คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิจัยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่

(ภาพจาก https://www.avantes.com/applications/application/item/1271-spectroscopy-applications-for-thin-films-and-coatings)

     คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ 0.3 ถึง 300 GHz ซึ่งเป็นคลื่นที่มีอิทธิพลต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์เป็นอย่างมาก ในแต่ละคลื่นความถี่จะถูกใช้ในกิจวัตรประจำวันต่างๆ เช่น ความถี่ 2.45 GHz ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการอุ่นอาหาร หรือความถี่ 900 MHz (0.9 GHz), 1800 MHz (1.8 GHz) และ 2100 MHz (2.1 GHz) ถูกใช้ในการติดต่อสื่อสาร คลื่นไมโครเวฟไม่ใช่แค่เพื่ออำนวยความสะดวกต่อการกินและการพูดคุย แต่คลื่นนี้ยังถูกประยุกต์ใช้ในงานวิจัยเรื่องการพัฒนาสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่อีกด้วย

 
     งานวิจัยสารกึ่งตัวนำยังได้รับความสนใจอยู่เป็นอย่างมาก เนื่องจากอุตสหากรรมอิเล็กทรอนิกส์และสารกึ่งตัวนำมีความต้องการให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีต้นทุนการผลิตที่ต่ำและมีสมบัติพิเศษกว่าเทคโลโนยีปัจจุบัน เช่น มีความยืดหยุ่นสูง มีความโปร่งแสง เป็นต้น ในกระบวนการวิจัยนั้น สมบัติที่นักวิจัยให้สำคัญมากที่สุดคือ สมบัติการนำไฟฟ้า ถ้าสารกึ่งตัวนำนำไฟฟ้าได้ดี อุปกรณ์ยิ่งมีประสิทธิภาพมาก วิธีทั่วไปที่ไว้วัดการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ คือ เทคนิค four point probe ^[1] ซึ่งเทคนิคนี้จะต้องใช้เข็ม 4 เข็มจิ้มที่ผิวของสารกึ่งตัวนำทั้งหมด 4 ตำแหน่ง (โดย 2 ตำแหน่งถูกใช้วัดความต่างศักย์ และอีก 2 ตำแหน่งถูกใช้วัดกระแสที่สามารถไหลผ่านได้) ตามรูปที่ 1 ถ้าหากผิวของสารกึ่งตัวนำไม่มีความแข็งแรง การใช้เข็มจิ้มอาจทำลายผิวของวัสดุอันเนื่องจากแรงกดทับของเข็ม อาจจะทำให้สมบัติการนำไฟฟ้าเปลี่ยนไปได้ หรือถ้าผิววัสดุมีความขรุขระสูง การใช้เข็มจิ้มอาจจะวัดค่ากระแสไฟฟ้าได้น้อยเกินขีดความสามารถของเครื่องมือ ทำให้นักวิจัยไม่สามารถทราบค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงของสารกึ่งตัวนำได้ ดังนั้นแล้วเครื่องมือที่สามารถวัดการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำโดยปราศจากการสัมผัสผิววัสดุจะเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ต่องานวิจัยด้านสารกึ่งตัวนำเป็นอย่างมาก 

รูปที่ 1 เทคนิคการวัด four point probe
(ภาพจาก https://www.pveducation.org/pvcdrom/characterisation/four-point-probe-resistivity-measurements)

     คลื่นไมโครเวฟสามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อหาค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำได้ โดยใช้สมบัติการดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ ^[2] ขั้นตอนการวัดมี 2 ขั้นตอนหลัก คือ (1) การกระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำเกิดขึ้นโดยยิงเลเซอร์ที่สารกึ่งตัวนำ และ (2) การดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้น โดยยิงคลื่นไมโครเวฟตามหลังเลเซอร์ในช่วงเวลาสั้นๆ ระดับนาโนวินาทีถึงมิลลิวินาที แล้วตรวจวัดความเข้มของคลื่นไมโครเวฟที่เปลี่ยนแปลงไประหว่างก่อนและหลังการกระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอน ซึ่งค่าความเข้มของคลื่นไมโครเวฟที่เปลี่ยนแปลงไป (ΔP) จะสัมพันธ์กับค่าสภาพการนำไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปของสารกึ่งตัวนำ (Δσ) ซึ่งค่านี้สามารถแปลงเพื่อได้ค่าสภาพคล่องทางไฟฟ้าของอิเล็กตรอน ตามสมการในรูปที่ 2 ดังนั้นแล้วเครื่องมือนี้ทำให้นักวิจัยทราบสมบัติการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำที่เราต้องการศึกษาโดยไม่มีการสัมผัสต่อชิ้นงานและยังเป็นเทคนิคการวัดที่รวดเร็วอีกด้วย เมื่อนักวิจัยเข้าใจสมบัติการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำนั้นๆ ก็จะสามารถพัฒนาสารกึ่งตัวนำให้มีการนำไฟฟ้าที่ดียิ่งขึ้นได้ เพื่อนำไปใช้เป็นชิ้นส่วนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น โซลาเซลล์ เซ็นเซอร์ ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น 

รูปที่ 2 หลักการวัดการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำด้วยคลื่นไมโครเวฟ
(ภาพจาก https://www.helmholtz-berlin.de/forschung/oe/ee/solare-brennstoffe/analytische-methoden/analytics/trs_en.html)

     งานวิจัยโซลาเซลล์ซึ่งมีสารกึ่งตัวนำเป็นองค์ประกอบสำคัญในการดูดกลืนแสงและเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้ายังคงได้รับความสนใจอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันสารกึ่งตัวนำที่มีศักยภาพสูงในการใช้เป็นโซลาเซลล์ในอนาคตแทนที่โซลาเซลล์ประเภทซิลิกอน คือ เพอรอฟสไกต์ที่มีสูตรโมเลกุล CH₃NH₃PbI₃ เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่สูงมากกว่า 20 เปอร์เซ็นต์ และมีกระบวนการเตรียมวัสดุที่ไม่ซับซ้อน โดยใช้สารตั้งต้นเป็นของเหลว แต่อย่างไรก็ตามเพอรอฟสไกต์ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย เนื่องจากเสถียรภาพของสารกึ่งตัวนำนี้ยังต่ำกว่าการนำไปใช้งานจริง 


     เมื่อปลายปี ค.ศ. 2018 มีงานวิจัยจาก University of California Santa Barbara นำโดย John Labram ได้นำคลื่นไมโครเวฟมาวิเคราะห์เพื่อศึกษาการนำไฟฟ้าของเพอรอฟสไกต์นี้ ^[3] สิ่งที่น่าสนใจในงานวิจัยนี้คือ โดยทั่วไปการวัดด้วยเทคนิคประเภทนี้ จะใช้เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอนในปริมาณมากภายในสารกึ่งตัวนำ เพื่อที่จะได้ค่าความเข้มของคลื่นไมโครเวฟที่เปลี่ยนแปลงไปได้ละเอียด เนื่องจากจะมีอิเล็กตรอนดูดกลืนคลื่นไมโครเวฟอยู่จำนวนมาก อย่างไรก็ตามหากใช้เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงมากเป็นตัวกระตุ้นอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ ค่าที่ได้อาจจะมีความคลาดเคลื่อนเมื่อเทียบกับการกระตุ้นด้วยแสงอาทิตย์จริงๆ ที่มีความเข้มไม่ได้สูงมาก เนื่องจากกลไกการนำไฟฟ้าในเพอรอฟสไกต์มีความซับซ้อนสูง และการนำไฟฟ้าก็ขึ้นอยู่กับปริมาณอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นด้วย ดังนั้นแล้ว ในงานวิจัยนี้ได้ใช้แค่หลอด LED ทั่วไปที่มีความเข้มต่ำ (<100 mW cm^-2) ซึ่งใกล้เคียงกับความเข้มแสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องมายังโลก (~100 mW cm^-2) เป็นตัวกระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอนขึ้นในเพอรอฟสไกต์และยิงคลื่นไมโครเวฟตามทีหลัง จากผลการศึกษาทำให้ทีมวิจัยจากอเมริกาสามารถทราบค่าการนำไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อถูกฉายแสง LED ของเพอรอฟสไกต์ได้ในช่วง 0.00001 – 0.0001 S cm^-1 ขึ้นอยู่กับความเข้มแสงของหลอด LED ยิ่งฉายแสง LED เข้มมาก การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำยิ่งสูงขึ้น งานวิจัยนี้จึงแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของคลื่นไมโครเวฟต่อการศึกษาค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำในโซลาร์เซลล์ ที่อยู่ภายใต้สภาวะการทำงานจริง (ความเข้มแสงที่ฉายใกล้เคียงกับความเข้มจากดวงอาทิตย์ส่องลงบนผิวโลก) 


     ปัจจุบันสถาบันวิจัยและมหาวิทยาลัยต่างๆ ในประเทศไทยยังไม่มีเครื่องมือประเภทนี้ที่ใช้ไมโครเวฟในการวิจัยด้านสารกึ่งตัวนำและยังขาดเครื่องมือวิจัยขั้นพื้นฐานอื่นๆ อยู่เช่นเดียวกัน แต่ในอนาคตที่กำลังจะถึงนี้ ประเทศไทยที่กำลังเข้าสู่ยุคการพึ่งพาตนเองด้วยนวัตกรรมของชาติคงจำเป็นต้องการเครื่องมือวิจัยขั้นพื้นฐานในการสร้างและพัฒนาเทคโนโลยีเป็นของตนเองเช่นเดียวกัน


 

เรียบเรียงโดย

พรอรรจน์ อรุณรัศมีเรือง
สำนักวิชาวิทยาการโมเลกุล สถาบันวิทยสิริเมธี

• [1] https://www.pveducation.org/pvcdrom/characterisation/four-point-probe-resistivity-measurements
• [2] https://www.helmholtz-berlin.de/forschung/oe/ee/solare-brennstoffe/analytische-methoden/analytics/trs_en.html
• [3] Labram, J. G.; Perry, E. E.; Venkatesan, N. R.; Chabinyc, M. L.; Labram, J. G.; Perry, E. E.; Venkatesan, N. R.; Chabinyc, M. L. Appl. Phys. Lett. 2018, 113, 153902.