การค้นหาสถานะทางควอนตัมของสารประกอบกลุ่มโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์และออกไซด์สำหรับพัฒนาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใหม่

3 กันยายน 2562

 

1. บทนำ    

 

        หลังจากการค้นพบกราฟีนในปี พ.ศ. 2548 [1] ทำให้งานวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ 2 มิติ (two-dimensional materials) และวัสดุแบบชั้น (layered-materials) ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมาก เนื่องจากวัสดุประเภทนี้สามารถแสดงสมบัติทางควอนตัมที่แปลกใหม่ซึ่งไม่สามารถพบได้ในวัสดุแบบก้อนใหญ่ (bulk materials) เช่น สถานะโทโพโลยี (topological states) และ การควบคู่ของสปินและวอลเลย์ (spin-valley coupling) เป็นต้น ซึ่งวัสดุที่แสดงสมบัติเหล่านี้สามารถนำไปพัฒนาและต่อยอดเป็นอุปกรณ์แห่งอนาคต เช่น ควอนตัมคอมพิวเตอร์ (quantum computer) และ วอลเลย์ทรอนิกส์ (valleytronics)

 

        ในโครงการวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ (electronic structure) เพื่อค้นหาเอกลักษณ์เฉพาะและสถานะทางควอนตัมของวัสดุโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์แบบชั้น (layered-transition metal chalcogenides, LTMDs) วัสดุชนิดนี้มีโครงสร้างอะตอมที่มีลักษณะพิเศษ ซึ่งประกอบด้วยพันธะเคมี (chemical bonding) ที่มีความแข็งแรงภายในระนาบ (in-plane) และพันธะแวนเดอร์วาลส์อย่างอ่อน (weak van der Waals interactions) ระหว่างระนาบ (out-of-plane) (แสดงในรูปที่ 1) ทำให้วัสดุชนิดนี้สามารถถูกลอกออกเป็นชั้นบางๆ ระดับอะตอม (atomically thin)ได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้วัสดุนี้ยังมีโครงสร้างอะตอมเฉพาะตัวที่เรียกว่า spin-inversion breaking ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของสมบัติที่โดดเด่นที่พบได้เฉพาะสารประเภทนี้ โดยในรายงานวิจัยย่อฉบับนี้ ทางคณะผู้วิจัยจะทำการนำเสนอการค้นพบสมบัติใหม่ 2 ชนิดในวัสดุโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์ คือ การค้นพบสถานะโทโพโลยีในวัสดุ PdTe2 และ การค้นพบการแยกออกของแถบวาเลนซ์ที่เกิดจากความเครียดในโครงสร้างของวัสดุ HfSe2 โดยการแทรกซึมของโลหะโซเดียม

 

 

รูปที่ 1 โครงสร้างอะตอมของวัสดุโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์แบบชั้น [2]

 

2. การค้นพบสถานะโทโพโลยีในวัสดุ PdTe2

 

        วัสดุ PdTe2 เป็นหนึ่งในวัสดุโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์ที่แสดงสมบัตินำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductor) นอกจากนี้วัสดุชนิดนี้ยังมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนและน่าสนใจ โดยโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ PdTe2 ที่ได้จากการคำนวณที่ตำแหน่งสมมาตรและออร์บิทัลชนิดต่างๆ ถูกแสดงในรูปที่ 2 a ทีมวิจัยพบว่าโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างระนาบ (out-of-plane) ที่วัดได้ด้วยเทคนิคโฟโตอิมิชชันสปกโทรสโกปีแบบแยกแยะเชิงมุม (angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)) มีความสอดคล้องกับการคำนวณ อย่างไรก็ตามคณะผู้วิจัยพบว่าที่ระดับพลังงานบริเวณ -1 ถึง -2 eV มีสถานะบางตำแหน่งที่ไม่สอดคล้องกับการคำนวณ โดยพบว่าสถานะที่ไม่สอดคล้องนี้มีลักษณะพิเศษคือมีการกระจายตัวแบบตรง (flat band dispersion) และ สถานะ bulk Dirac cones (BDP) ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของสถานะ 2 มิติ ทั้งนี้ผู้วิจัยทำการศึกษาโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในระนาบ (in-plane) ทั้งจากการทดลอง (ARPES) และการคำนวณบริเวณพื้นผิวจำนวน 2 ยูนิตเซลล์ (2 unit cells: density functional theory calculation) (รูปที่ 2 c และ d) โดยสรุปพบว่าวัสดุ PdTe2 แสดงสถานะโทโพโลยีจำนวน 2 ตำแหน่ง (TSS1 และ TSS2) และ BDP อย่างชัดเจน จากงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุโลหะทรานซิชันแชลโคเจไนด์สามารถแสดงสมบัติที่หลากหลายและแสดงออกได้พร้อมกัน (coexistence) ซึ่งการค้นพบสมบัติโทโพโลยีในวัสดุที่มีสมบัติตัวนำยิ่งยวดจะช่วยสร้างความเข้าใจรวมถึงการพัฒนาสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้ [3]

 

 

รูปที่ 2 a) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์จากการคำนวณ b) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างระนาบ (out-of-plane) c) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในระนาบ (in-plane) และ d) แสดงการค้นพบสถานะพิเศษ 2 ชนิด คือ bulk Dirac cones  และ สถานะโทโพโลยีที่ได้จากการทดลอง ARPES ในวัสดุ PdTe2

 

3. การค้นพบการแยกออกของแถบวาเลนซ์ที่เกิดจากความเครียดในโครงสร้างของวัสดุ HfSe2 โดยการแทรกซึมของโลหะโซเดียม

 

        ทีมวิจัยได้ทำการศึกษาการเปลี่ยนโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ HfSe2 โดยใช้เทคนิคโฟโตอิมิชชันสปกโทรสโกปีแบบแยกเชิงมุม (ARPES) ประกอบกับการเจือด้วยโซเดียม ดังแสดงในรูปที่ 3 ทางผู้วิจัยพบว่าแถบพลังงานชั้นวาเลนซ์ของวัสดุชนิดนี้มีการแยกออกสูงถึง 400 มิลลิอิเล็กตรอนโวลต์ (meV) ดังแสดงด้วยสัญลักษณ์ (vs) รวมทั้งพบว่าช่องว่างแถบพลังงานมีขนาดลดลงประมาณ 280 meV เมื่อทำการเจือด้วยโซเดียม โดยอาศัยการคำนวณด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น (density functional theory) การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นสามารถอธิบายได้ด้วยปรากฏการณ์การเสียรูปของบ่อศักย์พลังงาน (band deformation potential) ซึ่งเกิดจากความเครียด (strain) ที่เกิดขึ้นในโครงสร้างจากการแทรกซึมของโซเดียม ดังแสดงในรูปที่ 4 พบว่าเมื่อทำการเจืออะตอมโซเดียมทำให้เกิดความเครียดขึ้นในโครงสร้างของวัสดุ HfSe2 (รูปที่ 4 b) นอกจากนี้ยังพบว่าแถบพลังงานวาเลนซ์มีการแยกออกเมื่อมีความเครียดเกิดขึ้นในโครงสร้างของวัสดุ HfSe2 ซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง งานวิจัยนี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพฤติกรรมการแทรกซึมของโลหะและความเครียดที่เกิดขึ้นในโครงสร้างวัสดุ รวมถึงการควบคุมการแยกออกของชั้นพลังงาน ซึ่งสามารถที่จะต่อยอดไปใช้ในอุปกรณ์ยุคใหม่ เช่น สปินทรอนิกส์ (spintronics) และ สเตรนทรอนิกส์ (straintronics) [4]

 

 

รูปที่ 3 โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของผลึกเดี่ยว HfSe2 a) ผลึกบริสุทธิ์ b) ผลึกหลังจากการเจือด้วยโซเดียม

 

 

รูปที่ 4 a) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์จากการคำนวณด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น b) การเกิดความเครียดในผลึกที่เกิดจากการเจือด้วยอะตอมโซเดียม การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ HfSe2 เมื่อ c) ไม่มีความเครียดในโครงสร้าง d) มีความเครียด ในโครงสร้าง

 

4. งานวิจัยอื่นๆ

 

        ทางคณะผู้วิจัยได้ทำการวิจัยและตีพิมพ์ผลงานวิจัยที่เกี่ยวข้องในวารสารนานาชาติ จำนวน 3 เรื่อง ได้แก่

        

        4.1 การศึกษาโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์และรูปร่างของ Fermi surface ในวัสดุตัวนำยิ่งยวด (PdTe2 และ PtSe2) โดยใช้การประสมประสานระหว่างการทดลองและการคำนวณ [5]        

        4.2 การพัฒนาสมบัติแม่เหล็กเฟอร์โรบนฟิล์มคาร์บอนที่เตรียมด้วยเทคนิคการเคลือบแบบระเหยโดยการลอก [6]

        4.3 การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างค่าควบคู่สปิน-ออร์บิทและ Local Self-Energies [7]

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] K.S. Novoselov et al., Proc.Natl. Acad. Sci. USA 102(30): 10451 (2005).

[2] Chhowalla, et. al., Nat. Chem. 5, 263 (2013)

[3] M.S. Bahramy,…, W. Meevasana, P. D. C. King, Nat. Mater 17, 21 (2018).

[4] Phys. Rev. B 97, 201104(R) (2018).

[5] O. J. Clark,…, W. Meevasana et al., Phys. Rev. Lett. 120, 156401 (2018)

[6] S. Sangphet,…,  W. Meevasana* Appl. Phys. Lett. 112, 242406 (2018)

[7] A. Tamai, …, W. Meevasana, et. al., Phys. Rev. X 9, 021048 (2019)

 

รายงานโดย

 

รศ. ดร. วรวัฒน์  มีวาสนา

สาขาวิชาฟิสิกส์  สำนักวิชาวิทยาศาสตร์  มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ. นครราชสีมา-30000

E-mail:  worawat@sut.ac.th