Nuclear Science
STKC 2554

มองดูอะตอมที่ขอบของแกรฟีน

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

การกราดตรวจและสร้างภาพจำแนกให้เห็นความแตกต่างของอะตอมคาร์บอนตามขอบของแผ่นกราฟีน

สมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ (electronic properties) ของอุปกรณ์ระดับนาโน (nanodevices) ขึ้นกับโครงสร้างขนาด สองสามอะตอมเป็นอย่างมาก ดังนั้น การที่สามารถจะระบุอะตอมเดี่ยว ๆ และสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของมันได้ จึงมีความสำคัญเพิ่มขึ้น ๆ ในขณะที่อุปกรณ์ก็เล็กลง ๆ ถึงวันนี้ นักวิจัยชาวญี่ปุ่นสามารถวัด สเปกตรัมของอิเล็กตรอน (electronic spectra) ที่เปล่งจากอะตอมคาร์บอนเดี่ยวของแผ่นแกรฟีน (graphene) ได้แล้ว โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนติดตั้งร่วมกับ หัวตรวจ (probe) ขนาดจิ๋ว ที่แตกต่างจากกรรมวิธีแต่เก่าก่อนก็คือ กรรมวิธีนี้ไม่ทำลาย สารตัวอย่างให้เสียหาย และยังสามารถใช้ตรวจ โครงสร้างอิเล็กตรอนเฉพาะที่ (local electronic structure) ของวัสดุได้หลากหลายชนิด

การที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เล็กลงทุกที สมบัติของอุปกรณ์ที่ยิ่งเล็กลงนี้ ก็ยิ่งต้องแตกต่างไปจากอุปกรณ์ที่มีขนาด ใหญ่กว่า ทำให้นักออกแบบอุปกรณ์ต้องการวิธีการใหม่ ๆ ที่มีคุณลักษณะของอุปกรณ์ ที่ทำงานได้ในระดับอะตอม ยกตัวอย่างแกรฟีน (แผ่นอะตอมคาร์บอนที่หนาเพียงหนึ่งอะตอม) ซึ่งกำลังมีอนาคตมาก สำหรับใช้ทำอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโน เพราะมีสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และเชิงกลที่โดดเด่น อันรวมถึงการนำไฟฟ้าที่สูงสุดขีด และความแข็งแกร่งที่สูงยิ่ง อย่างไรก็ดี สมบัติเหล่านี้ของแกรฟีนขึ้นกับการจัดเรียงอะตอมที่ตรง “ขอบ” ของชิ้นวัสดุ เป็นอย่างมาก

แม้พวกนักวิจัยจะสามารถใช้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบการส่งผ่าน (transmission electron microscope) และ กล้องจุลทรรศน์ทันเนลลิงแบบกราดตรวจ (scanning tunnelling microscope) ตรวจสอบแกรฟีนได้แล้ว แต่จนถึงบัดนี้ ก็ยังไม่สามารถวิเคราะห์โครงสร้างบริเวณขอบ ด้วยระดับของ การแยกชัดในมาตราส่วนอะตอม (atomic-scale resolution) ได้ แม้ว่าเทคนิค การสร้างภาพด้วยสนามมืดรูปวงแหวน (annular dark-field imaging) หรือเทคนิคสเปกโทรสโกปี การสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอน (electron energy loss spectroscopy) สามารถใช้วิเคราะห์ธาตุในระดับ อะตอมเดี่ยว แต่เป็นเรื่องยากที่จะได้ข้อมูลโดยรายละเอียดเกี่ยวกับอะตอมเบาใด ๆ อาทิเช่น คาร์บอน ทั้งนี้เนื่องจาก ลำพลังงานสูงที่ใช้ในกรรมวิธีพวกนี้ จะทำลายตัวอย่างในระดับต่าง ๆ กัน

โครงสร้างพันธะ
ถึงวันนี้ คะซุ ซุเอะนะงะ (Kazu Suenaga) กับผู้ร่วมงานที่สถาบัน AIST ในสึกุบะ ก็เอาชนะปัญหานี้ได้แล้ว โดยการใช้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำ (low-voltage electron microscope) มาทำหน้าที่รวม สเปกตรัมของพลังงาน ที่สูญเสีย (energy-loss spectra) จากอะตอมเดี่ยว ๆ ตามขอบของแกรฟีนได้สำเร็จ ทำให้พวกเขาสามารถสร้างภาพ โครงสร้างพันธะและอิเล็กตรอนของอะตอมที่อยู่ตามขอบได้ และสามารถแม้แต่บอกความแตกต่างระหว่างพันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสามระหว่างอะตอมคาร์บอนได้ด้วย

“กรรมวิธีสเปกโทรสโกปีเดิม ๆ มักจะทำลายตัวอย่าง ก่อนที่จะสามารถวัดสเปกตรัมได้ โดยเมื่อแรงดันไฟฟ้าเมื่อยิ่ง เร่งสูงขึ้น ก็ต้องใช้หัวตรวจที่มีขนาดเล็กลงถึงประมาณ 0.1 นาโนเมตร” ซุเอะนะงะ อธิบาย “ดังนั้น เราจึงใช้ ใยแก้วนำอิเล็กตรอน (electron optics) แบบใหม่ ใช้พื้นฐานอย่างที่เรียกว่า ตัวแก้ความผิดปรกติ (aberration correctors) มาใช้ทำหัวตรวจที่มีขนาดเดียวได้ โดยไม่ต้องเร่งแรงดันไฟฟ้าให้สูงเกินกว่า 60 กิโลโวลต์ ซึ่งแรงดันไฟฟ้า ระดับนี้ ต่ำกว่าค่าของ พลังงานวิกฤต (critical energy) ที่ทำนายไว้ว่า จะทำให้อะตอมคาร์บอนเกิด ความเสียหาย การปะทะ (knock-on damage) ได้”

เทคนิคนี้ทำให้คณะนักวิจัยสามารถจำแนกได้ระหว่างอะตอมคาร์บอนที่ เกิดปฏิกิริยาได้ (reactive) กับที่ เกิดปฏิกิริยาไม่ได้ (non-reactive) ในตัวอย่างแกรฟีน ซึ่ง ซุเอะนะงะ อธิบายต่อไปอีกว่า “เทคนิคนี้ยังทำให้เราสามารถ ตรวจหาบริเวณที่เกิด ปฏิกิริยาได้ดีที่สุดในโมเลกุลเดี่ยว ๆ ได้ด้วย และช่วยให้ทำนายได้ว่าโมเลเลกุล เช่นในกรณี โมเลกุลโปรตีน จะต้อง โตกว่าขนาดใด จึงจะเกิดปฏิกิริยาได้”

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังพยายามจะใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบของพวกเขา มาดำเนินการวิจัยกับธาตุอื่น ๆ นอกจาก คาร์บอน “ผมอยากจะลองจำแนกโครงสร้างอิเล็กตรอนของอะตอมซิลิคอนในพวกอุปกรณ์โฟโตวอลเทอิกดูบ้าง” ซุเอะนะงะ เผย

ผลงานนี้รายงานอยู่ใน Nature doi:10.1038/nature09664.

แปลจาก Watching atoms at graphene's edge เขียนโดย Belle Dum? บรรณาธิการร่วม nanotechweb.org บนเว็บไซต์ http://physicsworld.com/cws/article/news/44693

 
โพสต์เมื่อ : 11 มกราคม 2554