สารกึ่งตัวนำที่เปล่งแสงได้ดี จากปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่อลวน

ภาพตัวอย่างไดโอดเปล่งแสงเพอรอฟสไกต์
(ภาพจาก https://www.theengineer.co.uk)

หน้าจอโทรศัพท์รุ่นใหม่ ที่สว่าง คมชัด หรือเซลล์แสงอาทิตย์ที่บาง ยืดหยุ่น และทำงานได้ดีขึ้น เทคโนโลยีเหล่านี้ล้วนพัฒนาขึ้นมาได้จากงานวิจัยค้นคว้าวัสดุกึ่งตัวนำชนิดใหม่ๆ โดยเฉพาะวัสดุที่ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพอรอฟสไกต์ (Perovskite) มันเป็นวัสดุมหัศจรรย์ที่สร้างความประหลาดใจให้วงการวิจัย ด้วยความสามารถที่เพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้สูงสุดถึง 24% ภายในเวลาไม่กี่ปี ^[1] และคงแซงหน้าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำมาจากซิลิกอน (silicon) ในไม่ช้า ส่งผลให้การศึกษาวิจัยวัสดุนี้ขยายตัวอย่างรวดเร็ว นักวิจัยจากหลายประเทศทั่วโลกล้วนตบเท้ากันเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของการพัฒนาวัสดุมหัศจรรย์นี้ แต่มากไปกว่านั้น เพอรอฟสไกต์ไม่เพียงแต่สามารถรับแสงแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ดี แบบที่ต้องการสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เท่านั้น นักวิทยาศาสตร์พบว่ามันยังสามารถรับพลังงานไฟฟ้าแล้วเปล่งแสงได้ดีอีกด้วย เหมาะสำหรับเป็นวัสดุใหม่ใช้ในไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี (LED) ที่อยู่ในหน้าจอต่างๆ ทั้งโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์และโทรทัศน์ เรียกได้ว่าวัสดุนี้คือความหวังของเทคโนโลยีในอนาคตเลยทีเดียว ^[2]

ภาพโครงสร้างผลึกเพอรอฟสไกต์
(ภาพจาก chemicalstructure.net)

เพอรอฟสไกต์ คือ ชื่อเรียกของวัสดุที่มีโครงสร้างเฉพาะ ตั้งชื่อตามนักแร่วิทยาชาวรัสเซีย มีส่วนประกอบหลักๆ 3 ส่วน คือ ไออนบวก (cation) ขนาดใหญ่ ไอออนบวกขนาดเล็ก และ ไอออนลบ (anion) ไอออนบวกขนาดเล็กและไอออนลบประกอบกันขึ้นเป็นโครงสร้างคล้ายเพชร เรียงสลับกันไปกับไอออนบวกขนาดใหญ่ ดังภาพ ถึงแม้ว่าโครงสร้างจะดูซับซ้อน แต่ความน่าสนใจของวัสดุนี้คือขั้นตอนการสังเคราะห์ที่ง่าย หากเปรียบเทียบกับขั้นตอนการสังเคราะห์ผลึกสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน ที่ต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อน ในสภาะแวดล้อมที่เหมาะสม ต้องให้ความร้อนสูง ใช้พลังงานในการผลิตมาก การสังเคราะห์เพอรอฟสไกต์นี้เหมือนใช้แค่พริบตาเดียว มันสามารถเตรียมในรูปแบบของสารละลาย ผสมสารที่เป็นองค์ประกอบทั้ง 3 ส่วน ตามอัตราส่วน แล้วนำสารละลายนั้นไปเคลือบเป็นฟิล์มบางๆ ไว้บนพื้นผิวที่ต้องการ อาจให้ความร้อนเล็กน้อย มันจะค่อยๆ ประกอบตัวเองเป็นผลึกที่มีโครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์ขึ้นมา คงไม่มีใครคาดหวังว่าขั้นตอนการสังเคราะห์ที่ง่ายเช่นนี้ จะนำมาซึ่งความสามารถที่น่าทึ่งอย่างมาก ฟิล์มของเพอรอฟสไกต์มีคุณภาพดี เกิดตำหนิหรือจุดบกพร่องน้อย และเรายังสามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าของวัสดุได้ง่าย เพียงแค่ปรับเปลี่ยนองค์ประกอบตั้งต้นที่นำมาผสมกันในสารละลาย ทำให้การศึกษาและพัฒนาเติบโตไปได้ง่ายและรวดเร็วกว่าที่เคย

ภาพสารละลายอนุภาคเพอรอฟสไกต์ระดับนาโน

(ภาพจาก https://www.led-professional.com)

ไม่นานมานี้กลุ่มนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Georgia Institute of Technology) ได้เผยแพร่ผลงานการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างเพอรอฟไสต์แบบพิเศษ ที่เป็นการผสมกันระหว่างโมเลกุลสารอินทรีย์และอะตอมของธาตุอนินทรีย์ ^[3] ประกอบขึ้นเป็นแผ่นเพอรอฟไสต์บางๆ ชั้นเดียว ที่แทบจะเป็น 2 มิติ โมเลกุลสารอินทรีย์ทำหน้าที่เป็นไอออนบวกขนาดใหญ่ ตะกั่วเป็นไอออนบวกขนาดเล็ก และสารกลุ่มแฮไลด์ เช่น ไอโอดีน โบรมีน เป็นไอออนลบ โครงสร้างแบบนี้เรียกว่า two-dimensional (2D) halide organic-inorganic perovskite (HOIP) โครงสร้างนี้จะจำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนให้อยู่ใน 2 มิติเท่านั้น เป็นเหมือนบ่อควอนตัม (quantum well) ซึ่งมีส่วนสำคัญที่ทำให้การเปล่งแสงมีประสิทธิภาพดี 

 
ถึงตอนนี้ เราคงต้องมาทำความเข้าใจกลไกการเปล่งแสงของวัสดุกันสักเล็กน้อย ในอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนมากมาย เมื่อเราให้พลังงานค่าหนึ่ง เพิ่มเข้าไปในระบบ อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดถูกกระตุ้น มันจะกระโดดขึ้นไปยังชั้นพลังงานที่สูงขึ้น อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ ดังนั้นเมื่อมันออกไปจากตำแหน่งเดิม มันจะทิ้งที่ว่างเอาไว้ เกิดเป็นอนุภาคเสมือนที่มีประจุบวก เรียกว่า โฮล (hole) ถ้าอิเล็กตรอนและโฮลยังมีแรงดึงดูดระหว่างกันเนื่องจากประจุไฟฟ้า มันอาจแสดงพฤติกรรมต่างๆ ไปในทำนองเดียวกัน เราอาจเรียกคู่ประจุนี้รวมกันได้ว่า เอ็กซิตอน (exciton) อิเล็กตรอนอาจใช้เวลาระยะหนึ่งในระดับพลังงานสูงนั้น แล้วจึงกลับลงมายังระดับพลังงานเดิม รวมตัวกับโฮลอีกครั้ง พร้อมกับปล่อยพลังงานที่มันได้รับออกมาในรูปของแสง ^[4] ในสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์โดยทั่วไป เช่น ซิลิกอน แรงดึงดูดภายในเอ็กซิตอนนี้มีค่าน้อย ณ อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนสามารถเอาชนะและหลุดออกไปได้ ทำให้มันเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในวัสดุ อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนนี้อาจสูญเสียพลังงานไปในขณะที่เคลื่อนที่หรืออาจถูกกักไว้ในบริเวณที่เป็นตำหนิในวัสดุ ในสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ แรงดึงดูดภายในเอ็กซิตอนนี้มีค่ามาก ทำให้อิเล็กตรอนกับโฮล ผูกพันกันมากขึ้น การเคลื่อนที่ถูกจำกัดอยู่แค่ภายในโมเลกุลเท่านั้น นั่นทำให้อิเล็กตรอนกับโฮลกลับมารวมตัวกันได้ดี เอ็กซิตอนของเพอรอฟไสกต์มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างสารอินทรีย์และอนินทรีย์ คืออิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างมาก แต่ก็ยังคงมีแรงดึงดูดสูง ที่ทำให้มันกลับมารวมตัวกับโฮลได้อย่างมีประสิทธิภาพ


พฤติกรรมของเอ็กซิตอนในโครงสร้างเพอรอฟสไกต์แบบ 2 มิติ ค่อนข้างแตกต่างจาก 3 มิติ และมีความซับซ้อน การศึกษาวัสดุนี้จึงถือเป็นความท้าทายที่น่าตื่นเต้นในวงการวิทยาศาสตร์ ในงานวิจัยชิ้นนี้พวกเขาได้ใช้เทคนิคทางเลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นมาจากการวัด pump-probe แบบธรรมดา ที่ใช้ลำแสงเลเซอร์สั้นๆ ที่เรียกว่าพัลส์ 2 ลำ ในการศึกษาปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนในวัสดุ พัลส์แรกคือ pump ทำหน้าที่กระตุ้นอิเล็กตรอนในระบบ ให้เปลี่ยนขึ้นไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นในชั้นต่างๆ ขึ้นอยู่กับค่าพลังงานที่ใช้ในการกระตุ้น หลังจากนั้นพัลส์ที่สอง probe ถูกส่งเข้าไปต่อจาก pump ในระยะเวลาต่างๆ เพื่อวัดการตอบสนองของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นนั้น การทดลองนี้จะให้ข้อมูลแผนผังระดับชั้นพลังงานต่างๆ ที่มีอยู่ในวัสดุ ที่รอให้อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ รวมถึงระยะเวลาในการเกิดการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นด้วย แต่ชุดอุปกรณ์การทดลองที่พวกเขาใช้นั้น ได้ยกระดับ pump-probe ขึ้นไปอีกขั้นหนึ่ง  วิธีการนี้มีชื่อเรียกว่า high-resolution resonant impulsive stimulated Raman spectroscopy (RISRS) โดยใช้การกระตุ้นด้วยพัลส์ pump ที่สั้นมากๆ สั้นกว่า 10 femtosecond สั้นกว่าโหมดการสั่นของโมเลกุล การวัดแบบนี้นอกจากจะให้ข้อมูลเชิงอิเล็กทรอนิกส์ คือระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่แล้ว ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปแบบการสั่นของอะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นโครงสร้าง เมื่ออิเล็กตรอนขึ้นไปอยู่ ณ ระดับพลังงานนั้นๆ ด้วย ^[5] ให้ลองจินตนาการการสั่นเหมือนกับการเล่นชิงช้า ถ้าเราผลักด้วยแรงค่าหนึ่ง ชิงช้าก็จะแกว่งไปได้ไกลประมาณหนึ่ง แต่เมื่อเราผลักแรงขึ้น ชิงช้าก็จะแกว่งไปได้ไกลขึ้น รูปแบบการแกว่งที่เปลี่ยนไป อาจเปรียบเสมือนการสั่นของโครงสร้างของเพอรอฟสไกต์ที่เปลี่ยนไปเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นด้วยพลังงานที่ต่างกัน การที่เราจะบันทึกภาพชิงช้าที่จุดต่างๆ ได้นั้น เราต้องกดถ่ายภาพให้เร็วก่อนที่ชิงช้าจะกลับมายังจุดเดิม ดังนั้นพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากๆ จึงมีความสำคัญ เพราะการสั่นของโครงสร้างเพอรอฟสไกต์นั้นเกิดขึ้นเร็วมาก   

ภาพแสดงการวัดการสั่นของโมเลกุลด้วยเทคนิค pump-probe

ผลการทดลองที่พวกเขาได้น่าทึ่งมากเลยทีเดียว เพราะเขาพบว่าแต่ละส่วนในโครงสร้างของวัสดุเพอรอฟสไกต์นี้มีความยืดหยุ่นมาก พร้อมที่จะขยับไปพร้อมๆ กับเอ็กซิตอน ในหลากหลายรูปแบบ หากเปรียบว่าเอ็กซิตอนที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์นี้เป็นเหมือนนักเต้นรำ เมื่อได้รับพลังงานเพิ่ม มันก็พร้อมที่จะโลดแล่นออกไปในท่าทางต่างๆ แต่มันไม่ได้เต้นอยู่บนพื้นที่แข็งทื่อ แต่เป็นพื้นที่ยืดหยุ่นที่พร้อมจะขยับไปอย่างสอดคล้องกับการเต้นรำนั้น เมื่อนักเต้นรำขยับไปทางซ้าย พื้นเวทีก็พากันขยับไปทางซ้ายด้วย ก่อนที่จะพากันขยับกลับมาที่เดิมเพื่อรักษาโครงสร้างไว้ นอกจากนั้นพวกเขายังพบอีกว่านักเต้นรำที่ทำการแสดงอยู่นั้น ไม่ได้เหมือนกันทั้งหมด บ้างขยับมาก บ้างขยับน้อย บ้างก็เกาะกันเป็นคู่ ขึ้นอยู่กับพลังงานในการกระตุ้น ซึ่งแต่ละแบบทำให้พื้นเวทีขยับตอบสนองในรูปแบบที่ต่างกันออกไป ความสามารถในการยืดหยุ่นของโครงสร้างผลึกที่หลากหลาย สอดรับการเคลื่อนที่ของเอ็กซิตอนได้เป็นอย่างดีนี้ อาจเป็นคำอธิบายถึงความสามารถต่างๆ ของเพอรอฟสไกต์ได้

 
เราพูดถึงอิเล็กตรอน อนุภาคขนาดเล็กที่เป็นตัวการสำคัญทำให้เกิดคุณสมบัติต่างๆ ในวัสดุ อนุภาคเสมือน โฮล ที่มีประจุบวก เกิดจากพื้นที่ว่างที่อิเล็กตรอนทิ้งไว้เมื่อมันย้ายที่ไป เมื่ออิเล็กตรอนและโฮลมีแรงดึงดูดระหว่างกัน เราอาจเรียกมันรวมกันเป็นอนุภาคเสมือนชนิดใหม่ เอ็กซิตอน ซึ่งมันก็สามารถมีความสัมพันธ์กับเอ็กซิตอนตัวอื่นๆ อาจจับเป็นคู่ เรียกว่า ไบเอ็กซิตอน (biexciton) และอื่นๆ อีกมากมาย ในวัสดุนี้ เอ็กซิตอนแต่ละแบบมีความสัมพันธ์กับอะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นโครงสร้างผลึก ทำให้เกิดการสั่นในรูปแบบต่างๆ ปฏิกิริยาระหว่างเอ็กซิตอนกับโครงสร้างผลึกนี้ก็อาจมองเป็นอนุภาคเสมือนอีกชนิดหนึ่ง มีชื่อเรียกว่า โพลารอน การมีโพลารอนนี้นอกจากจะบ่งบอกถึงความยืดหยุ่นของโครงสร้างผลึกในระดับโมเลกุลของเพอรอฟสไกต์แล้ว มันยังเป็นตัวการสำคัญในการฉุดรั้งอิเล็กตรอน ไม่ให้เคลื่อนที่ออกไปไกลเมื่อได้รับการกระตุ้น เพื่อที่มันจะได้กลับมารววมตัวกับโฮลได้อย่างมีประสิทธิภาพ 


แผ่นเพอรอฟสไกต์บางๆ ถูกกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์สั้นๆ ไม่เกินพริบตา นำมาซึ่งอนุภาคเสมือนมากมายที่โลดแล่นอยู่ในวัสดุนี้ ทั้งหมดล้วนเป็นเบื้องหลังที่สำคัญของความสามารถในการเปล่งแสงของเพอรอฟสไกต์ ความรู้ความเข้าใจที่ได้จากการศึกษานี้ รวมถึงงานอื่นๆ ในวงการเพอรอฟสไกต์ จะเป็นพื้นฐานสำคัญให้เราได้นำวัสดุมหัศจรรย์นี้มาใช้ประโยชน์อย่างเต็มความสามารถ

 

เรียบเรียงโดย

ชนกานต์ พันสา
ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัย Cambridge สหราชอาณาจักร

• [1] “Best Research-Cell Efficiencies,” The National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2019. [Online]. Available: https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiency-chart.20190103.pdf.
• [2] “Light in, light out: the ‘rock’ that breaks the rules,” 2014. [Online]. Available: https://www.cam.ac.uk/research/features/light-in-light-out-the-rock-that-breaks-the-rules.
• [3] F. Thouin et al., “Phonon coherences reveal the polaronic character of excitons in two-dimensional lead halide perovskites,” Nat. Mater., 2019.
• [4] A. Kohler and H. Bassler, Electronic Processes in Organic Semiconductors, vol. 1. 2015.
• [5] M. Liebel, C. Schnedermann, T. Wende, and P. Kukura, “Principles and Applications of Broadband Impulsive Vibrational Spectroscopy,” J. Phys. Chem. A, vol. 119, no. 36, pp. 9506–9517, 2015.