศทาง2มิติอีกด้วย ต่อมาในส่วนที่เป็นจำนวนชั้นของเซลล์ของวัสดุแบบ 2 ชั้นที่ไม่ขนานกัน ในบริเวณขอบเขตโครงสร้างนั้นจะสามารถเกิดลักษณะปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เปียโซอิเล็กทริกซ์ (piezoelectric) ที่ถูกวัดได้โดยเครื่องวัดหัวแรงแบบอะตอมมิก (atomic force microscope) ที่ซึ่งยังคงรักษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเอาไว้อีกทั้งโฮลที่สถานะในระบบ           ควบคุมคาบในระนาบแถวของควอนตั้มดอท และ โฟตอนเชิงเดี่ยวในอิมิเตอร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในบทสรุปของงานวิจัยชิ้นนี้ Astrid Weston และ Dr.Roman Gorbachev นั้นได้ให้ความเห็นว่า การเข้าใจและศึกษาความเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างคริสตัลในระนาบ2D ในโลหะผสม เป็นส่วนสำคัญในการพัฒนาต่อยอดขอบเขตงานวิจัยต่อไปได้ในอนาคต เพื่อใช้ในงานต่อไปได้ในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นทางอิเล็กทรอนิกส์ หรือ วัสดุในโรงงานอุตสาหกกรมต่อไปได้

 

ที่มา

• https://phys.org/news/2020-05-nanopatterning-electronic-properties-d-semiconductors.html
• https://www.nature.com/articles/s41565-020-0682-9
• https://notebookspec.com/กราฟีน-วัสดุแห่งอนาคต-ต/158342/