สำนักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ตู้ ปณ.70 มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202 โทรศัพท์ (053) 942650-3 โทรสาร (053) 222774
หน้าหลัก งานวิจัย ข่าววิชาการทั่วไป ตรวจสอบงานวิจัย เว็บลิ้งค์ แบบฟอร์มต่างๆ อีเมลล์ ฟิสิกส์เพื่อผู้ประกอบการ Q&A  E-Office ข่าวรับสมัครงาน
 
1.หน่วยวิจัยด้านลำไอออนและการประยุกต์
(Ion Beam Physics & Applications Research Unit)


(ก) ขอบเขต
       กิจกรรมวิจัย/ศึกษาด้านนี้จะเกี่ยวข้องกับอันตรกิริยา (Interaction) ระหว่างอนุภาคไอออนหลายชนิดกับวัสดุต่างๆ ทั้งที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต โดยอนุภาคไอออนเหล่านี้จะเป็นกลุ่มที่มีมวลตั้งแต่ระดับอนุภาคโปรตอน (มีมวลมากกว่าอนุภาคอิเล็กตรอน 1836 เท่า) ขึ้นไปจนถึงระดับไอออนของอะตอมต่างๆ

(ข) เครื่องมือที่เกี่ยวข้อง
       อนุภาค/ไอออนดังกล่าวจะถูกผลิตและถูกเร่งให้มีพลังงานสูงขึ้นถึงระดับ keV และ MeV(1 จูลส์ = 6.242 x 1012 MeV = 6.242 x 1015 keV หรืออนุภาคโปรตอนพลังงาน 1 MeV มีความเร็ว 1.4 x 107 เมตร/วินาที โดยที่แสงมีความเร็ว 3 x 108 เมตร/วินาที) ด้วยเครื่องเร่งอนุภาค 4 ชนิด ดังต่อไปนี้
1. 1.7 MV Tandem " Tandetron " Accelerator 2. Varian Ion Implanter
3. CMU Nitrogen Ion Implanter 4. CMU Vertical Ion Implanter

1. Tandem "Tandetron " Accelerator
       เป็นเครื่องเร่งอนุภาค/ไอออน ชนิดแทนเด็มเครื่องแรกและเครื่องเดียวของประเทศไทย ที่ได้รับบริจาคมาจากภาควิชาฟิสิกส์ของ Chalmers University of Technology เมือง Gothenburg ประเทศสวีเดน ผลิตโดยบริษัท High Voltage Engineering Europa แห่งประเทศเนเธอร์แลนด์ ในชื่อรุ่นว่า "Tandetron" มีราคาประมาณ 50 ล้านบาท สามารถผลิตไอออนได้หลายชนิดมากจากเครื่องผลิตไอออน 2 ชนิด คือ ชนิด Duoplasmatron ion source และ Cs sputter ion source และสามารถเร่งให้ไอออนเหล่านี้ มีพลังงานสูงขึ้นระหว่าง 0.8-5 MeV ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับค่าประจุไฟฟ้าของไอออนเองด้วย หน้าที่หลัก คือ ใช้ในการวิเคราะห์ผิวของวัสดุด้วยเทคนิคต่างๆ ใช้ในการสังเคราะห์วัสดุสมัยใหม่ และใช้ในการดัดแปลงผิววัสดุในระดับไมครอน
ภาพถ่ายเครื่องผลิตไอออนทั้ง 2 ชนิด ที่ติดตั้งเข้ากับระบบของเครื่องเร่งอนุภาคแทนเดอตรอน แล้ว เครื่องผลิตไอออนทั้งสองได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ผลิตโดยบริษัท Peabody มลรัฐแมสสาชูเซตต์ สหรัฐอเมริก

2. Varian Ion Implanter
       เคยเป็นเครื่องไอออนอิมพลานเตอร์ เครื่องแรกของประเทศ [ปัจจุบันมีอีก 2 เครื่อง ที่ศูนย์วิจัย Electronics Research Center (ERC) สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง กับที่ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิคส์ (TMEC) ที่จ.ฉะเชิงเทราของศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ] ซึ่งได้รับบริจาคมาจากบริษัท RadioMed รัฐแมสสาชูเชตต์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ผลิตโดยบริษัท Varian แห่งสหรัฐอเมริกาในชื่อรุ่น 200 DF-5 Varian Extrion มีราคาประมาณ 25 ล้านบาท สามารถผลิตไอออนจากแก๊สได้หลายชนิดด้วยเครื่องผลิตไอออนชนิด Freeman type ion source โดยมีแม่เหล็กคัดแยก (analyzing magnet) และสามารถเร่งไอออนให้มีพลังงานได้ระหว่าง 50-200 keV หน้าที่หลักคือ ใช้ในการสังเคราะห์และดัดแปลงผิววัสดุที่มีความหนาระดับไมครอน

3. CMU Nitrogen Ion Implanter
       เป็นเครื่องเร่งไอออนไนโตรเจนเครื่องที่สองที่เราสร้างขึ้นเอง ผลิตไอออนไนโตรเจนจาก Duoplasmatron ion source สามารถเร่งไอออนไนโตรเจนให้มีพลังงานได้ ระหว่าง 30-120 keV โดยเป็นลำไอออนขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 12 ซม. ระบบนี้ไม่มีแม่เหล็กคัดแยกไอออน หน้าที่หลักคือ ใช้ในการดัดแปลงผิววัสดุด้วยเทคนิค Ion implantation และใช้ในการชักนำให้เกิดการกลายพันธ์ (Induced mutation) ในพืช

4. CMU Vertical Ion Implanter
       เป็นเครื่องเร่งไอออนพลังงานต่ำอีกเครื่องที่สร้างขึ้นเองเพื่องานวิจัยทางด้านชีววิทยาโดยเฉพาะ สามารถผลิตไอออนได้หลายชนิด จาก Nielsen type ion source มีพลังงานระหว่าง 2.5-30 keV มีแม่เหล็กคัดแยกไอออน และที่สำคัญลำไอออนถูกยิงลงมาในแนวดิ่ง เพื่อให้เหมาะกับชิ้นงานทางชีววิทยาที่มักใส่หรือเลี้ยงอยู่ในถาดแก้ว petri disc หน้าที่หลัก คือ ใช้ศึกษาผลของอันตรกิริยาระหว่างไอออนชนิดต่างๆ กับเซลล์หรือเนื้อเยื่อ

(ค) ผลพลอยได้ที่มีประโยชน์เชิงประยุกต์
1. เทคนิคการวิเคราะห์ธาตุแบบที่ใช้ลำไอออนกระตุ้น
       ความก้าวหน้าของโลกอนาคต ขึ้นอยู่กับคุณภาพของวัสดุเป็นอย่างมาก ซึ่งได้พิสูจน์แล้วอย่างชัดเจนว่าวัสดุเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่โต ก็มีประโยชน์มหาศาลได้ เช่น วัสดุ Magnetoresistance ที่ทำหัวอ่าน/เขียนของฮาร์ดดิสก์มีขนาดเล็กจนมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า การวิเคราะห์ตรวจสอบวัสดุสมัยใหม่เหล่านี้จึงต้องใช้เทคนิคพิเศษ และมักต้องใช้หลายวิธีร่วมกัน
       ด้วยเครื่อง 1.7 MV tandem "Tandetron" accelerator ที่ได้รับบริจาคมา ทำให้เราสามารถพัฒนาเทคนิควิเคราะห์ที่ใช้อนุภาค/ไอออน เป็น โพรบ (probe) สำเร็จ 4 ชนิด คือ เทคนิค RBS , RBS/Channeling, PIXE และ IL ซึ่งไม่เคยมีมาก่อนในประเทศไทย ปัจจุบันเปิดให้บริการแก่ผู้ที่สนใจทั่วไปแล้ว รายละเอียดของเทคนิควิเคราะห์ทั้ง 4 ดังกล่าว สามารถดูได้ที่เอกสาร ชื่อ "คู่มือแนะนำเทคนิควิเคราะห์ RBS, RBS/Channeling, PIXE และ IL" และบทความชื่อ "เทคนิค PIXE กับปัญหาหมอกควันที่เชียงใหม่" ที่ตีพิมพ์อยู่ในวารสารฟิสิกส์ไทย ฉบับ กย.-พย. 2550 และบทความวิชาการดังต่อไปนี้
- T. Kamwanna, N. Pasaja, L.D. Yu, T. Vilaithong, A. Anders and S. Singkarat, "MeV-ion beam analysis of the interface between filtered cathodic arc-deposited a-carbon and single crystalline silicon " , Nucl. Instr. and Meth.B, Meth B266 (2008) 5175-5179
ภาพถ่ายภายใน analysis chamber แสดงให้เห็นถึงตำแหน่งของหัววัดต่างๆที่ใช้ในเทคนิควิเคราะห์ทั้ง 4 ชนิด
2. การพัฒนาพันธุ์พืชโดยการชักนำให้กลายพันธุ์ด้วยไอออน

        มีภาพที่ค่อนข้างชัดเจนว่า โลกอนาคตในอีกประมาณ 40 ปีข้างหน้า (นับจากปี พศ. 2551) จะประสบกับวิกฤตการณ์ของเรื่องน้ำมันดิบกับอาหารมีราคาแพงและภาวะโลกร้อน คำตอบหนึ่งของทั้ง 3 ปัญหาอาจอยู่ที่เรื่องการเกษตรกรรมสมัยใหม่ที่มีการพัฒนาพันธุ์พืชที่ให้ผลผลิตสูง ปรับตัวได้ดีกับความแปรปรวนของภูมิอากาศ และยังสามารถใช้ลำต้นผลิตเอทธานอลได้อีกด้วย
        การพัฒนาพันธ์พืชที่รวดเร็ววิธีหนึ่งก็คือการชักนำให้เกิดการกลายพันธ์ ซึ่งผลพลอยได้จากการที่มีเครื่อง Ion implanter เองหลายแบบ ทำให้เราประสบความสำเร็จเป็นแห่งแรกของโลกในการชักนำให้พืชกลายพันธ์โดยใช้ลำไอออนไนโตรเจนพลังงานต่ำ ดังจะเห็นได้จากตัวอย่างต่อไปนี้
ดอกเยอบีรากลายพันธุ์ ต้นชวนชม กลายพันธุ์(ให้ดอกมี 4 กลีบด้วย) ข้าวหอมมะลิกลายพันธุ์(ให้ข้าวเจ้าสีม่วงเข้ม)
รายละเอียดของเรื่องนี้ สามารถดูได้ที่บทความชื่อ "เทคโนโลยีชีวะวิศวกรรมลำไออน" ที่ตีพิมพ์อยู่ในวารสารฟิสิกส์ไทย ฉบับ กย.-พย. 2551,หน้า 10 - 14

3. การสังเคราะห์วัสดุสมัยใหม่ ด้วยเทคนิค Ion Implantation และ Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)
        การสังเคราะห์ฟิล์มบางของวัสดุสมัยใหม่ เพื่อให้มีคุณสมบัติเฉพาะบางประการดีขึ้นกว่าเดิม มีทำกันหลายวิธี เช่น วิธี Spray pyrolysis deposition, Magnetron sputtering , Molecular beam epitaxy (MBE), Chemical vapor deposition (CVD), Atomic layer deposition (ALD) ฯลฯ แต่ก็มีอีกบางวิธีที่ใช้ลำไอออน คือ เทคนิค Ion implantation ที่วงการพัฒนาเซมิคอนคัดเตอร์ใช้ในการโด๊ป (dope) ผลึกซิลิกอนเพื่อให้ กลายเป็นชนิด p-type (โด๊ปด้วยไอออนโบรอน) หรือ n-type (โด๊ปด้วยไอออนฟอสฟอรัสหรืออาร์เซนิค) แต่ที่ผ่านมาเราได้ใช้เทคนิคนี้อิมพลานต์ไอออนคาร์บอน เข้าไปในซิลิกอนเวเฟอร์ เพื่อกระตุ้นให้เกิด SiC layer บางๆ ขึ้น ดังปรากฏรายละเอียดในเอกสารวิชาการดังต่อไปนี้
        - S. Intarasiri, L.D. Yu , S. Singkarat, A. Hallen, J. Lu, M. Ottosson, J. Jensen and G. Possnert, "Effects of low-fluence swift iodine ion bombardment on the crystallization of ion-beam-synthesized silicon carbide " , J. Appl. Phys. 101, 2007, s.084311.
        - S. Intarasiri, A. Hallen, J. Lu, J. Jensen, L.D. Yu, K. Bertilsson, M. Wolborski, S. Singkarat, and G. Possnert, " Crystalline quality of 3C-SiC formed by high-fluence C+-implanted Si", Applied Surface Science 253(2007) 4836-4842.
        ในลำดับต่อไป เราจะผสมผสานวิธีการนี้กับเทคนิคการระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน (e-beam evaporator) ซึ่งเรียกรวมว่าเทคนิค Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) เพื่อสังเคราะห์ชั้นฟิล์มบางของวัสดุสมัยใหม่ที่มีคุณสมบัติดีขึ้น เช่นเพื่อใช้ทำ Thermoelectric device (TE) ที่สามารถเปลี่ยนความร้อนเป็นกระแสไฟฟ้าได้เป็นต้น ซึ่งเป็นอีกแนวทางหนึ่งในการมีส่วนร่วมด้วยช่วยกันในความพยายามเตรียมแผนสำรองเพื่อผ่อนผลกระทบของวิกฤตการณ์พลังงานในอนาคต
ระบบ e-beam evaporator ที่ได้รับการสนับสนุนมาจากทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ [International Atomic Energy Agency (IAEA), Vienna] ผลิตโดยบริษัท Tectra GmbH ณ เมืองแฟรงเฟิร์ต ประเทศเยอรมนี

4. การประดิษฐ์อุปกรณ์จิ๋วด้วยเทคนิค Ion Beam Lithography
        ลำอนุภาคโปรตอนหรือลำไอออนฮีเลี่ยมที่มีพลังงานในเรือนMeV ยังมีบทบาทที่สำคัญอีกประการ คือ สามารถใช้เขียนลวดลายลงบนวัสดุบางประเภทได้ เช่น พอลิเมอร์ ซึ่งมีข้อดีเหนือ เทคนิค Electron-beam lithography หรือ Photolithography หรือ Focused ion beam ตรงที่สามารถทำให้เกิดร่องที่ลึกกว่า แคบกว่า และคมกว่า หรือที่กล่าวกันว่ามีค่า aspect ratio สูง เราได้ประสบความสำเร็จขั้นต้นในการทำร่องลวดลายขึ้นมาบนชั้นพอลิเมอร์ ชนิด PMMA ที่มีค่า aspect ratio = 10 โดยใช้ลำไอออนฮีเลี่ยม พลังงาน 3 MeV ซึ่งปรากฏรายละเอียดอยู่ในบทความวิชาการดังต่อไปนี้
        - N. Puttaraksa, S. Gorelick, T. Sajavaara, M. Laitinen, S. Singkarat, and H. J. Whitlow, "Programmable proximity aperture lithography with MeV ion beams ", Journal of Vacuum Science and Technology B, Technology B26 (2008) 1732 - 1739
        ในลำดับต่อไปนี้ จะได้ใช้เทคนิคนี้ พัฒนา microfluidic device เพื่อทำเป็น เซนเซอร์จิ๋ว สำหรับงานด้านชีววิทยาและวิทยาศาสตร์การแพทย์ โครงการนี้เป็นการร่วมมือกับห้องปฏิบัติการของ Prof. Harry J. Whitlow ที่ภาควิชาฟิสิกส์ แห่งUniversity of Jyvaskyla ประเทศฟินแลนด์
แสดงสมรรถภาพของลำอนุภาค โปรตอนที่เหนือกว่าวิธีการอื่นๆ
[F. Watt et al., Int. J. Nanosci. 4 (2005) 269.]
ภาพขยายแสดงคุณภาพของร่องใน PMMAหนา 7.5 ไมครอน ที่ทำขึ้นโดยลำไอออนฮีเลี่ยม

ง) การศึกษา/วิจัยที่พยายามยืนบนขาตนเอง
        การสร้างชาติจำเป็นต้องมีคนรุ่นใหม่ที่มีความสามารถและมีทักษะใช้ทั้งสมองและสองมือคิดและสร้างชิ้นงานจริงๆได้เป็นอย่างดี การวิจัย/ศึกษาทางด้านฟิสิกส์ทดลอง (Experimental Physics) จึงเป็นการฝึกฝนที่ครอบคลุมที่สุดโดยเฉพาะการได้มีโอกาสใช้เครื่องมือขนาดใหญ่ และ/หรือ ที่มีความสลับซับซ้อนสูง แต่เครื่องมือเหล่านี้ก็มักจะมีราคาสูงตามไปด้วย ดังนั้น เราจึงหาทางออกโดยการพยายามสร้างเครื่องมือขึ้นเองด้วยดังเช่น การสร้างเครื่อง Ion implanter ขึ้นเอง ดังกล่าวแล้ว นอกจากนั้น ยังได้สร้างอุปกรณ์/เครื่องมือเสริมอีกหลายชนิด ดังตัวอย่างต่อไปนี้
เครื่อง Thermal evaporator เครื่อง Spin Coater(อัตราการหมุน 500-3,500 rpm ควบคุมให้คงที่ด้วยระบบ Negativefeedback optical encoder)
                  
ระบบ aperture ของลำอนุภาคโปรตอน หรือ ไอออนฮีเลี่ยมที่ปรับขนาดและรูปทรงได้ 2 มิติ ที่มีความละเอียดสูงระดับ 0.5 ไมครอน

จ) คณะทำงาน
นักวิจัย : รศ. ดร.สมศร สิงขรัตน์ ผู้ประสานงาน
  ผศ.ดร. ยู เหลียงเติ้ง
รศ.ดร. สมบูรณ์ อนันตลาโภชัย
ดร.ดุษฎี สุวรรณขจร
ผศ.ดร.อุดมรัตน์ ทิพวรรณ
ดร.เสวต อินทรศิริ
ดร.ธีรศักดิ์ คำวรรณะ
วิศวกรคอมพิวเตอร์/อิเล็กทรอนิกส์ : Mr. Michael W. Rhodes
เจ้าหน้าที่เทคนิคด้านอิเล็กทรอนิกส์ : นายวิฑูรย์ จินะมูล
นายวิษณุ บุญสุข
เจ้าหน้าที่เทคนิคด้านเครื่องเร่งอนุภาค : นายโฉม ทองเหลื่อม
นายสุวิชา รัตนรินทร์
นายระเบียบ สุวรรณโกสุม
นายชาญวิทย์ ศรีพรหม
เจ้าหน้าที่เทคนิคด้านโรงงานเครื่องกล : นายราเชนทร์ เจริญนุกูล
นายสันติศักดิ์ คำสุข
นายประเสริฐ ใจนันตา
นักศึกษาปริญญาเอก : นายนิธิพนธ์ พุทธรักษา
นายกิตติคุณ พระกระจ่าง
นายจิระเดช คูหากาญจน์
นักศึกษาปริญญาโท : นางสาวสุรีย์พร สราภิรมย์
นายรัฐชัย ปิ่นชัยพัฒน์
นางสาวนรินประภา ศรันย์วงศ์
นางสาวเจจิรา คำสุวรรณ
 

สถานที่ติดต่อ
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ.เชียงใหม่ - 50200
โทรศัพท์ : 053-942464,943379
โทรสาร : 053-222776
E-mail : scphi005@chiangmai.ac.th
สำนักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์
ตู้ ปณ.70 มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202
โทรศัพท์ (053) 942650-3 โทรสาร (053) 222774