การศึกษาสภาพนำไฟฟ้าเชิงแสงและการสั่นของพลาสมาบนผิวแผ่นแกรฟีนบางสำหรับการเปล่งคลื่นความถี่ย่านเทร่าเฮิรตซ์

9 ธันวาคม 2563

 

       แกรฟีน วัสดุที่บางสุดเท่าที่นักวิทยาศาสตร์เคยค้นพบมีโครงสร้างทางกายภาพด้วยการเรียงตัวของคาร์บอนอะตอมลักษณะหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้งแผ่ขยายในระนาบสองมิติจึงทำให้ความหนาของแผ่นแกรฟีนชั้นเดี่ยวมีขนาดเท่ากับอะตอมคาร์บอนนั่นเอง โดยที่คาร์บอนอะตอมแต่ละตัวมีการเชื่อมต่อกับอะตอมข้างเคียงอีกสามอะตอมด้วยพันธะซิกม่า ( -bond) ด้วยการไฮบริดแบบ sp2 ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนอิสระในแถบพลังงานนำไฟฟ้า  อิเล็กตรอนดังกล่าวประพฤติตัวเป็นอนุภาคที่ปราศจากมวลในการเคลื่อนที่ (Massless Relativistic Particle) ส่งผลให้ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน-โมเมนตัม (E-k dispersion relation) ของมันจึงเป็นเส้นตรง [1] ลักษณะดังกล่าวทำให้ให้อิเล็กตรอนอิสระมีความคล่องตัวในการเคลื่อนที่สูงซึ่งเหมาะที่จะนำมาประยุกต์ใช้เป็นวัสดุนาโนอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ในงานความถี่สูงได้  แกรฟีนไม่ถือว่าเป็นโลหะในทางกลับกันมันถูกพิจารณาเป็นวัสดุกึ่งตัวนำที่ไม่มีช่องห้ามพลังงานที่สามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดียิ่ง ส่วนระดับพลังงานเฟอร์มิ (Fermi energy level) ของมันก็สามารถปรับจูนได้ด้วยการโดปจากสนามไฟฟ้าภายนอก [2] นอกจากนี้มันยังสามารถดูดกลืนโฟ-ตอนได้หลายช่วงพลังงานตั้งแต่แสงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต  (UV) จนถึงคลื่นความถี่ย่านเทร่าเฮิรตซ์ (THz) และยังแสดงสมบัติการนำไฟฟ้าได้ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลซึ่งเหมือนกับการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบ ambipolar [3]

 

       งานวิจัยที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่ามันเป็นวัสดุวิจัยพื้นฐานที่มีโครงร่างสองมิติได้นำไปสู่การทดสอบทางทฤษฎีและสืบค้นสมมติฐานใหม่ๆเกี่ยวกับควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกในระบบสสารควบแน่นได้อย่างดียิ่ง  การค้นพบวัสดุแกรฟีนและสมบัติทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำส่งผลให้ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัยแมนเซสเตอร์ ประเทศสหราชอาณาจักร คือ Professor Andre Geim และ Dr Konstantin Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2010 สำหรับการทดลองที่ก้าวล้ำของวัสดุวิจัยที่มาจากโครงร่างผลึกพื้นฐานสองมิติที่จะเป็นแรงผลักดันให้นำไปสู่การพัฒนาเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ล้ำสมัยในอนาคต [4]

 

       หลังจากรางวัลอันทรงเกียรติที่ทั้งสองท่านได้รับในปี 2010 ต่อมาได้มีแนวความคิดจากทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัย Massachusetts Institute of Technology ประเทศสหรัฐอเมริกา ในการนำแผ่นแกรฟีนบางมาเป็นองค์ประกอบหนึ่งเพื่อใช้เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นสั้นรังสีเอ็กซ์ (X-Ray) โดยใช้อิเล็กตรอน (หมายถึง Incoming electron) ที่มีพลังงานสูง (ระดับ MeV) มากระตุ้นในแนวระนาบ X-Y กับแผ่นแกรฟีนบางบนแผ่นวัสดุกึ่งตัวนำ ซึ่งพลังงานที่เปล่งออกมาสามารถปรับเปลี่ยนได้หลายช่วงความถี่ตาม พลังงานอิเล็กตรอนที่มากระตุ้น และ  พลาสมอนของแผ่นแกรฟีน [5]

 

       ในทางฟิสิกส์พลาสมอนเป็นสถานะหนึ่งของควอนตัมของการสั่นพลาสมา (Plasma Oscillations) เช่นเดียวกับ  โฟตอนในเรื่องแสงซึ่งเป็นสถานะของควอนตัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า   โดยทั่วไปเราอาจกล่าวได้ว่าพลาสมอนผิว (Surface Plasmons - SPs) คือการสั่นของอิเล็กตรอนบนผิวตัวนำบริเวณรอยต่อระหว่างตัวนำกับวัสดุที่ตัวนำนั้นสัมผัสอยู่ เช่น ตัวนำกับอากาศ หรือ ตัวนำกับชั้นฉนวนออกไซด์เป็นต้น ซึ่งเมื่อวัสดุ 2 ชนิดมีค่าสภาพซึมผ่านทางไฟฟ้าต่างกันมาสัมผัสกันเมื่อมันถูกกระตุ้นด้วยแสงการสั่นของพลาสมอนผิวสามารถเกิดขึ้นได้บริเวณรอยต่อของวัสดุทั้งสองซึ่งแผ่ออกไปในทิศทางที่ขนานกับผิวตัวนำเป็นแบบคลื่นตามขวาง transverse magnetic (TM) อย่างไรก็ตามแอมปลิจูดของคลื่นนี้ถูกลดทอนในชั้นตัวนำจากความไม่สมบูรณ์ของผลึก เมื่อกล่าวในบริบทของการนำมาเป็นองค์ประกอบในการสร้างคลื่นรังสีเอ็กซ์ พลาสมอนผิวในแผ่นแกรฟีนบางจึงเรียกเป็นแกรฟีนพลาสมอน (GPs)  พลาสมอนผิวที่เกิดขึ้นในแกรฟีนมีโมเมนตัมสูงและสามารถถูกกักไว้ได้นานเมื่อมันถูกกระตุ้นด้วยแสง [6] ดังนั้นเมื่อลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงยิงเข้าไปในแนวขนานกับผิวแกรฟีนจึงทำให้เกิดการสั่นของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามแกรฟีนพลาสมอนและรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาพร้อมกับอิเล็กตรอนนั้นต่างจากหลักการกระเจิงแบบ Thomson/Compton ที่พิจารณาระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟตอน เพียงแต่ในกรณีนี้เราพิจารณาการเกิดขึ้นเป็นอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับพลาสมอนที่มีโมเมนตัมสูงนั่นเอง

 

       การนำพลาสมอนมาใช้ประโยชน์มีมากมาย ยกตัวอย่างงานวิจัยที่ได้รับความสนใจ ได้แก่ งานด้านไบโอเซ็นเซอร์ [7,8], งานด้านออปติกส์ [9-11], และงานด้านโฟโตนิกส์ [13]  วิธีการสร้างพลาสมอนบนแกรฟีนก็ใช้เทคนิคที่แตกต่างกันออกไปล้วนแล้วแต่เป็นการสร้างหรือทำให้เกิดโครงร่างนาโน (Nanostructures) ลงบนแผ่นแกรฟีนทั้งสิ้น เช่น การใช้นาโนแกรตติ่ง [14] แกรฟีนนาโนริบบอน [15] การใช้อนุภาคนาโน และ แท่งโลหะนาโน [16] เป็นต้น  

 

       เหตุใดเราจึงสนใจที่ใช้แกรฟีนบางในการสร้างคลื่นพลาสมอนต่อการเปล่งคลื่นเทร่าเฮิรตซ์? คำตอบอยู่ที่นอกจากที่มันเป็นวัสดุที่บางที่สุดแล้วแกรฟีนมีสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่ผสานกันแตกต่างจากวัสดุกึ่งตัวนำอื่นๆ พลังงาน-โมเมนตัมของมันที่เป็นเส้นตรงที่คงอยู่จนถึงอุณหภูมิห้องจึงทำให้มันมีช่วงการดูดกลืนและคายพลังงานโฟตอนที่สอดคล้องกับช่วงความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นด้วยตาเปล่าไปจนถึงคลื่นเทร่าเฮิรตซ์จากการเปลี่ยนถ่ายย้ายสถานะต่างแถบพลังงานหรือภายในแถบพลังงานเดียวกัน  ตลอดจนอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูง ซึ่งสมบัติที่สอดคล้องกันนี้สร้างความสนใจให้กับนักวิจัยและนักเทคโนโลยีในการพัฒนาขีดจำกัดของอุปกรณ์เปล่งแสงและอุปกรณ์ตรวจจับในย่านแสงโฟโตนิกส์

 

       ในงานโครงการวิจัยนี้ เรามุ่งทำการศึกษาสภาพนำไฟฟ้าเชิงแสงและการสั่นของพลาสมอนผิวของแผ่นแกรฟีนบางต่อการเปล่งคลื่นความถี่ย่านเทร่าเฮิรตซ์สู่การผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ด้านโฟโตนิกส์ ยกตัวอย่างเช่น ในเครื่อง THz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) อุปกรณ์หลักที่พบในเครื่องดังกล่าวนอกจากเลเซอร์แล้วยังมีอุปกรณ์เปล่งคลื่นและตัวตรวจจับคลื่นเทร่าเฮิรตซ์ที่ทำมาจากวัสดุกึ่งตัวนำที่ไวต่อแสงได้แก่ InGaAs, GaP และ GaAs วัสดุเหล่านี้ต้องใช้เครื่องจักรที่มีความละเอียดซับซ้อนและต้นทุนสูง จึงทำให้เราสนใจที่จะศึกษาสมบัติการนำไฟฟ้าเชิงแสงของวัสดุแกรฟีนและต้องการแสดงให้เห็นโอกาสที่จะนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้านตรวจจับสัญญาณคลื่นความถี่ย่านเทร่าเฮิรตซ์ต่อไป โดยงานวิจัยนี้เริ่มจากการศึกษาออกแบบวัสดุวิจัยต้นแบบจากแผ่นแกรฟีนบางที่สร้างขึ้นด้วยวิธีการ Chemical Vapour Deposition ซึ่งการดำเนินงานในปีที่ 1 เราได้ทำการติดตั้งระบบตรวจสอบการวัดและเก็บผลทางไฟฟ้าร่วมกับการกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ เป็นที่เรียบร้อยแล้ว

 

 

รูปที่ 1 วัสดุวิจัยต้นแบบที่ใช้สำหรับการศึกษาในโครงการวิจัยนี้  ภาพ (a) แสดงให้เห็นโครงร่างของวัสดุวิจัยที่ประกอบด้วยแผ่นแกรฟีนบางหลังจากขึ้นรูปเป็นช่องทางนำไฟฟ้า (สีน้ำเงินเข้ม) โดยมีความกว้างและรูปเรขาคณิตแตกต่างกันจำนวน 6 ช่องทาง (เรียกเป็นคู่ S1-D1 ถึง S6-D6) ภาพ (b) แสดงการตำแหน่งและลักษณะของแท่งโลหะนาโนทองคำบนช่องทางนำไฟฟ้าแกรฟีนที่มีฉนวนอะลูมิเนียมออกไซด์คั่นอยู่ ถ่ายกล้องจุลทรรศน์กำลังขยายสูง x 100 เท่า

 

       ภาพในรูปที่ 1 แสดงให้เห็นวัสดุวิจัยที่ทำมาจากแผ่นแกรฟีนบางที่ได้ขึ้นรูปเป็นช่องทางนำไฟฟ้าจำนวน 6 ช่องวางเรียงรายอยู่บนแผ่นซิลิกอนที่มีฉนวนไดออกไซด์ความหนา 285 นาโนเมตรคั่นอยู่  โดยที่ก่อนการขึ้นรูปนั้นแผ่นแกรฟีนเดิมมีขนาดราวๆ 10 x 10 ตารางมิลลิเมตร จากนั้นแผ่นแกรฟีนบางนี้ได้ถูกสกัดออกมาให้เป็นช่องทางนำไฟฟ้า จำนวน 6 ช่องทางโดยมีความกว้างตั้งแต่ 20 ถึง 100 ไมครอนและยาว 900 ไมครอน ดังแสดงในรูปที่ 1 (a) ด้วยการใช้วิธีการของห้องปฏิบัติการคลีนรูม จากนั้นด้วยเทคนิคการขึ้นรูปขั้นสูงของ electron-beam lithography แท่งโลหะนาโน (Nanorods) ขนาดเล็ก  (100 – 300 นาโนเมตรหนาประมาณ 25 นาโนเมตร) ได้ถูกบรรจุลงบนแผ่นแกรฟีนบนพื้นที่ราวๆ 20x20 ถึง 80x80 ตารางไมครอนในตำแหน่งที่ต้องการ โดยแต่ละแท่งวางห่างกันประมาณ 300 – 800 นาโนเมตรดังปรากฏเป็นพื้นที่สี่เหลี่ยมสีเหลืองขนาดเล็กในรูปที่ 1 (b)  อย่างไรก็ดีก่อนสร้างแท่งโลหะนาโนเราได้เคลือบอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ลงไปเพื่อใช้ในการศึกษาสมบัติ พลาสมอนของแผ่นแกรฟีนต่อไป

 

       จากรูปแบบการสร้างวัสดุวิจัยของเราที่แสดงให้เห็นนี้ ลำดับถัดไปเราจะทำการศึกษาการนำไฟฟ้าเชิงแสงต่อการกักเก็บพลาสมอนของแผ่นแกรฟีนบางตามขนาดและช่องว่างของแท่งนาโนตลอดจนความหนาของชั้นอลูมิเนียมออกไซด์ด้วยการกระตุ้นของแสงเลเซอร์ต่อไป

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] Novoselov, K. S. et al., Nature 438, 197 (2005).

[2] Geim, A. K., and Novoselov, K. S., Nature Materials. 6, 183 (2007).

[3] Geim, A. K., Science 324, 1530 (2009).

[4] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/summary/

[5] Liang Jie Wong et al., Nature Photonics 10, 46 (2016).

[6] V. S. Zuev and G. Ya. Zueva, Optics and Spectroscopy 106, 248 (2009).

[7] S. Zeng; Baillargeat, et al., Chemical Society Reviews. 43, 3426 (2014).

[8] Liedberg, Bo et al., Sensors and Actuators. 4, 299 (1983).

[9] Constant, T. J. et al. Nature Physics. 12, 124 (2016).

[10] S. A. Mikhailov and K. Ziegler, Phys. Rev. Let. 99, 016803 (2007).

[11] Marinko Jablan et al. Phys. Rev. B 80, 245435 (2009).

[12] Fang, Z., et al. Graphene-Antenna Sandwich Photodetector. Nano Letters 12, 3808 (2012).

[13] M. Romagnoli, et al., Nature Rev. Mater. 3, 392 (2018).

[14] KV Sreekanth et al., Scientific reports 2, 737 (2012).

[15] Ju L, et al., Nat Nanotechnol 6, 630 (2011).

[16] Alonso-Gonzalez, P. et al., Science 344, 1369 (2014), and Alcaraz Iranzo, D. et al., Science 360, 291 (2018).

 

รายงานโดย

 

ดร.ยอดชาย จอมพล                     ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

Email: yodchay.jom@mahidol.ac.th