นาโนเทคโนโลยี  เทคโนโลยีการสร้างระดับนาโน  การสร้างโครงสร้างนาโนโดยเทคโนโลยีปัจจุบัน (1)
 
 
 
          แนวทางหลักของการสังเคราะห์หรือการสร้างโครงสร้างนาโน ก็คือ การสังเคราะห์โครงสร้างเพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีเกรนหรืออนุภาคที่มีขนาดอยู่ในช่วงระหว่าง 1 – 100 นาโนเมตร จึงจะนับได้ว่าเป็นโครงสร้างระดับนาโน โดยในปัจจุบันมีการใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่อย่างหลากหลายวิธีการ หลากหลายเครื่องมือและอุปกรณ์ที่นำมาใช้ ซึ่งเครื่องมือหรือวิธีการที่ถูกนำมาใช้งานสำหรับการสร้างโครงสร้างระดับนาโนนั้น สามารถพิจารณาแบ่งเป็นกลุ่มตามแนวทางการการผลิตโครงสร้างนาโนได้เป็น 2 ประเภท  ได้แก่ กลุ่มวิธีการที่เรียกว่า นาโนลิโทกราฟี (nanolithography) ซึ่งเป็นกลุ่มวิธีการสร้างโครงสร้างนาโนในรูปแบบการผลิตจากใหญ่ไปเล็ก (top-down) และกลุ่มวิธีการที่เรียกว่า scanning probe microscopy (SPM) การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (electron microscopy) และการใช้ความสามารถในการประกอบตัวเองได้ (self-assembly) ซึ่งเป็นวิธีการสร้างโครงสร้างนาโนในรูปแบบการผลิตจากเล็กไปใหญ่ (bottom-up)  โดยมีรายละเอียดดังนี้
 
 
 
          กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงโดยทั่วไปที่มีใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันนี้  สามารถที่จะช่วยให้มนุษย์มองเห็นรายละเอียดได้สูงสุดอยู่ในระดับของช่วงแสงที่มนุษย์มองเห็นได้ คือ 400 - 700 นาโนเมตรเพียงเท่านั้น (หรือที่ดีที่สุดก็อยู่ในช่วงระดับความละเอียด 200 - 400 นาโนเมตร) ซึ่งความละเอียดในระดับนี้นั้นไม่สามารถที่จะทำให้มองเห็นโลกระดับนาโนได้  แต่ทว่าเครื่องมือกลุ่ม scanning probe microscope (SPM) นี้เป็นเครื่องมือที่ไม่ได้ใช้แสงที่มองเห็นได้แต่อย่างใด  หากแต่เป็นกลุ่มเครื่องมือที่ใช้ปลายแหลมที่มีขนาดเล็กระดับอะตอมวัดแรงระหว่างอะตอมหรือโมเลกุล  หรือวัดเกี่ยวกับการลอดผ่านได้แบบควอนตัมของอิเล็กตรอน  ดังนั้นจึงทำให้สามารถที่จะวัดได้อย่างละเอียดในระดับสเกลของควอนตัม (ซึ่งก็คือระดับอะตอมหรือโมเลกุลนั่นเอง)   ทำให้สามารถที่จะมองเห็นหรือศึกษาโลกที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตรได้เป็นอย่างดี  โดยมีความละเอียดอยู่ในระดับมากถึง 0.1นาโนเมตรเลยทีเดียว (หรือระดับอะตอมเดี่ยวเลยก็ว่าได้) 
 
          scanning probe microscope (SPM) เป็นกลุ่มของเครื่องมือทางเทคนิคที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นมา  เพื่อใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนโดยเฉพาะ  ถือได้ว่าเป็นกลุ่มเครื่องมือสำคัญที่บุกเบิกงานทางด้านนาโนเทคโนโลยีเลยก็ว่าได้  โดยเครื่องมือกลุ่ม SPM นี้ในปัจจุบันมีหลากหลายแบบมากขึ้นตามลักษณะของการนำมาใช้งานเพื่อตรวจวัดคุณสมบัติด้านต่างๆ ของโครงสร้าง    แต่ที่เป็นที่รู้จักกันโดยทั่วไปสำหรับงานแขนงนาโนเทคโนโลยี  ได้แก่  เครื่อง scanning tunneling microscope (STM) และเครื่อง atomic force microscope (AFM)
 
องค์ประกอบส่วนต่างๆ ของระบบเครื่อง SPM ที่ใช้สำหรับงานทางด้านวิทยศาสตร์ระดับนาโน
 
            สามารถเปรียบเทียบได้กับการที่เราใช้มือลูบคลำไปตามพื้นผิวใดๆ ก็ตาม  เราจะสามารถบอกลักษณะของพื้นผิวที่สัมผัสได้ว่าเป็นอย่างไรจากความรู้สึกของเราเอง  ขณะที่มือของเราลูบไปตามพื้นผิวนั้น  มือของเราก็เปรียบเสมือนกับเป็นเครื่องมือที่ทำหน้าที่ในการตรวจวัดพลังงานบนพื้นผิว  โดยอาจจะบอกได้ว่าพื้นผิวนั้นมีลักษณะที่หยาบ  แข็งกระด้าง  อ่อนนุ่ม  หรือเป็นขนละเอียด  เป็นต้น  โดยวัตถุต่างชนิดกันก็จะให้ความรู้สึกที่แตกต่างกัน  ตัวอย่างเช่น  เราอาจจะสามารถลากมือสัมผัสผ่านพื้นผิวที่เป็นผ้าได้ง่ายกว่าพื้นผิวที่เป็นยาง  ที่เป็นเช่นนั้นก็เพราะพื้นผิวที่เป็นยางส่งพลังงานดึงมือของท่านมากกว่าพื้นผิวที่เป็นผ้านั่นเอง  ซึ่งเครื่องมือกลุ่ม SPM ก็จะมีปลายแหลมที่ทำหน้าที่ลากสัมผัสผ่านพื้นผิว  และทำหน้าที่ในการตรวจวัดคุณลักษณะพื้นฐานต่างๆ ของพื้นผิวที่สัมผัสเช่นเดียวกัน  เช่น  ตรวจวัดพลังงานระหว่างปลายแหลมและพื้นผิว  หรือตรวจวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านระหว่างปลายแหลมและพื้นผิว  เป็นต้น    
 
ลักษณะการทำงานตามวิธีการของ scanning probe microscopy (SPM)
 
 
 
 
          scanning tunneling microscope (STM) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนโดยเฉพาะ (อาจจะกล่าวได้ว่าเป็นเครื่องมือชนิดแรกทางด้านนาโนเทคโนโลยีเลยก็ว่าได้) เป็นเครื่องมือที่มีปลายแหลมขนาดประมาณหนึ่งอะตอมเท่านั้นที่ใช้สำหรับตรวจวัดพื้นผิว  โดยปลายแหลมจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่มีประจุเพียงเล็กน้อย ทำงานได้โดยการใช้ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าบังคับปลายเข็มที่แหลมในระดับนาโนนี้ให้เคลื่อนที่  โดยการลากผ่านไปบนพื้นผิวของวัตถุที่เป็นโลหะนำไฟฟ้า เพื่อตรวจวัดคุณสมบัติเชิงไฟฟ้าของโครงสร้างที่เป็นโลหะนั้น  โดยอุปกรณ์นี้มีพื้นฐานการตรวจวัดพื้นผิวมาจากกระบวนการของการลอดผ่านได้ (tunneling) ของอิเล็กตรอนระหว่างพื้นผิวและปลายแหลมของเครื่อง STM  
 
เครื่อง  scanning tunneling microsope (STM)
 
           คือ เมื่อลากปลายแหลมผ่านพื้นผิวของโครงสร้าง (ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปได้ 3 ทิศทางตามแนวแกน)   เครื่อง STM จะทำหน้าที่ตรวจวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านระหว่างปลายแหลมกับพื้นผิวระดับนาโน (อันเกิดจากการที่อิเล็กตรอนลอดผ่านได้ระหว่างปลายแหลมกับพื้นผิววัสดุนั่นเอง) แล้วส่งสัญญาณไฟฟ้ากลับไปเพื่อประมวลผลผ่านเครื่องคอมพิวเตอร์  แล้วสร้างเป็นภาพโครงสร้างระดับนาโนของพื้นผิวนั้นออกมาได้ (ซึ่งก็เป็นวิธีการที่คล้ายกับการทำงานของเครื่องเล่นวีซีดี  ที่แปลงข้อมูลที่ฝังอยู่บนแผ่นมาเป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วนำมาแสดงเป็นภาพ) และเครื่อง STM บางแบบในปัจจุบัน  ได้มีการพัฒนาโดยที่สามารถตรวจวัดลักษณะโครงสร้างพื้นฐาน และความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าภายในโครงสร้างนาโนได้อีกด้วย
 
เครื่อง STM ที่มีปลายเข็มแหลมขนาดเพียง 1 อะตอมที่เล็กระดับนาโนเมตร
 

          การนำเครื่อง STM มาใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน  สามารถแบ่งลักษณะการนำมาใช้ออกได้เป็น 2 วิธีการ  ได้แก่

1. (atom imaging mode) วิธีการนี้เป็นการใช้หัวปลายแหลมของเครื่อง STM ที่เล็กมากในระดับอะตอมในการสแกนไปบนพื้นผิวของวัตถุโลหะที่มีอะตอมวางอยู่   ซึ่งพื้นผิวนั้นก็จะถูกปล่อยกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านเพื่อที่จะใช้ตรวจสอบลักษณะของพื้นผิว  การสแกนจะเริ่มต้นจากการกำหนดตำแหน่งบนพื้นผิวตัวอย่างว่าจะทำการสแกนบริเวณใด  จากนั้นกำหนดขนาดพื้นที่ที่จะทำการสแกน  ซึ่งถ้าเป็นพื้นที่ขนาดเล็กการสแกนก็จะได้รายละเอียดสูง  แต่ถ้าเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่รายละเอียดที่ได้ก็จะน้อยตามไปด้วย  การบังคับปลายเข็มทำได้โดยใช้ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า  ในการกระตุ้นผลึกเซรามิกส์ที่ยึดติดกับหัวเข็มให้หดหรือคลายตัว โปรแกรมคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้ในการใส่ข้อมูลหรือตัวแปรที่ต้องการควบคุม ตัวอย่างเช่น พื้นที่ในการสแกน ค่าความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า เป็นต้น ในขณะที่ทำการสแกน สัญญาณไฟฟ้าที่ตรวจสอบได้จากพื้นผิว  ซึ่งได้แก่  ความต้านทานและกระแสไฟฟ้า  จะถูกส่งและนำมาสร้างเป็นภาพจำลองแบบ 3 มิติของลักษณะพื้นผิวนั้นได้

 
หลักการทำงานเพื่อสแกนภาพอะตอมของเครื่อง STM
 
2. (atom manipulation mode) วิธีการนี้จะใช้หัวปลายแหลมในการหยิบหรือจับอะตอม  และทำการเคลื่อนย้ายไปวาง ณ ตำแหน่งที่ต้องการ ซึ่งกระบวนการของการเคลื่อนย้ายอะตอมนี้  สามารถทำได้โดยการใช้สนามไฟฟ้าระหว่างปลายแหลมและพื้นผิวตัวอย่าง  โดยเมื่อปลายแหลมเคลื่อนที่มาอยู่ในตำแหน่งเหนืออะตอมที่เหมาะสม  ที่จะสามารถทำการหยิบจับอะตอมที่อยู่บนพื้นผิวที่อยู่ในสนามไฟฟ้าอยู่แล้ว  จะทำให้กำแพงที่ขวางความสามารถในการไหล (petential well) ของกระแสไฟฟ้าทั้งจากปลายแหลมและจากอะตอมนั้นถูกลดลง  แต่ขณะเดียวกันความสามารถในการไหล ณ บริเวณปลายแหลมจะมีพลังงานที่ต่ำกว่าบริเวณของอะตอมมาก  จึงทำให้อะตอมถูกส่งผ่านขึ้นไปสู่ปลายแหลมได้โดยง่าย  จึงทำให้สามารถที่จะหยิบหรือจับอะตอมได้  และหลังจากนั้นเมื่อต้องการที่จะวางอะตอมลงไป ณ จุดที่กำหนดไว้  ก็สามารถทำได้โดยการถ่วงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านปลายแหลม  จะทำให้ความสามารถในการไหลของบริเวณฝั่งพื้นผิวอะตอมมีพลังงานต่ำกว่าของส่วนปลายแหลม  จึงทำให้อะตอมที่ถูกจับไว้โดยปลายแหลมนั้นถูกส่งผ่านกลับสู่พื้นผิวตัวอย่างได้
 
หลักการทำงานเพื่อเคลื่อนย้ายอะตอมของเครื่อง STM
 
          ล่าสุดได้มีการทดลองโดยใช้ปลายแหลมของเครื่อง SPM ในการจัดเรียงอะตอมของแมงกานีส (manganese) ลงไปในโครงสร้างผลึกแลททิก (lattice) แทนที่ตำแหน่งของอะตอมแกลเลียม (gallium) ของพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำแกลเลียมอาร์เซไนด์ (gallium arsenide) ซึ่งผลที่เกิดขึ้นนั้นทำให้ได้โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำนี้ที่มีคุณสมบัติพิเศษ  สามารถเป็นเฟอโรแมกเนติก (ferromagnetic) ได้  อันเกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันของอะตอมแมงกานีสที่จัดวางลงไป (ซึ่งเกิดจากอะตอมของแมงกานีสที่อยู่ติดกันมีสปินของอิเล็กตรอนหันไปในทิศทางเดียวกัน) หรือเรียกได้ว่าเป็นโครงสร้างนาโนของสารกึ่งตัวนำแบบแม่เหล็ก (magnetic semiconductors)   จากความสำเร็จนี้อาจจะเป็นก้าวต่อไปที่สำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต  เช่น ชิพคอมพิวเตอร์ที่สามารถจะจัดเก็บข้อมูลและดึงข้อมูลมาใช้ได้ในเวลาเดียวกันก็เป็นได้
 
การใช้ปลายแหลมของเครื่อง STM จัดวางอะตอมของแมงกานีสลงไปบนพื้นผิวโครงสร้างแทนที่อะตอมของแกลเลียมบนพื้นผิวโครงสร้างของแกลเลียมอาร์เซไนด
 
ภาพโครงสร้างนาโนที่ได้จากการใช้เครื่อง STM
 
ตัวอย่างภาพที่ได้จากการสแกนอะตอม
 
ตัวอย่างภาพที่ได้จากการจัดวางอะตอม
 
 
 
 
          atomic force microscope (AFM) เป็นเครื่องมือที่ใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโนโดยเฉพาะเช่นเดียวกันกับ STM  แต่เครื่อง AFM ถูกพัฒนาขึ้นมาหลังจากเครื่อง STM และสร้างขึ้นมาด้วยหลักการพื้นฐานเดียวกันกับเครื่อง STM  โดยเครื่อง AFM จะสามารถทำงานได้โดยการใช้อุปกรณ์ตรวจหรือโพรบ (probe) ที่มีปลายแหลมเล็ก (เหมือนกันกับเครื่อง STM) ซึ่งติดอยู่กับคานยื่น (cantilever) ที่สามารถโก่งงอตัวได้เคลื่อนที่สัมผัสไปบนพื้นผิวของวัตถุ  (ซึ่งสามารถที่จะวัด แรงกระทำที่ปลายแหลมของโพรบได้แม้ว่าจะมีขนาดน้อยมากในระดับนาโนก็ตาม)  และคุณประโยชน์ของเครื่อง AFM ที่มีมากกว่าเครื่อง STM ก็คือ  สามารถที่จะตรวจวัดพื้นผิวที่เป็นฉนวนไฟฟ้าได้  เช่น  พื้นผิวโพลีเมอร์  เซรามิค  คอมโพสิท  กระจกหรือแก้ว  หรือแม้แต่โมเลกุลทางชีวภาพต่าง ๆ ก็สามารถที่จะวัดได้  
 
เครื่อง AFM (atomic force microscope)
 
           คือ  การผ่านแสงเลเซอร์ไปให้กับส่วนปลายแหลม (tip) ของคานยื่นที่มีขนาดระดับอะตอมในระยะใกล้ ซึ่งส่วนปลายแหลมของคานนั้นจะไปสัมผัสแบบกระดกในทิศทางขึ้นและลงกับพื้นผิวของวัตถุ  และเมื่อเครื่อง AFM ลากส่วนปลายแหลมผ่านโครงสร้างระดับนาโน แรงปฏิกิริยาที่กระทำในแนวตั้งฉากที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของพื้นผิวกับปลายแหลมจะดึงคาน ทำให้คานโก่งงอตัว ทำให้สามารถตรวจวัดขนาดของแรงเชิงปฏิสัมพันธ์ ระหว่างความสัมพันธ์เชิงตำแหน่งของส่วนปลายแหลมและพื้นผิวของวัตถุ (ทำให้สามารถทราบถึงระดับพลังงานที่เกิดขึ้นได้)  ซึ่งจะถูกนำมาแปรสัญญาณร่วมกันเพื่อนำมาสร้างเป็นภาพพื้นผิวที่เป็นลักษณะเชิงโครงสร้างระดับอะตอม ที่มีกำลังการขยายสูงไปแสดงบนจอภาพที่เป็นมอนิเตอร์เช่นเดียวกันกับเครื่อง STM   (และโดยหลักการเดียวกันนี้ก็สามารถที่ใช้ปลายแหลมของคานนี้ในการสร้างแรงผลัก  เพื่อเคลื่อนย้ายอะตอมแต่ละตัวของโครงสร้างวัสดุได้เช่นเดียวกันอีกด้วย)
 
หลักการทำงานของเครื่อง AFM
 

          วิธีการทำงานของเครื่อง AFM  ที่นำมาใช้งานทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับนาโน  สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 วิธี  ได้แก่

1.  เป็นการสัมผัสพื้นผิวพร้อมกับการลากปลายแหลมไปบนพื้นผิวนั้นๆ ตลอดเวลา  ข้อเสียของวิธีนี้คือ จะทำให้เกิดแรงต้านในแนวของการเคลื่อนที่ซึ่งขนานกับพื้นผิวขึ้น อันอาจทำให้คานของโพรบที่ใช้วัดเกิดการโก่งงอตัวหรือเกิดบิดเบี้ยวไป โดยที่มิได้เกิดจากแรงดึงดูดที่ปลายเนื่องจากแรงในแนวตั้งฉากเพียงอย่างเดียว จึงทำให้ข้อมูลความสูงของพื้นผิวที่วัดได้นั้นอาจผิดไปจากความสูงที่แท้จริง

2.   เป็นการสัมผัสพื้นผิวโดยให้ปลายแหลมสัมผัสกับพื้นผิวเป็นระยะเวลาสั้นๆ ในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว (คล้ายกับการใช้ปลายนิ้วเคาะโต๊ะเป็นจังหวะๆ นั่นเอง) ด้วยลักษณะการสัมผัสแบบนี้แรงต้านในแนวตั้งฉากจะไม่เกิดขึ้น แต่เนื่องจากปลายแหลมสัมผัสพื้นผิวเป็นระยะสั้นๆ จึงทำให้เกิดการสั่นของคาน ซึ่งจะส่งผลให้ค่าสัญญาณที่ตรวจวัดได้นั้นไม่คงที่หรือไม่แม่นยำได้

 
วิธีการทำงานของเครื่อง AFM
 
 
ภาพโครงสร้างนาโนที่ได้จากการใช้เครื่อง AFM
 

คำศัพท์คณิตศาสตร์ที่น่าสนใจ

หมวด : | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

    ศัพท์เคมี    ศัพท์คณิตศาสตร์   ศัพท์ฟิสิกส์   

  บทความวิทยาศาสตร์      ศัพท์ชีววิทยา      สื่อการสอนฟิสิกส์      ศัพท์วิทยาศาสตร์

พจนานุกรมเสียง 1   แมว    วัว 1    วัว 2    วัว 3   

เหมียว   แกะ     พจนานุกรมภาพการ์ตูน

พจนานุกรมภาพเคลื่อนไหว   ดนตรี  Bullets แบบ JEWEL 

พจนานุกรมภาพต่างๆ  ภาพเคลื่อนไหวของสัตว์ต่างๆ  โลกและอวกาศ

อุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ

 

การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

 1. ไฟฟ้าสถิต   2.  สนามไฟฟ้า   3. ความกว้างของสายฟ้า 

4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 

5. ศักย์ไฟฟ้า   6. กระแสไฟฟ้า  7. สนามแม่เหล็ก   8.การเหนี่ยวนำ

9. ไฟฟ้ากระแสสลับ   10. ทรานซิสเตอร์  11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม   

15. โครงสร้างของอะตอม   16. นิวเคลียร์   

17. การสอนไฟฟ้าแม่เหล็กของมหาวิทยาลัยรังสิต

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

หนังสืออิเล็กทรอนิกส์