"มุมวิเศษ (magic-angle) ของแกรฟีนสู่วัสดุพิเศษยุคใหม่"

          ในศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านมา เทคโนโลยีของโลกได้ถูกขับเคลื่อนด้วยอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) ทรานซิสเตอร์ (transistor) ซึ่งล้วนแล้วแต่มีซิลิคอน (silicon) เป็นส่วนประกอบสำคัญ เนื่องด้วยการแข่งขันทางเทคโนโลยีของบริษัทชั้นนำของโลกทำให้อุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ต้องมีขนาดเล็กลงและประสิทธิภาพการทำงานต้องสูงขึ้น เหตุนี้ทำให้ข้อจำกัดของซิลิคอนก็เริ่มเห็นชัดขึ้น เมื่อลดขนาดของวงจรอิเล็กโทรนิกส์ให้มีขนาดเล็กลงอิทธิพลทางควอนตัมก็ยิ่งมากขึ้น ดังตัวอย่างในทรานซิสเตอร์ที่การควบคุมการไหลอิเล็กตรอนเพื่อกำหนดสัญญาณไฟฟ้าเป็นรหัส ปิด/เปิด (หรือ 0/1) เมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กจนมีอิทธิพลทางควอนตัมจึงทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกลั้นไม่ให้ไหลผ่าน ก็สามารถไหลผ่านได้ด้วยควอนตัมลอดอุโมงค์ (quantum tunnelling) ซึ่งทำให้การส่งรหัสสัญญาณทางไฟฟ้าผิดเพี้ยนไป นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องหาสารประกอบหรือวัสดุใหม่ในการแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นนี้ หนึ่งในวัสดุที่นักวิทยาศาสตร์สนใจ คือ แกรฟีน (graphene) ซึ่งได้จากการแยกชั้นแกรฟีนจากแท่งแกรไฟต์ (graphite) ให้ได้โครงรูปหกเหลี่ยมหรือรวงผึ้งของคาร์บอนที่หนาเพียงหนึ่งชั้นอะตอมเท่านั้น ด้วยคุณสมบัติของแกรฟีนสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง มีความทนทาน (strength) มากกว่าเหล็กเกือบ 100 เท่า เมื่อเทียบกันในหน่วยนิวตันต่อเมตร (N/m) และอื่นๆ เนื่องด้วยแกรฟีนมีขนาดบางในระดับหนึ่งอะตอม จึงเหมาะสมสำหรับประยุกต์ในการย่อขนาดและการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์           ในปี 2018 กลุ่มนักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ หรือ MIT ได้ค้นพบความอัศจรรย์อีกหนึ่งอย่างของแกรฟีน โดยการนำแผ่นแกรฟีน 2 แผ่นมาซ้อนกันแล้วบิดทำมุม 1.1 องศา ตามรูปที่ ⁽¹⁾ โครงสร้างแกรฟีนนี้สามารถเป็นได้ทั้งฉนวนที่ไม่ให้อิเล็กตรอนไหลผ่านและสามารถเป็นตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ที่ให้อิเล็กตรอนไหลผ่านโดยความต้านทานทางไฟฟ้าเป็นศูนย์ ที่อุณหภูมิวิกฤต 1.7 เคลวิน  (-271.3 องศาเซลเซียส) จึงเรียกมุมที่ถูกบิดนี้ว่า มุมวิเศษ (magic-angle) จากปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดแขนงใหม่ทางฟิสิกส์ที่ เรียกว่า twistronics ซึ่งเป็นการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในการบิดแผ่นแกรฟีน 2 แผ่นและวัสดุอื่นๆ ที่เป็นวัสดุ 2 มิติ (2-D material)           จากการสร้างตัวนำยิ่งยวดต้องใช้สารประกอบธาตุต่างๆ ดังเช่น แลนทานัม แบเรียม คอปเปอร์ออกไซด์ หรือเขียนย่อๆ ว่า LBCO ในเวลาถัดมาจึงเปลี่ยนจากแลนทานัมไปเป็นอิตเทียม (Yttrium) แทน จึงได้เป็นสูตรใหม่เป็น YBCO เพื่อเพิ่มค่าของอุณหภูมิวิกฤต นอกจากสารประกอบธาตุต่างๆ ที่ราคาแพงและหายากแล้ว ต้องผ่านกระบวนการพิเศษมากมายกว่าจะมาเป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวด แต่ตัวนำยิ่งยวดก็สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อนำแกรฟีน 2 แผ่นมาซ้อนกันแล้วบิดทำมุม 1.1 องศา ซึ่งแกรฟีนมีส่วนประกอบเป็นคาร์บอนทั้งหมดซึ่งหาได้จากไส้ดินสอ โดยมีข้อเสียคือ อุณหภูมิวิกฤตที่จะทำให้เกิดสถานะนำยิ่งยวด (superconducting state) ต้องเข้าใกล้สู่ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0 K) จากปราการณ์นี้ส่งผลให้นักฟิสิกส์สามารถทำการศึกษาโครงสร้างผลึกและสามารถจัดเรียงโครงสร้างในรูปแบบต่างๆ ได้ง่ายขึ้น โดยนำแผ่นวัสดุ 2 มิติ มาซ้อนกันและแต่ละแผ่นที่ซ้อนเชื่อมกันด้วยพันธะแวนเดอร์วาลส์เป็นวัสดุโครงสร้าง 3 มิติ โดยมีชื่อเรียกว่า van der Waals heterostructure ซึ่งวัสดุ 2 มิติ นอกจากแผ่นแกรฟีนแล้วยังมีอีก 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ
            การศึกษา van der Waals heterostructure ที่เกิดจากการบิดวัสดุ 2 มิติที่วางซ้อนกันจำนวน 2 แผ่นหรือมากกว่าก็ได้ เพื่อให้เกิดมุมและเงื่อนไขต่างๆ โดยใช้เครื่อง ARPES ซึ่งย่อมาจาก angle-resolved photoemission เป็นเครื่องมือวัดที่อาศัยหลักการกระจายตัวของโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron spectroscopy) เพื่อศึกษาสมบัติของโครงสร้างจากค่าพลังงานและโมเมนตัมของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากโครงสร้างที่ทดสอบ โดยมีตัวอย่างจากงานวิจัยในแหล่งอ้างอิง [4] ซึ่งกลุ่มนักวิจัยได้ออกแบบวัสดุ 2 มิติวางเรียงกัน 3 ชั้น ดังรูปที่ ^(3.1) และได้ภาพโครงสร้าง electronic band ที่ได้จาก ARPES ดังรูปที่ ^(3.2) เพื่อทำความเข้าใจเกื่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในโครงสร้างนี้ที่มีการบิดรูปแบบต่างๆ ซึ่งในปัจจุบันมีการศึกษาเกี่ยวกับสมบัติของ van der Waals heterostructure ในโครงสร้างต่างๆ มากขึ้น เพื่อในอนาคตสามารถเลือกโครงสร้างให้เหมาะสมกับอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ที่จะนำไปประยุกต์ใช้ให้มีประสิทธิภาพอย่างก้าวกระโดดสู่ยุคใหม่ของเทคโนโลยี

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] Jennifer Chu, “Researchers map tiny twists in “magic-angle” graphene”
• http://news.mit.edu/2020/twists-magic-angle-graphene-map-0508
• [2] Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018). 
• [3] https://phys.org/news/2020-08-physicists-revolutionary-artificial-atomic-materials.html
• [4] Thompson, J.J.P., Pei, D., Peng, H. et al. Determination of interatomic coupling between two-dimensional crystals using angle-resolved photoemission spectroscopy. Nat Commun 11, 3582 (2020).