ວິຊາ นาโนเทคโนโลยเบื้องต้น

73 รูปที่ 4.11 หลกั การสปตั เตอรงิ (ที่มา : https://www.dentonvacuum.com/products-technologies/magnetron-sputtering/) รูปที่ 4.12 ส่วนประกอบของเครื่องสปัตเตอรงิ (ทม่ี า : Park, et al., 2016) กระบวนการน้ีอนุภาคที่ว่ิงเข้าชนอาจเป็นกลางทางไฟฟ้าหรือมีประจุก็ได้ดังน้ันสิ่งที่จาเป็นในกระบวนการ สปตั เตอริงคอื (1) มีสารเคลือบเป็นเป้า (Target) ให้อนุภาคพลังงานสูงว่ิงเข้าชนและมีการปลดปล่อยอะตอมของสาร เคลือบลงบนแผ่นวสั ดรุ องรบั (2) มีอนุภาคพลังงานสูงว่ิงเข้าชนเป้าสารเคลือบ โดยปกติอนุภาคพลังงานสูงน้ีอาจเป็นกลางทางไฟฟ้าเช่น นวิ ตรอน หรืออะตอมของธาตุตา่ งๆ แต่การทาให้อนุภาคที่เป็นกลางมีพลงั งานสงู เกิน 10 อเิ ล็กตรอนโวลต์ (eV) เพ่ือ ใช้ในกระบวนการสปัตเตอริงนั้นทาได้ค่อนข้างยาก วิธีการหน่ึงที่นิยมท่ัวไปคือการเร่งอนุภาคประจุภายใต้

74 สนามไฟฟา้ ซ่งึ สามารถควบคุมระดบั พลังงานของไอออนไดต้ ามตอ้ งการ โดยอิเลก็ ตรอนเปน็ อนภุ าคประจชุ นิดหนึ่งท่ี งา่ ยต่อการผลติ และเร่งให้มีพลังงานสงู ภายใตส้ นามไฟฟ้าได้ แต่อิเลก็ ตรอนมีมวลน้อยกว่าอะตอมของสารเคลอื บมา สง่ ผลใหก้ ารถา่ ยโอนพลงั งานและโมเมนตัมต่ออะตอมสารเคลอื บเปน็ ไปอย่างไม่มีประสทิ ธิภาพและไม่สามารถทาให้ กระบวนการการสปัตเตอริงเกิดข้ึนได้ตามทฤษฎีทางฟิสิกส์ การชนระหว่าง 2 อนุภาคจะมีการส่งถ่ายพลังงานและ โมเมนตัมดที ส่ี ุดเมื่อมวลของอนภุ าคท้ังสองมีค่าเทา่ กัน ดงั น้นั จงึ ทาการเร่งไอออนของก๊าซในสนามไฟฟา้ เปน็ อนุภาค วิ่งชนเปา้ สารเคลือบซง่ึ จะให้อัตราการปลดปลอ่ ยเปา้ สารเคลือบสงู เพียงพอกบั ความตอ้ งการ (3) อนุภาคพลังงานสูงนี้ต้องถูกผลิตขึ้นมาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้กระบวนการเคลือบสารเกิดข้ึนได้อย่าง ต่อเนื่องจนได้ความหนาของฟิล์มบางตามต้องการ ซึ่งสามารถทาได้โดยการใช้ลาอนุภาคจากปนนไอออน (Ion gun) แตเ่ นอ่ื งจากปนน ไอออนมีราคาค่อนข้างสงู และให้ไอออนไดใ้ นพ้นื ท่แี คบ ดงั นั้นกระบวนการสปัตเตอริงทวั่ ๆไปในระดบั อุตสาหกรรมจึงนิยมใชก้ ระบวนการโกลวด์ ิสชารจ์ (Glow discharge) เพ่ือสรา้ งไอออนในกระบวนการเคลอื บ 4.1.6 การเคลอื บดว้ ยพลั ส์เลเซอร์ (Pulsed Laser Deposition) เทคนิคการเคลอื บด้วยพัลสเ์ ลเซอร์เปน็ กระบวนการท่ีมคี วามซับซ้อนอย่างมาก ไม่วา่ จะเป็นกระบวนการทา ให้เป้าสารเคลือบระเหยด้วยแสงเลเซอร์ การทาให้เกิดไอระเหยท่ีผิวเป้าสารเคลือบได้ดี การทาให้เกิดไอออนท่ีมี พลังงานสูง และการทาให้เกิดผลึกของฟิล์มบนฐานรองรับที่ให้ความร้อน เป็นต้น โดยทั่วไปเทคนิคการเคลือบด้วย พลั สเ์ ลเซอรส์ ามารถแบ่งไดเ้ ป็น 4 ขั้นตอนดงั น้ี ขนั้ ตอนที่ 1 ใหค้ วามรอ้ นกบั เป้าชิ้นงานด้วยลาเลเซอร์แบบพัลส์ ซ่ึงทาใหค้ วามร้อนสูงขึ้นจนถึงอุณหภูมกิ าร ระเหย ข้นั ตอนที่ 2 การทาให้เกิดพลาสมา ขนั้ ตอนที่ 3 การเคลือบของไอระเหยของสารบนฐานรองรับ ข้นั ตอนท่ี 4 การเร่มิ กอ่ ตัวและเตบิ โตของฟิล์มบนพนื้ ผวิ ของฐานรองรับ รูปที่ 4.13 สว่ นประกอบของเครอ่ื งพัลสเ์ ลเซอร์ (ท่มี า : Vanalakar, et al., 2018)

75 4.1.7 อีพแิ ทกซลี าโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy) วิธีอีพแิ ทกซีลาโมเลกลุ เป็นวธิ ีการระเหยที่ซับซ้อนมากโดยมกี ารทาปฏิกิรยิ ากับลาแสงโมเลกลุ บนพ้ืนผวิ ผลึก ที่ร้อนภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV) ในการผลิตฟิล์มผลึกเด่ียวน้ัน เทคนิคอีพิแทกซีลาโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy; MEB) ทาให้สามารถสร้างผลึกได้ครัง้ ละหน่ึงชั้นของอะตอม กระบวนการเจรญิ เติบโต ได้รับการควบคุมอย่างมากเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเป้นอนในระหว่างการเติบโตของผลึก เทคนิคการวิเคราะห์พ้ืนผิวท่ี หลากหลายใช้ในการตรวจสอบกระบวนการเติบโตและรับรองความบริสุทธิ์ของคริสตัล ปัจจุบันมีการใช้ MBE ใน อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งประสิทธิภาพของอุปกรณ์ (เช่นชิปคอมพิวเตอร์) ข้ึนอยู่กับการควบคุมสารเจือปน อย่างแม่นยาและในการผลิตชัน้ คริสตัลทีบ่ างมากพรอ้ มอินเทอร์เฟซแบบไฮเปอร์ทันใด MBE ใช้สาหรับการประดิษฐ์ อุปกรณส์ าคญั มากมาย เช่น ไดโอดเปล่งแสง ไดโอด เลเซอร์ ทรานซสิ เตอร์ หวั อา่ นฮารด์ ดสิ เป็นต้น รปู ท่ี 4.14 ส่วนประกอบของเคร่อื งอพี แิ ทกซีลาโมเลกุล (ทีม่ า : Puebla, 2012) 4.2 วธิ ีทางเคมี การสงั เคราะหท์ างเคมเี ป็นวิธีทม่ี ีประสิทธิภาพอย่างมาก โดยโมเลกลุ เชงิ ซ้อนสามารถเตรียมไดจ้ ากรีเอเจนต์ (Reagent) อยา่ งงา่ ย 4.2.1 กระบวนการโซลเจล (Sol-Gel Process) กระบวนการโซลเจล (Sol-gel) เป็นกระบวนการเตรียมทางเคมแี บบเปยี ก (Wet process) ชนิดหนงึ่ ท่ีได้รับ ความนิยมอย่างมากเนื่องจากเป็นวิธีการท่ีมีประสิทธิภาพสงู โซลเจลเป็นวิธีการเตรียมอนุภาคขนาดเล็กในทางเคมี

76 ส่วนใหญ่ใช้ในการสังเคราะห์โลหะออกไซด์ ข้ันตอนของกระบวนการนี้เร่ิมจากการเปล่ียนโมโนเมอร์ (Monomer) หรอื วสั ดุเริ่มต้นไปเปน็ โซล (สารละลายคอลลอยดซ์ ง่ึ เป็นสารตง้ั ตน้ สาหรบั การเกดิ เจล โดยเจลนี้สร้างขึ้นจากอนุภาค ไม่ต่อเนื่องหรือพอลิเมอร์) โดยส่วนใหญ่สารต้ังต้นท่ีใช้ทั่วไปคือคลอไรด์หรือโลหะอัลคอกไซด์ในตัวทาละลายที่ เหมาะสม เชน่ แอลกอฮอลห์ รือนา้ ซ่งึ การเตรียมผงด้วยเทคนคิ โซล-เจล นั้น ประกอบดว้ ยขนั้ ตอนหลกั คือการเตรียม “โซล” โดยการผสมสารต้งั ตน้ ทมี่ ขี นาดอนุภาคเล็กกว่า 0.1 ไมโครเมตร ในปริมาณทเี่ หมาะสมลงในของเหลวแล้วทา ให้อนุภาคเหล่านี้มีการกระจายตัวไปทว่ั ของเหลวอย่างเสถียร (มีสภาพเป็นคอลลอยด์) จากนั้นทาการเปลี่ยนแปลง ความเข้มข้นโดยการะเหยของเหลวบางส่วนออกไป หรือปล่อยท้ิงไว้เป็นเวลานานหรือมีการเติมสารนาไฟฟ้า (Electrolyte) ท่ีเหมาะสมลงไป ซ่ึงอาจเป็นกรด หรือ เบส เพ่ือเหนี่ยวนาให้เกิดการสร้างพันธะที่เชื่อมต่อกันเป็น โครงข่ายต่อเนื่องในสามมิติ เรียกว่า กระบวนการพอลิเมอไรเซชัน (Polymerization) ซึ่งจะทาให้ตัวโซลมีความ หนืดมากข้ึนเรื่อยๆ จนกลายเป็น “เจล” (มวลกึ่งแข็ง) โดยพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ท่ีต่างกันจะส่งผลต่อ ลกั ษณะการเชอ่ื มโยง (Crosslink) ทีต่ ่างกันด้วย รปู ท่ี 4.15 ขัน้ ตอนตา่ งๆ ในกระบวนการโซลเจลในการควบคุมสณั ฐานวทิ ยาสดุ ทา้ ยของผลิตภณั ฑ์ (ท่ีมา : Park, et al., 2016) วัสดุโซลเจลนั้นเป็นของแข็งกึ่งเสถียรที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการควบคุมจนพลศาสตร์ของสารต้ังต้นเชิง โมเลกุล โดยตัวแปรของปฏิกิริยารวมท้ังสมบัติของสารต้ังต้นมีอิทธิพลต่อโครงสร้างและสมบัติของวัสดุโซลเจลที่ได้ กระบวนการโซลเจลประกอบดว้ ยสองปฏิกิริยาหลัก ได้แก่ กลไกการแยกสลายดว้ ยน้า (Hydrolysis) และกลไกการ ควบแนน่ (Condensation) ดงั สมการ

77 Hydrolysis: M(OR)4 + H2O M(OR)3O + ROH (OR)3-O-M-(OR)2 + ROH Condensation: M(OR)3OH + M(OR)4 โดยปฏิกิริยาการควบแน่น จะเกิดข้ึนอย่างต่อเน่ือง ทาให้เกิดเป็นสารที่มีโมเลกุลใหญ่ขึ้น เช่น โอลิโกเมอร์ หรือออกโซโพลิเมอร์ และทาการกวนให้เข้ากันอย่างสม่าเสมอภายใต้อุณหภูมิท่ีสูงกว่าอุณหภูมิห้องเพียงเล็กน้อย (ประมาณ 50-90 °C) โดยจะต้องมีความเข้มข้นของตัวทาปฏิกิริยาและค่าพีเอชของสารละลายท่ีเหมาะสม โดยมี ขั้นตอนโดยสังเขปดงั นี้ การไฮโดรไลซิส: กล่มุ (-OR) จะถกู แทนทด่ี ว้ ยกลุม่ (-OH) การควบแน่น: จะเกิดการรวมตัวกันของไดเมอร์ (Dimers) และไตรเมอร์ (Trimer) แล้วขจัดน้า หรือ แอลกอฮอล์ออกมา การเติบโตและการรวมตัวกัน: เม่ือจานวนพันธะเพ่ิมขึ้น จะเกิดเป็นโครงข่ายและเกิดเจลขึ้น หากแยกโดย กระบวนการระเหยทางความร้อนจะได้ผลิตภัณฑ์เรียกว่า ซีโรเจล (Xerogel) ถ้าตัวทาละลายถูกสกัดภายใต้ภาวะ วิกฤตย่งิ ยวดหรือสภาวะใกล้ภาวะวิกฤตย่งิ ยวด ผลิตภณั ฑ์จะเรียกว่า แอโรเจล (Aerogel) ซ่งึ ท่ีอุณหภูมิสูงจะส่งผล ใหอ้ นุภาคมีขนาดใหญ่ขึน้ ข้อดขี องวิธีนี้คอื สามารถนามาใช้เพอื่ เตรยี มสารทมี่ คี วามบริสุทธส์ิ งู และมคี วามสม่าเสมอเป็นเน้อื เดียวกันใน ระดับโมเลกุล ผงที่เตรียมได้จากวิธีการโซล-เจลจะมีขนาดอนุภาคเล็กละเอียดมาก อยู่ในช่วงประมาณ 20 ถึง 50 นาโนเมตร และมีพื้นที่ผวิ หน้ามาก การเผาผนกึ ให้เกิดการแน่นตัวจึงสามารถกระทาไดด้ ้วยการใช้อุณหภูมิทีต่ ่ากว่า ในกรณขี องผงทเี่ ตรียมได้จากวธิ ีการเตรียมเชงิ กลแบบดัง้ เดมิ 4.2.2 กระบวนการตกตะกอนรว่ ม (Co-Precipitation Process) การตกตะกอนรว่ มเป็นการเกิดนิวเคลยี สพร้อมกบั กระบวนการเติบโตของผลึกและการรวมตัวกัน ซง่ึ นาไปสู่ การกอ่ ตวั ของอนภุ าคขนาดเลก็ จานวนมาก โดยผลติ ภณั ฑ์ท่ไี ดจ้ ะไม่ละลายนา้ โดยเกดิ ขน้ึ ภายใตส้ ภวะอ่ิมตัวสูง การตกตะกอนเป็นกรรมวิธีหนึ่ง ท่ีนิยมใช้ค่อนข้างแพร่หลาย เน่ืองจากอุปกรณ์ที่ใช้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเครื่อง แก้ว น้ันค่อนข้างหาง่าย และสามารถเตรียมได้ในสภาพบรรยากาศปกติ เน่ืองจากสารตั้งต้นที่ใช้ส่วนใหญ่ ไม่ไวต่อ ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส เชน่ พวกไนเตรต (Nitrates) และคารบ์ อเนต (Carbonates) โดยการตกตะกอนจะเกดิ ข้ึนเม่ือ นาสารละลายแอนไอออนและแคทไอออนมารวมกันและเกิดเป็นของแข็งไอออนิกที่ไม่ละลายน้า ซ่ึงปฎิกิริยาจะ ขึ้นกับความเข้มข้นของสารละลายโดยปฎิกิริยาการตกตะกอนจะอาศัยปฏิกิริยาการแทนท่ีซึ่งสามารถแสดงได้ดัง สมการ โดยจะมกี ารแลกเปล่ียนไอออนบวกและไอออนลบซ่ึงกันและกัน และเกิดผลิตภัณฑ์ที่ไม่ละลายน้า เรียกว่า ตะกอนเกิดขน้ึ โดยผลรวมของประจทุ างซ้ายและทางขวาของสมการต้องดลุ กันพอดี หลงั จากข้ันตอนการตกตะกอน จะตอ้ งกรองเอาผลิตภัณฑ์ท่ีเป็นของแข็ง และกาจัดของเหลวออกไป เนือ่ งจากตัวทาละลายท่ีใช้ส่วนใหญเ่ ป็นน้า จึง ไมค่ อ่ ยเกดิ ปญั หาต่อสขุ ภาพของผ้ปู ฏิบัตงิ าน และสิง่ แวดล้อม แม้จะมกี ารผลิตในปริมาณมาก AB(aq) + CD(aq) → AD(aq) + CB(s) A+(aq) + B-(aq) + C+(aq) + D-(aq) → A+(aq) + D-(aq) + CB(s) C+ (aq)+ B- (aq) → CB (s)

78 รปู ท่ี 4.16 กระบวนการตกตะกอนรว่ ม 4.2.3 กระบวนการเผาไหม้ (Combustion Process) กระบวนการเผาไหม้เป็นวิธีการสังเคราะห์สารท่ีเกิดขึ้นท่ีอุณหภูมิสูง โดยใช้สารเช้ือเพลิงต่างๆ ได้แก่ ยูเรีย (urea) ไกลซนี (glycine) อะนลี ีน (aniline) หรอื กรดซติ ริก (citric) กบั สารตัง้ ตน้ โลหะไนเตรท โดยการเกดิ ปฏกิ ิริยา เผาไหมจ้ ะเกดิ การระเบดิ และคายความรอ้ นท่สี ูงออกมา ขณะเกิดปฎกิ ิริยาจะมอี ุณหภูมิท่ีสงู ถงึ 3000 เคลวนิ วิธนี ้ถี กู ใชใ้ นการเตรยี มวัสดุตา่ งๆมากมาย โดยสารต้ังต้นจะเกดิ การผสมกนั ที่อณุ หภูมสิ งู และเกดิ ปฏกิ ิรยิ าอยา่ งรวดเรว็ เพยี ง ระดับนาทีหรือวินาที ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีขนาดเล็ก ไม่จับเป็นก้อน และมีความเสถียรสูง ในบา งกรณีการให้ สนามแม่เหลก็ เข้าไปจะทาให้ปฏกิ ิริยาเกิดไดร้ วดเร็วขน้ึ และเกดิ คล่นื ความร้อนทสี่ งู ขนึ้ โดยขั้นตอนในการเกิดปฏิกิริยาจะเร่ิมจากการผสมสารต้ังต้นโลหะไนเตรทกับสารเช้ือเพลิงออแกนิกส์ตาม ปริมาณสารสัมพันธท์ ่ีได้จากการคานวณ จากน้ันให้ความร้อนจนสารละลายระเหย สารตัง้ ต้นจะทาปฏิกิริยากับสาร เชื้อเพลิงและเกิดการเผาไหม้จนกระทง่ั สารตง้ั ต้นและสารเช้ือเพลงิ สลายตวั และเกดิ ปฏิกริ ิยาสถานะของแขง็ เกดิ ขึ้น เกิดเปน็ สารท่ตี อ้ งการ รูปท่ี 4.17 กระการบวนการเผาไหม้ (ทีม่ า : Civera, et al., 2003)

79 4.2.4 กระบวนการไฮโดรเทอรม์ อล (Hydrothermal Process) การเตรียมผงเซรามิกโดยกรรมวิธีนี้ต่างจากวิธีอ่ืนๆ คือ ใช้ความดันสูงมาก โดยสูงถึง 15 เมกกะปาสคาล หรือประมาณ 150 เท่าของความดันบรรยากาศปกติ) โดยใชํน้ ้าเป็นตัวทาละลาย และเป็นตัวส่งผ่านความดัน โดย อณุ หภมู ิที่ใชอ้ ยู่ในชว่ ง 100-350 องศาเซลเซยี ส ซ่ึงสูงกว่าจุดเดือดของสารละลาย และสูงกว่ากรรมวิธกี ารตกตะกอน และโซล-เจล โดยเมื่อความดันเพ่ิมขึ้นจะเกิดเป็นน้าเดือดยิ่งยวด (Super heated water) ซึ่งสามารถละลาย ออกไซด์ของโลหะบางชนิดท่ีไม่สามารถละลายที่สภาวะทั่วไปได้และส่วนใหญ่ไม่จาเป็นต้องนาผลิตภัณฑ์ไปเ ผา เพ่อื ใหไ้ ดอ้ อกไซดท์ ต่ี อ้ งการ โดยเทคนิคไฮโดรเทอมอลมีข้อดี คือมีวิธีการเตรียมท่งี ่าย ผงผลึกท่ีได้มีความบรสิ ุทธ์ิที่สูง อนุภาคของสารมี ขนาดเล็ก และมีความละเอียดสงู สามารถเตรียมสารได้เพียงขน้ั ตอนเดยี วท่ีอณุ หภูมิตา่ สารต้งั ต้นมรี าคาถูก และสาร ที่เตรยี มได้ยงั มคี วามสํมา่ เสมอ ทั้งทางด้านองคป์ ระกอบทางเคมีและขนาดของอนภุ าค อกี ท้ังยงั ไดล้ ักษณะโครงสรา้ ง ของสารทีห่ ลากหลาย แต่ในการเตรียมจาเป็นต้องควบคุมสภาวะการทดลองภายใตค้ วามดันให้คงทเี่ สมอโดยปจั จัยที่ มีผลต่อผงอนุภาคที่ได้ คือ ความเข้มข้นของสารต้ังต้น เวลาที่ใช้ และอุณหภูมิในการเกิดปฏิกิริยา แต่ข้อเสียของ เทคนิคนคี้ ือ หม้อความดนั (Auto clave) ยิง่ มีขนาดใหญม่ ากก็จะยิ่งเป็น อันตรายมากเน่ืองจากในการตกผลึกจะใช้ หม้อความดัน (Auto clave) ซ่ึงมีลักษณะหนาเป็นกระบอกทรงกลมทาจากเหลก็ กล้า มีคุณสมบัติทนทานต่อความ ร้อนและความดันท่ีสูงในระยะเวลานานได้ และต้องเป็นวัสดุท่ีไม่ทาปฏิกิริยากับสารละลาย ภายในจะทาด้วย ทองแดง เงนิ หรอื เทฟลอน ซงึ่ ขน้ึ อย่กู ับอณุ หภมู ิหรือสารละลายท่ใี ช้ รูปที่ 4.18 กระบวนการไฮโดรเทอร์มอล (ที่มา : Devaraju, 2012)

80 รปู ที่ 4.19 หมอ้ ความดนั (ที่มา : Ahmad, et al., 2016) 4.2.5 กระบวนการโซโนเคมี (Sonochemistry) กระบวนการโซโนเคมี เป็นวิธีการทางเคมีที่เกิดขึ้นภายใต้คลื่นอัลตราโซนิค โดยไอออนของโลหะท่ีมีเลข ออกซิเดชันเป็นบวกหรือเป็นสารประกอบโลหะเกิดการรับอิเล็กตรอนจากเรดิคอล (Radicals) ที่แตกตัวออกมา ตวั อยา่ งเชน่ ในกรณีท่ีน้าได้รับคล่ืนอัลตราโซนิค จะทาให้เกดิ เป็นไฮโอรเจนเรดคิ อล (H radicals) และไฮดริกซิลเรดิ คอล (OH radicals) และให้อิเล็กตรอนแก่ไอออนของโลหะแล้วเปลี่ยนเป็นอะตอมของโลหะที่มเี ลขออกซิเดชันเป็น ศนู ย์จากนั้นเกิดการควบแน่นเป็นอนุภาคของโลหะในตัวกลางที่เป็นของเหลว โดยอุปกรณ์ของเคร่ืองโซโนแสดงดัง รปู ซงึ่ จะประกอบด้วยเคร่ืองควบคมุ และหัวโพรบ (Probe) ในการสร้างคล่ืนอลั ตรา้ โซนิก (Ultrasonic) เมื่อคลนื่ อัลตร้าโซนิกผ่านสารละลายจะทาให้เกิดส่วนอัดและส่วนขยายขึน้ ในของเหลวขณะที่เกิดส่วนขยาย ของเหลวจะแยกตัวออกเป็นฟองเล็กๆของอากาศหรือกา๊ ชท่ีเป็นไอของสารละลายทีค่ ลนื่ อัลตร้าโซนิก ผา่ นเขา้ ไปซ่ึง มองดว้ ยตาเปล่าไมเ่ ห็น ฟองเหล่านี้จะขยายจนมีขนาดโตมากที่สดุ ซง่ึ ขน้ึ อยูก่ ับสมบตั ิของสารละลายนั้นๆเช่น ความ หนืด หรือ ความดนั ไอ เม่ือความดันในตัวของเหลวลดลงส่คู วามดันปกติความดนั จากส่วนอัดที่เกิดตามมา ทาให้ฟอง เหล่าน้ียบุ ตวั ลงอย่างรวดเร็วและเกิดการแตกออก ส่งคลืน่ กระแทกที่รนุ แรงออกไป ปรากฏการณน์ ี้เรยี กวา่ การเดอื ด เย็นหรือคาวิเทชั่น ขณะท่ีฟองเหลา่ นี้ขยายและยุบตัวก๊าชท่ีละลายอยใู่ นของเหลวจะแพร่ผ่านเข้าและออกจากฟอง เหล่านี้อยู่ตลอดเวลาการยุบตัวและการระเบิดออกของฟองจานวนมาก ทาให้เกิดลาของเหลวท่ีเคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็วสูง โดยอุณหภูมิในบริเวณท่ีเกิดคาวิเทชั่น อาจสูงถึง 5000 °C และมีความดันถึง 600 เท่าของความดัน บรรยากาศปกติ หรอื สงู กวา่ แตค่ ่าอณุ หภูมิของสารละลายไม่สูงเท่าเน่ืองจากการขยายตัวและยุบตัวของฟองเกิดขึ้น ในชว่ งเวลาทส่ี นั่ มากๆเป็นไมโครวนิ าที โดยของเหลวรอบๆฟองจะคายความร้อนอย่างรวดเร็วทาใหค้ วามรอ้ นบรเิ วณ ท่ีเกิดคาวเิ ทชัน่ ลดลงอย่างรวดเรว็ เช่นกัน สารละลายจงึ มอี ุณหภูมิไมม่ ากนกั อย่ใู นช่วง 30-60 °C เทา่ น้นั ซึ่งข้อดีของ วิธีน้คี ือได้อนภุ าคขนาดเล็กระดบั นาโน และอนภุ าคสม่าเสมอกนั

81 รูปท่ี 4.20 สว่ นประกอบของเครอ่ื งโซโนเคมี (ท่มี า : Xu, et al., 2013; https://www.indiamart.com/rooptelsonicultrasonix/ultrasonic-sono- chemical-equipment.html) รูปท่ี 4.21 หลกั การของกระบวนการโซโนเคมี (ที่มา : Ashiri, 2015)

82 4.4 วธิ ีทางชีวภาพ วิธีการทางชีวภาพเป็นวิธีท่ีปลอดภัยและเป็นมิตรต่อส่ิงแวดล้อมสาหรับการผลิตอนุภาคนาโน ซ่ึงมี หลากหลายวธิ ี ได้แก่ 1. การใช้แบคทเี รยี “Bacillus megaterium JCT-13” ผลติ อนุภาคนาโนฟอสฟอรัสจากแคลเซียมฟอสเฟต 2. การใช้เชื้อรา โดยเช้ือราเปน็ องคป์ ระกอบสาคญั ในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของอนุภาคนาโน ซ่งึ ให้ อนุภาคนาโนทห่ี ลากหลายกว่าแบคทีเรีย ตวั อย่างเชน่ ใช้ “Aspergillusoryzae TFR-9” ผลติ อนุภาคนา โน Zn P Ag Au Fe และ Ti นื่องจากเชอื้ ราหลงั่ โปรตนี จานวนมากจึงให้ผลผลิตสูงเม่อื เทยี บกบั แบคทีเรยี 3. การใช้พชื “Azadirachtaindica” ผลิตอนภุ าคนาโนเงนิ 4. การใชช้ วี โมเลกลุ (โปรตนี ) - โปรตนี (กลุ่มน้าหนกั 32 และ 33 kDa) สามารถใชส้ าหรับผลติ อนภุ าคนาโน Mg, Zn และ Fe จากเกลือออกไซดท์ เ่ี กีย่ วขอ้ ง 5. การใช้สมนุ ไพร “Desmodiumtriflorum” ซ่งึ เปน็ สมุนไพรท่สี ามารถพบไดใ้ นท่งุ หญา้ ปา่ และท่ีดิน ทางการเกษตร ถูกนามาใช้ในการสงั เคราะหอ์ นภุ าคนาโนเงิน การศกึ ษาเพมิ่ เตมิ แสดงให้เหน็ ว่าอนุภาคนา โนเหลา่ น้ี มีประสิทธิภาพต้านเชือ้ แบคทีเรยี ทีเ่ ป็นเช้อื โรค รปู ที่ 4.22 การสังเคราะห์อนุภาคนาโนจากโปรตนี ของเชื้อรา (ทม่ี า : https://www.researchgate.net/publication/292539409)

83 บทสรุป วิธีการผลิตวัสดุนาโนสามารถแบ่งย่อยได้เป็นสองกลุ่ม คือ วิธีการจากบนลงล่าง (Top-down) และวิธีการ จากล่างขึ้นบน (Bottom-up) ในท้ังสองวิธีนี้ส่งิ ที่จาเป็นพื้นฐานท่ีต้องมีสองประการคือ การควบคุมเงอื่ นไขการผลิต และการควบคุมสภาพแวดล้อม ด้วยเหตุผลเหล่าน้ีนาโนเทคโนโลยีจึงต้องใช้เครื่องมือประดิษฐ์ท่ีมีความซับซ้อนสูง เทคโนโลยแี บบบนลงล่าง (Top-Down Technology) เป็นเทคโนโลยีที่ผลิตส่ิงต่าง ๆ โดยอาศัยวิธีทางกล หรืออาจ เรียกว่าเป็นเทคโนโลยีแบบหยาบ (Bulk Technology) การผลิตอยู่ในระดับ 0.2-0.3 ไมครอน ซ่ึงเป็นเทคนิคที่อยู่ บนพืน้ ฐานของการลดขนาดโดยการแบ่งวสั ดขุ นาดใหญ่ (Bulk) ออกเปน็ ช้ินเล็กๆ (Nanoparticles) ยกตวั อย่างเช่น การบดยอ่ ย วธิ ีทางเคมี โฟโตลโิ ธกราฟฟี (Photo-lithography) ลทิ โธกราฟฟแี บบลาอเิ ล็กตรอน (Electron beam lithography) และลิทโธกราฟฟีแบบรังสีเอ็กซ์ (X-ray lithography) ส่วนเทคโนโลยีแบบล่างขึ้นบน (Bottom-Up Technology) เป็นเทคโนโลยีท่ีเก่ียวข้องกับการผลิตส่ิงต่าง ๆ โดยอาศัยวิธีการจัดการ หรือการผลิต โดยการนา อะตอมหรือโมเลกุลมาจัดเรียงในตาแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยา วิธีการล่างขึ้นบนนี้เป็นเทคนิคท่ีอยู่บนพื้นฐาน ของการค่อยๆเพ่ิมอะตอมและโมเลกุล ตวั อย่างวธิ กี ารของเทคโนโลยแี บบลา่ งข้ึนบน เชน่ กระบวนการโซลเจล (Sol- gel processing) การเคลือบด้วยไอทางเคมี (Chemical vapour deposition; CVD) และการเคลือบด้วยไอทาง ฟสิ กิ ส์ (Physical vapour deposition; PVD) การพ่นด้วยพลาสมา (Plasma spraying) และการควบแนน่ โมเลกลุ (Molecular condensation) โดยวิธีการเตรียมวัสดุนาโนน้ันสามารถเตรียมได้ด้วยวิธีท้ังทางกายภาพ เคมี และ ชวี ภาพ

84 แบบฝกึ หัดท้ายบท 1. จงให้นยิ ามของเทคโนโลยแี บบบนลงลา่ ง (Top-Down Technology) และลา่ งข้ึนบน (Bottom-Up Technology) พรอ้ มยกตัวอย่างประกอบ 2. จงยกตวั อย่างกระบวนการเตรียมทางเคมมี า 2 ตัวอย่างพร้อมอธิบายขนั้ ตอนโดยสังเขป 3. อธิบายหลกั การของกระบวนการโซโนเคมโี ดยสงั เขป 4. จงเขียนปฏกิ ริ ยิ าไฮโดรไลซสิ และคอนเดนเซชนั ของซิลกิ อนอัลคอกไซด์ในกระบวนการโซลเจล 5. จงอธบิ ายขอ้ ดีของกระบวนการไฮโดรเทอรม์ อล

เอกสารอา้ งอิง Barbhuiya, S., & Qureshi, M. (2014). Applications of Nanotechnology in Cement and Concrete Science. Handbook of Research on Diverse Applications of Nanotechnology in Biomedicine, Chemistry, and Engineering, Chapter: Applications of Nanotechnology in Cement and Concrete Science, Publisher: IGI Global, USA, pp.625 – 639. Khadka, P., Ro, J., Jieun, Kim, H., Kim, I., Kim, J., et al. (2014). Pharmaceutical particle technologies: An approach to improve drug solubility, Dissolution and bioavailability. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 9(6), 1-13. ______. (มปป.). eLINE Plus: Ultra High Resolution Electron Beam Lithography, Nanoengineering and Imaging. สืบค้นเมอ่ื วนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.azonano.com/equipment-details.aspx?EquipID=1482 ______. (มปป.). Photolithography. สืบคน้ เมื่อวนั ที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก http://toppicture.dx.am/?top=3&definitions=Photolithography Narayanamurthy, V., Samsuri, F., Ranganathan, B., & Padmapriya, P. (2014). Recent advances in nano patterning and nano imprint lithography for biological applications. Procedia Engineering, 97, 1387-1398. Hill, R.T., & Chilkoti, A. (2013). An Introduction to Materials in Medicine. In Biomaterials Science (Third Edition), Chapter I.2.13 - Surface Patterning, pp. 276-301. Amokrane, G., Falentin-Daudre, C., Ramtani, S. & Migonney, V. (2 0 1 8 ) . A Simple Method to Functionalize PCL Surface by Grafting Bioactive Polymers Using UV Irradiation. IRBM, 39, 268–278. Park, S.I., Quan, Y., Kim, S.H., Kim, H., Kim, S., Chun, D.M., et al. (2 0 1 6 ) . A review on fabrication processes for electrochromic devices. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 3, 397-421. ______. (2019). Thermal and electron beam evaporators. (2019). สบื คน้ เมื่อวนั ท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://physics.anu.edu.au/eme/capabilities/evaporation.php ______. (มปป.). Magnetron Sputtering Solutions. สืบคน้ เมอ่ื วันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.dentonvacuum.com/products-technologies/magnetron-sputtering/ Vanalakar, S.A., Galal, A., Singh, V.N., Min, H. (2 0 1 8 ). A review of nanostructured thin films for gas sensing and corrosion protection. Mediterranean Journal of Chemistry, 7, 433-451.

86 Puebla, J. (2 0 1 2 ) . Spin phenomena in semiconductor quantum dots. Thesis; Department of Physics and Astronomy University of Sheffield. Civera, A., et al. (2003). Catalysis Today, 83, 199–211. Devaraju, M.K. (2012). Advanced Energy Materials, 2, 284–297. Ahmad, W.R.W, Mamat, M., Zoolfakar, A., Khusaimi, Z., & Rusop, M. (2016). A review on hematite α- Fe2O3 focusing on nanostructures. Synthesis Methods and Applications, 1-6. Xu, H., Zeiger, B.W., & Suslick, K.S. (2013). Sonochemical synthesis of nanomaterials. Chemical Society Reviews, 42, 2555-2567. ______. (มปป.). Ultrasonic Sono-Chemical Equipment. สบื ค้นเมอื่ วนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://www.indiamart.com/rooptelsonicultrasonix/ultrasonic-sono-chemical- equipment.html Ashiri, R. (2015). Obtaining a novel crystalline/amorphous core/shell structure in barium titanate nanocrystals by an innovative one-step approach. RSC Advances, 5(60), 48281 – 48289. Tarafdar, J.C., & Adhikari, T. (2015). Nanotechnology in Soil Science. In book: Soil Science: An Introduction., Chapter: Nanotechnology in Soil Science., Rattan, R. K., et al. (Eds), pp.775- 807. สืบคน้ เมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.researchgate.net/publication/292539409 Ganachari, S.V., Banapurmath, N.R., Salimath, B., Yaradoddi, J.S., Shettar, A.S., Hunashyal, A.M., et al. (2018). Synthesis Techniques for Preparation of Nanomaterials. In Martínez L.M.T., et al. (Eds.). Handbook of Ecomaterials. Springer International Publishing AG. Minelli, C. (2004). Bottom-up approaches for organizing nanoparticles with polymers. สืบค้นเมือ่ วันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.researchgate.net/publication/37413814 Rajput, N. (2015). Methods of preparation of nanoparticles– A review. International Journal of Advances in Engineering & Technology, 7(4), 1806-1811. Dhand, C., Dwivedi, N., Loh, X.J., Ying, A.N., Verma, N.K., Beuerman, R.W., Lakshminarayanan, R., & Ramakrishna, S. (2015). Methods and strategies for the synthesis of diverse nanoparticles and their applications: a comprehensive overview. RSC Advances, 5, 105003–105037.

แผนบริหารการสอนประจาบทท่ี 5 หวั ข้อเน้อื หา เคร่ืองมอื วเิ คราะห์ 5.1 กล้องจุลทรรศน์อเิ ลก็ ตรอนแบบส่องกราด 5.2 กลอ้ งจลุ ทรรศน์แบบสอ่ งกราดในอุโมงค์ 5.3 กล้องจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม 5.4 กล้องจลุ ทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสอ่ งผ่าน 5.5 เครื่องยวู ี-วิซิเบิล สเปคโตรโฟโตมิเตอร์ 5.6 เคร่ืองวิเคราะหก์ ารเลีย้ วเบนรงั สีเอกซ์ 5.7 เครื่องอินฟราเรดสเปกโทรโฟโตมเิ ตอร์ วัตถปุ ระสงค์เชงิ พฤตกิ รรม เมื่อผู้เรยี น เรยี นจบบทน้แี ล้วผเู้ รยี นควรมคี วามร้แู ละทกั ษะดังนี้ 1. มีความเข้าใจการทางานของเครือ่ งมอื วิเคราะห์ต่างๆ 2. มีความเข้าใจและสามารถวิเคราะหผ์ ลจากเคร่อื งมือวิเคราะห์ได้ วิธสี อนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจาบท 1. บรรยายเนือ้ หาในแต่ละหัวข้อพร้อมยกตวั อยา่ งประกอบ 2. ศึกษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผูส้ อนสรปุ เน้ือหา 4. ผ้สู อนทาการซักถาม ส่ือการเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวชิ านาโนเทคโนโลยีเบ้อื งตน้ 2. Power Point การวดั ผลและประเมินผล 1. ประเมนิ จากการซักถามในชัน้ เรียน 2. ประเมินจากการทาแบบฝึกหดั ทบทวนท้ายบทเรียน 3. ประเมินจากการสอบปลายภาค



บทท่ี 5 เครอื่ งมอื วเิ คราะห์ (Instrumental Analysis) ======================================================================== นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) เป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่ ท่ีคาดว่าจะมาแทนท่ีเทคโนโลยี อเิ ล็กทรอนิกส์แบบด้งั เดิม ตามการพัฒนาทางด้านนาโนเทคโนโลยี เมื่อวัสดุมขี นาดเลก็ ลงในระดับนาโนเมตร จะมี สมบัติพเิ ศษเฉพาะตัวทีไ่ ม่สามารถอธิบายไดด้ ้วยทฤษฎวี ัสดศุ าสตร์แบบดงั้ เดิมได้ สมบัติพิเศษดังกล่าวสามารถเปน็ ไป ได้ทั้งทางอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ ทางไฟฟา้ ทางเคมี และทางแสง เปน็ ต้น ในอดีตการวิเคราะหส์ มบตั ิของวัสดขุ นาดนาโนเป็น เร่ืองที่ค่อนข้างยาก เน่ืองจากข้อจากัดทางด้านประสิทธิภาพของเครื่องมือตรวจวัด แต่ในปัจจุบันได้มีเคร่ืองมือ วิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพสูงถูกพัฒนาข้ึนอย่างมากมาย โดยถือได้ว่าการประดิษฐ์เคร่ืองมือเหล่านี้เปิดประตูสู่โลก นาโนอย่างแทจ้ ริง นักวทิ ยาศาสตร์สามารถมองเหน็ วัตถุในระดับนาโนเมตรได้ ซง่ึ สง่ ผลใหส้ ามารถวิเคราะห์ และทา ความเข้าใจถึงพฤติกรรมของวัสดุนาโนได้ โดยในบทน้ีจะกล่าวถึงรายละเอียดของเครื่องมือวิเคราะห์ที่สาคัญ ดงั ตอ่ ไปน้ี 5.1 กลอ้ งจลุ ทรรศนอ์ เิ ล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope; SEM) กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Optical microscope) จะใช้แสงในช่วงท่ีตามองเห็นได้ และระบบเลนส์เพื่อ ขยายภาพตัวอย่างขนาดเล็ก ด้วยเหตุนจ้ี ึงเรียกอีกช่อื ว่า กล้องจุลทรรศน์แสง กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเป็นกล้อง จุลทรรศน์ท่ีเก่าแก่และง่ายที่สุด โดยขีดจากัดความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงจะข้ึนอยู่กับความยาว คลน่ื ของแสงท่ีมองเห็นได้ แสงท่มี องเหน็ ไดเ้ ป็นสว่ นหน่งึ ของคล่ืนแม่เหล็กไฟฟา้ ทีม่ คี วามยาวคลื่นระหวา่ ง 400 นาโน เมตรถึง 700 นาโนเมตร และความละเอยี ดของกลอ้ งจุลทรรศนแ์ บบใช้แสงจะอย่ทู ่ปี ระมาณ 0.2 ไมครอน หรอื 200 นาโนเมตร ดังน้ันการจะแยกแยะวัตถุสองช้ินออกจากกันได้ วัตถุจะต้องอยู่ห่างกันอย่างน้อย 200 นาโนเมตร ส่วน วัตถุเดี่ยวที่มีขนาดเล็กกว่าขีดจากัดนี้จะไม่สามารถแยกแยะได้ โดยจะเห็นเป็นวัตถุไม่ชัด เรียกว่า ขีดจากัดการ กระจายตัวของแสงท่มี องเหน็ ได้ เพ่ือที่จะเอาชนะขีดจากัดการกระจายตัวของแสงท่ีมองเห็นได้ จึงได้มีการพฒั นาออกแบบกล้องจลุ ทรรศน์ที่ ใช้ลาอิเล็คตรอนเพื่อสร้างภาพของวัตถุแทนการใช้แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีความสามารถในการแยกแยะ มากกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงท่ีใช้การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พร้อมท้ังสามารถให้กาลังขยายได้สูงถึง 2,000,000 เท่า ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ดีที่สุดสามารถให้กาลังขยายได้เพียง 2,000 เท่า กล้อง จุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงล้วนมีข้อจากัดด้านความละเอียดซึ่งถูกกา หนดโดยความยาว คลื่นท่ีใช้ ความละเอียดและกาลังขยายที่มากกว่าของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนน้ันเนื่องจากความยาวคล่ืนของ อเิ ลก็ ตรอน (ความยาวคลนื่ เดอบรอยล์ ) มีขนาดเล็กกว่าโฟตอนของแสงทม่ี องเห็นได้

90 รูปที่ 5.1 โครงสร้างหลักของกลอ้ งจลุ ทรรศนอ์ เิ ลก็ ตรอนแบบส่องกราด (ทีม่ า : Inkson, 2016) รูปท่ี 5.1 แสดงโครงสร้างของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด โดยแหล่งกาเนิดของอิเล็กตรอน (Electron gun) ท่ีเป็นข้ัวแคโทด มีอยู่ 3 ชนิด คือ ทังสเตน (tungsten) แลนทานัมเฮกซะบอไรด์ (Lanthanum hexaboride; LaB6) และฟลิ ด์อีมีสชัน (Field emission) ทาหน้าท่ีผลิตอเิ ลก็ ตรอนจากฟลิ าเมนต์ (Filament) และ เร่งกลุ่มอิเล็กตรอนด้วยสนามไฟฟ้าในช่วง 1 - 40 กิโลโวลท์ (kV) และกลุ่มอิเล็กตรอนท่ีเกิดข้ึนจะถูกบีบให้เป็นลา อเิ ลก็ ตรอนโดยคอนเดนเซอร์เลนส์ (Condenser lens) และปรบั โฟกัสโดยออบเจกทฟี เลนส์ (Objective lens) และ หากต้องการให้ลาอิเล็กตรอนกวาดไปทั่วผิวของชิ้นงานตัวอยา่ งสามารถควบคุมได้โดยใช้สแกนน่ิงคอยล์ (Scanning coils) ซ่งึ จะกวาดบนระนาบ x-y ทาให้เกิดสัญญาณขึ้น จากนั้นหัววดั (detector) จะวัดสญั ญาณทีเ่ กิดขึ้นและแปลง เปน็ ข้อมลู ทต่ี ้องการด้วยชดุ ระบบทางอิเลก็ ทรอนิกส์ เมอ่ื ลาอเิ ลก็ ตรอนทีอ่ อกมาจากแหลง่ กาเนิดอเิ ล็กตรอนโฟกสั ลง บนผิวของตัวอย่าง จะทาให้เกิดอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนท่ีถูกยิงลงมาและอะตอมของช้ินงานตัวอย่าง อันตร กิรยิ าระหว่างอิเล็กตรอนที่ถูกยิงลงมากบั อะตอมของช้นิ งานตวั อย่าง สามารถแบ่งได้ 2 แบบ ตามลักษณะการชน คือ แบบยืดหยนุ่ (Elastic) และแบบ ไม่ยืดหยนุ่ (Inelastic) ซ่ึงทงั้ สองลกั ษณะจะให้สัญญาณท่ีนามาใช้งานแตกตา่ งกนั

91 รปู ท่ี 5.2 กล้องจุลทรรศนอ์ ิเลก็ ตรอนแบบสอ่ งกราด (ทมี่ า : https://nanofabrication.unt.edu/jeol-jsm-7001f-scanning-electron-microscope) 1. การชนแบบยืดหยุ่น (Elastic scattering) เมื่อกลุ่มอิเล็กตรอนจากแหล่งกาเนิดอิเล็กตรอนซึ่งเปน็ อิเล็กตรอนปฐมภูมิ (Primary electron) ตกกระทบ ลงบนชิ้นงานตัวอย่างทาให้อิเล็กตรอนปฐมภูมิกระเจิงออกมา และมีการสูญเสียพลังงานบางส่วนซึ่งน้อยมากให้กับ อะตอมของช้ินงานตัวอย่าง อิเล็กตรอนที่กระเจิงออกมาเราเรียกว่า “Backscatter electron” ซึ่งสามารถนา สญั ญาณดงั กลา่ วมาสรา้ งเปน็ สัญญาณภาพบนจอภาพได้ 2. การชนแบบไมย่ ดื หยนุ่ (Inelastic scattering) กลุ่มของอิเล็กตรอนปฐมภูมิเม่ือชนกับอะตอมของช้ินงานตัวอย่างแล้ว จะเกิดการถ่ายเทพลังงานจลน์และ เกิดอันตรกิริยากันกับอะตอมของชิ้นงานตัวอย่างทาให้เกิดสัญญาณต่างๆซ่ึงเป็นสัญญาณที่ตัวตรวจวัด (detector) สามารถวดั ได้ ได้แก่ อเิ ล็กตรอนทุตยิ ภมู ิ (Secondary electrons) ออเจร์อเิ ล็กตรอน (Auger electrons) รงั สีเอกซ์ เฉพาะธาตุ (Characteristics X-ray) รังสีเอกซ์ต่อเน่ือง (Continuous X-ray) และรังสีเอกซ์ฟลูออเรสเซนซ์ (Fluorescence X-ray) เปน็ ต้น อิเล็กตรอนทตุ ิยภูมเิ กิดจากอเิ ล็กตรอนปฐมภูมิถา่ ยเทพลงั งานให้กับอิเลก็ ตรอนทอี่ ยู่ ในช้ันโคจร (Shell) ต่างๆของอะตอมช้ินงานตัวอย่าง ถ้าพลังงานที่ให้มากกว่าพลังงานยึดเหน่ียวของอิเล็กตรอนใน ช้นั โคจรกับนิวเคลียสของอะตอมของชน้ิ งานตัวอย่างจะทาให้อเิ ล็กตรอนในชนั้ โคจรหลดุ ออกมา เราเรยี กอิเลก็ ตรอน ท่ีหลุดออกมาว่า อิเล็กตรอนทุติยภูมิ ซึ่งสามารถนาไปใช้ศึกษาดูลักษณะผิวหน้าของตัวอย่างได้และรังสีเอกซ์ (X- Ray) สามารถแบ่งตามลกั ษณะการเกดิ ได้เป็น 2 ลักษณะ คอื 1. รังสเี อกซ์ต่อเนอ่ื ง เกิดจากอิเล็กตรอนปฐมภูมิเกิดอันตรกิริยากับอะตอมของตัวอย่างท่ีบริเวณสนามคูลอมใกล้กับนิวเคลียส ทาให้อิเล็กตรอนปฐมภูมิเปลี่ยนทิศทางและเกิดการคายพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซ่ึงก็คือรังสีเอก ซ์ ตอ่ เนอื่ ง มีความสัมพนั ธ์ดงั สมการ

92 ������������ − ������������ = ∆������ = ℎ������ (5.1) โดยท่ี ������������ คอื พลงั งานของอเิ ล็กตรอนปฐมภมู กิ ่อนเกิดอันตรกริ ยิ า (eV) คอื พลงั งานของอิเลก็ ตรอนปฐมภูมหิ ลังเกดิ อนั ตรกริ ยิ า (eV) ������������ คือ คา่ คงทข่ี องแพลงค์ เท่ากับ 4.14 x 10-15 (eV.s) ℎ คือ ความถขี่ องรังสีเอกซ์ (Hz) ������ 2. รงั สเี อกซ์เฉพาะธาตุ อเิ ล็กตรอนปฐมภูมิจะทาอันตรกิริยากับอิเล็กตรอนท่ีอยู่ในช้ันโคจรใดๆ ถ้าอิเล็กตรอนในช้ันโคจรใดๆได้รับ พลังงานซงึ่ มากกวา่ แรงยึดเหน่ียวระหว่างอเิ ลก็ ตรอนกบั นิวเคลียสจะทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนในช้ันโคจรนนั้ หลดุ ออกไปและ เกิดที่ว่างขึ้น อิเล็ก ตรอนท่ีอยู่ในชั้นถัดไปซึ่งมีพลังงานสูงกว่าจะเกิดการคายพลังงาน และเข้ามาแทนที่ในตาแหน่ง ทวี่ ่างน้ัน พลังงานท่ีคายออกมาน้ัน ก็คือรังสีเอกซ์นนั่ เอง เรยี กว่า รังสเี อกซ์เฉพาะธาตุ เนื่องจากระดับพลังงานของ อิเลก็ ตรอนในช้ันโคจรของแตล่ ะธาตุมีคา่ ไม่เท่ากัน ทาใหส้ ามารถนาความแตกต่างของระดับพลงั งานเป็นตัวจาแนก ชนิดของธาตุท่ีมีอยู่ในอะตอมของตัวอย่างได้ เรยี กว่า การวิเคราะหเ์ ชิงคุณภาพ (Qualitative analysis) ส่วนความ เข้มของรังสีเอกซ์สามารถนามาใช้วิเคราะห์หาปริมาณของธาตุท่ีอยู่ในตัวอย่างได้ เรียกวา่ การวิเคราะห์เชิงปริมาณ (Quantitative analysis) รปู ท่ี 5.3 การเกิดรงั สีเอกซต์ ่อเน่อื งและรงั สเี อกซ์เฉพาะธาตุ 5.2 กล้องจุลทรรศนแ์ บบสอ่ งกราดในอุโมงค์ (Scanning Tunneling Microscope; STM) กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ เป็นเคร่ืองมือสาหรับการสร้างภาพพ้ืนผิวในระดับของอะตอม คิดค้นข้ึนโดย Gerd Binnig และ Heinrich Rohrer (จาก บริษัท ไอบีเอ็ม) ในปี ค.ศ. 1981 และทาให้ทั้งสองได้รับ

93 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1986 โดยส่วนประกอบที่สาคัญของกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ แสดงดังรูปท่ี 5.4 ประกอบด้วย 1. ทิปโลหะ (Metal tip) 2. ตัวสแกนแบบเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric scanner) 3. ตัวขยายสญั ญาณ 4. แหล่งจา่ ยไฟ 5. ตัววดั กระแสไฟฟ้า รูปที่ 5.4 กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ (ที่มา : https://tqt.uwaterloo.ca/labequipment-details/omicron-stm-afm/) รปู ที่ 5.5 ส่วนประกอบของกลอ้ งจลุ ทรรศน์แบบส่องกราดในอโุ มงค์ (ท่ีมา : Kevin, et al., 2018)

94 กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์จะให้ภาพของพื้นผิวโดยการสแกนพ้ืนผิว ซ่ึงทางานในทานอง เดียวกันกับวิธีการท่ีคนตาบอดอ่านอักษรเบรลล์แบบบรรทัดต่อบรรทัดด้วยการเคลื่อนนิ้วไปบนกระดาษ ในกล้อง จุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์จะใช้หัววัดที่เป็นเข็มบางมากเรียกว่า ทิป (Tip) ซึ่งมีขนาดเล็กเทียบได้กับขนาด เพียงไม่กี่อะตอม โดยปลายหัววัดท่ีมีขนาดเท่ากับอะตอมหนึ่งอะตอมจะให้ค่าความละเอียดดีท่ีสุด ทิปทาจาก ทังสเตน (W) หรือ โลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียม (Pt-Ir) มีความยาวประมาณ 3 มิลลิเมตร โดยการเคลื่อนไหวท่ี แม่นยาของทิปจะถกู ควบคุมโดยมอเตอร์เพยี โซ ซ่ึงการใช้กล้องจลุ ทรรศนแ์ บบสอ่ งกราดในอโุ มงค์ในการสแกนพน้ื ผิว น้ันสามารถแบ่งโหมดการทางานออกเป็น 2 โหมดคือ โหมดความสูงคงท่ีและโหมดกระแสคงที่ ในการทางานของ โหมดความสูงคงทน่ี น้ั ระยะห่างระหวา่ งปลายของทปิ และพ้ืนผวิ ตอ้ งห่างกนั น้อยกว่า 0.1 นาโนเมตร โดยท่ีปลายของ ทิปไม่สมั ผัสพืน้ ผิวของชนิ้ งานตัวอยา่ ง เมื่อปลายทปิ อยูใ่ กล้กับพ้ืนผวิ โลหะหรอื สารกึ่งตวั นาทร่ี ะยะทางประมาณ 0.1 นาโนเมตร สามารถก่อให้เกิดการก่อตัวของกระแสอุโมงค์ (Tunneling current) ระหว่างปลายทิปและพื้นผิว เม่ือ ทาการให้แรงดันไฟฟา้ ระหว่างทิปโลหะและวัตถุ สง่ ผลให้อิเลก็ ตรอนสามารถทะลุผ่านสญุ ญากาศระหว่างปลายทิป และวัตถไุ ด้ ความแตกต่างของกระแสทเ่ี กดิ ขนึ้ ในแต่ละจดุ ทท่ี าการวัดจะถกู นามาประมวลผลเป็นภาพ ดังแสดงในรูป ที่ 5.6 (ก) วิธีหนึ่งในการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ เพื่อถ่ายภาพพื้นผิวของชิ้นงานตัวอย่าง คือการให้ กระแสทะลผุ ่านคงที่ โดยทั่วไปแล้วอย่ใู นระดับนาโนแอมแปร์ (nanoampare; nA) โดยการทางานของโหมดกระแส ทะลุผ่านคงที่น้ันปลายของทิปจะห่างจากพ้ืนผิวของช้ินงานตัวอย่างท่ีระยะทางเท่ากัน เม่ือทาการสแกนพ้ืนผิวของ ช้ินงานตวั อยา่ ง ปลายของทปิ จะเคล่ือนทข่ี ้นึ และลง ดังแสดงในรูปที่ 5.6 (ข) (ก) (ข) รูปที่ 5.6 กลอ้ งจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ (ก) โหมดความสงู คงท่ี (ข) โหมดกระแสคงท่ี (ที่มา : https://www.maths.tcd.ie/~bmurphy/thesis/thesisse3.html) ปรากฏการณ์ การทะลุผ่าน (Tunneling) เป็นปรากฏการณ์ท่ีเกิดขึ้นเป็นปกติสาหรับธรรมชาติของสิ่งที่มี ขนาดเลก็ ในระดับอะตอม แต่ไม่ปรากฏให้เห็นในชีวิตประจาวันทว่ั ไป โดยในโลหะระดับพลงั งานของอเิ ล็คตรอนจะ เต็มไปจนถึงระดับพลังงานเฟอมิ (Fermi energy) การจะทาให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปจากโลหะ ต้องทาการให้ พลังงานเข้าไปเท่ากับฟังก์ชันงาน (Work function) เมื่ออิเล็กตรอนจากทิปของหัววดั ต้องการเดินทางไปยงั ชิ้นงาน ตัวอย่างจะตอ้ งขา้ มกาแพงศักย์ไฟฟ้า ซึ่งต้องใช้พลังงานทีส่ ูงเท่ากับฟงั ก์ชันงาน แต่ในกรณีท่ีชิ้นงานตัวอย่างและทิป ของหวั วัดอยใู่ นตาแหน่งทใี่ กลก้ ันมากเพียงพอ เม่ือทาการให้แรงดันไฟฟ้าระหว่างชิ้นงานตวั อย่างและทปิ อิเลก็ ตรอน

95 จากทิปจะสามารถทะลุผ่านช่องว่างสุญญากาศไปยังช้ินงานตัวอย่างได้ ทาให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เรียกว่า กระแส ทะลุผา่ น (Tunneling current) ดงั รปู 5.7 ขอ้ ด้อยของกล้องจุลทรรศนแ์ บบส่องกราดในอุโมงค์ คือไม่สามารถสแกนพ้ืนผิวทีไ่ ม่นาไฟฟ้าได้ แต่สามารถ แก้ไขได้โดยการเคลือบผิวด้วยวัสดุนาไฟฟ้าที่บางมาก เช่น ทองคา อย่างไรก็ตามกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดใน อุโมงค์น้ันไม่เหมาะสาหรับการศึกษาบางอย่าง เช่น การศึกษาโมเลกุลทางชีวภาพซ่ึงไม่นาไฟฟ้า สาหรับตัวอย่าง ประเภทน้ีการใช้เทคนคิ อน่ื จะเหมาะสมกว่า เช่น กล้องจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม (Atomic Force Microscope; AFM) ซงึ่ ไมต่ ้องอาศัยกระแสทะลุผา่ น แตอ่ าศยั แรงระหว่างปลายหวั วดั และช้ินงานตวั อย่าง รปู ท่ี 5.7 กระแสทะลผุ ่าน (Tunneling current) (ท่ีมา : Ryba, 2016) 5.3 กล้องจุลทรรศนแ์ รงอะตอม (Atomic Force Microscope; AFM) กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมจะทาการวัดแรงอันตรกิริยาระหว่างหัววัด (Probe) และพ้ืนผิว โดยแรงที่เกิด ข้ึนกับอนุภาคระดับนาโนคล้ายกับแรงสัมผัสเชิงกล เช่น แรงแวนเดอวาลส์ (Van der Waals) แรงแม่เหล็ก (Magnetic) แรงไฟฟ้าสถิต (Electrostatic) และแรงพันธะเคมี (Chemical bond) จะถูกวัดด้วยเทคนิคน้ี และ เนื่องจากความละเอยี ดในการถา่ ยภาพสูง ภาพทีไ่ ดจ้ ึงมลี กั ษณะใกล้เคียงกับโครงสร้างของช้นิ งานตัวอยา่ งมาก ดงั รูป ที่ 5.7 โดยปลายหัววัดมีลักษณะเป็นของแข็งติดอยู่บนคาน (Cantilever) ท่ีมีความยืดหยุ่นสูง ดังรูปท่ี 5.8 โดยมี ระบบทางแสงตรวจจบั การหกั เหของลาแสงเลเซอร์ท่ีสะทอ้ นจากคาน ซึ่งบ่งบอกถึงการสนั่ ของคานที่เปน็ สดั ส่วนกับ แรงระหวา่ งอะตอมท่ีเกิดขน้ึ หัววัดจะเคลื่อนท่ีแบบต่อเน่ืองไปตามพื้นผิว สัญญาณท่ีได้จะถูกป้อนกลับไปเพื่อส่ังให้ หวั วดั รักษาระยะห่างระหว่างหัววัดและพื้นผิวเพ่ือรักษาแรงอะตอมให้คงท่ี จากน้ันการเคล่ือนท่ีของหวั วัดในแนวตั้ง จะถกู บนั ทกึ ไวเ้ พื่อนาไปประมวลเปน็ ภาพของพ้ืนผวิ ชน้ิ งานตัวอย่าง

96 รูปท่ี 5.8 (ซา้ ย) กล้องจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม (ขวา) ภาพ 3 มิติของกลอ้ งจุลทรรศนแ์ รงอะตอม (ทม่ี า : https://www.researchgate.net/publication/292539409) รูปท่ี 5.9 หลักการทางานของกลอ้ งจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม (ทม่ี า : https://phys.org/news/2017-05-quantum-mechanical-enables-state-atomic.html) 5.4 กล้องจลุ ทรรศนอ์ เิ ล็กตรอนแบบส่องผา่ น (Transmission Electron Microscopy; TEM) กลอ้ งจุลทรรศน์อเิ ล็กตรอนแบบส่องผา่ น คือ กล้องจุลทรรศน์อิเลก็ ตรอนชนดิ หน่งึ ซง่ึ มีสว่ นประกอบหลัก 3 ระบบ ได้แก่ 1. สว่ นกาเนิดอิเลก็ ตรอน (Electron gun) มหี น้าทีส่ รา้ งลาอเิ ล็กตรอน ซ่งึ จะถกู ส่วนควบคุมบังคบั ใหไ้ ป ยงั ชน้ิ งานตวั อย่าง 2. ระบบการสร้างภาพ ประกอบไปด้วยเลนส์วตั ถุ (Objective lens) ฐานรองรับช้นิ งานตัวอย่าง

97 ที่สามารถเคล่ือนท่ีได้ เลนส์ตวั กลาง และเลนสโ์ ปรเจคเตอร์ซึง่ บังคับให้ลาอิเลก็ ตรอนผ่านไปยงั ชนิ้ งานตัวอย่าง เพื่อ สร้างภาพจรงิ ท่มี ีความละเอียดสูง 3. ระบบการบันทกึ ภาพ ทาหน้าที่แปลงภาพของอิเลก็ ตรอนให้อยู่ในรปู แบบท่ีตา มนุษย์สามารถมองเห็นได้ ในระบบนี้จะประกอบด้วยจอแสดงผลแบบฟลูออเรสเซนส์ และกล้องดิจิตอลทาการ บันทกึ ภาพ นอกจากนี้ยังมีระบบสุญญากาศที่ประกอบดว้ ยปัม๊ เกจ วาลว์ และระบบจา่ ยไฟฟ้าดว้ ย รูปที่ 5.10 กลอ้ งจลุ ทรรศน์อเิ ล็กตรอนแบบส่องผา่ น (ที่มา : http://jiam.utk.edu/facilities/microscopy/tem/index.php) ส่วนกาเนิดอิเล็กตรอนและระบบควบคุม ส่วนบนสุดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านประกอบด้วยแหล่งกาเนิดอิเล็กตรอน หรือฟิลา เมนต์ (Filament) ท่ีมีลักษณะปลายแหลมเพื่อทาให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้ง่าย ฟิลาเมนต์อาจทาจากทังสเตน หรือแลนทานัมเฮกซะบอไรด์ (Lanthanum hexaboride) โดยในขณะใช้งานจะให้ความร้อนที่ปลายฟิลาเมนต์เพ่ือ กระตุ้นใหอ้ ิเล็กตรอนหลดุ ออกมา (Thermionic emission) จากน้ันใช้สนามไฟฟ้าดึงดดู เพื่อเร่งอิเล็กตรอนให้พุง่ ไป ยังชน้ิ งานตัวอย่างทีอ่ ยู่ส่วนด้านล่าง ความแรงสนามไฟฟ้าท่ีใช้เร่งอิเล็กตรอนเรียกว่าค่าแรงดันเร่ง (Accelerating voltage) มีหน่วยเป็น อิเล็กตรอนโวลต์ (Electron Volt; eV) ในการใช้งานกล้องจุลทรรศนอ์ ิเลก็ ตรอนแบบสอ่ งผา่ นจะตอ้ งเลือกเคร่ืองท่ีให้ ค่าแรงดันเร่งท่ีเหมาะสมกับตัวอย่าง เน่ืองจากตัวอย่างแต่ละชนิดมีความทนทานต่อพลังงานของลาอิเล็กตรอนที่ แตกตา่ งกนั ชิน้ งานตวั อย่างอินทรียท์ มี่ ีไฮโดรคารบ์ อนเปน็ สว่ นประกอบและรวมถงึ ชิ้นงานตวั อยา่ งโพลิเมอร์บางตวั ท่มี จี ุด หลอมเหลวตา่ จะไมส่ ามารถทนทานตอ่ พลังงานของลาอเิ ลก็ ตรอนจงึ ถกู ทาลายไดง้ า่ ย ดังนนั้ จึงตอ้ งใชพ้ ลังงานต่าหรอื คา่ แรงดันเร่งในช่วง 80-160 keV สว่ นชนิ้ งานตัวอยา่ งอนินทรยี ์ ไดแ้ ก่ โลหะเซรามิกออกไซด์หรือสารประกอบต่างๆ ที่มจี ุดหลอมเหลวสูงสามารถทนทานต่อพลงั งานของลาอิเล็กตรอนไดม้ ากกว่าจงึ อาจใช้พลงั งานสงู หรือคา่ แรงดนั เร่ง

98 ในช่วง 160-200 keV เนื่องจากลาอิเล็กตรอนมีพลังงานเพียงพอท่ีจะทะลุผ่านชิ้นงานตัวอย่างจึงสามารถวิเคราะห์ ตวั อยา่ งนั้นๆได้ รปู ที่ 5.11 สว่ นประกอบของกลอ้ งจลุ ทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสอ่ งผา่ น (https://www.britannica.com/technology/transmission-electron-microscope) ระบบการสร้างภาพ เลนส์แม่เหล็กเป็นส่วนประกอบท่ีสาคัญอย่างหน่ึงของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านทา หน้าท่ี เบ่ียงเบนลาอเิ ล็กตรอนให้ไปยังตาแหนง่ ต่างๆ โดยทั่วไปเลนสแ์ ม่เหล็กประกอบด้วยขดลวดทองแดงขดตวั เปน็ วงกลม ล้อมรอบบริเวณแกนกลางของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านท่ีลาอิเล็กตรอนว่ิงผ่าน ซึ่งภายในกล้อง จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสอ่ งผ่านจะประกอบดว้ ยเลนส์แม่เหล็กจานวนมากเม่ือจ่ายกระแสค่าตา่ งๆ เขา้ ไปภายใน ขดลวดทองแดงจะทาให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆ ทางผ่านของลาอิเล็กตรอนโดยสนามแม่เหล็กที่เกิดจากเลนส์ แม่เหล็กแต่ละตัวจะควบคุมทิศทางลาอิเล็กตรอนให้เบี่ยงเบนหรือโฟกัสในตาแหน่งท่ีเหมาะสมได้ซึ่งเหมือนกับการ ทางานของเลนส์นูนในกลอ้ งจุลทรรศนแ์ บบแสง ภาพทไี่ ดจ้ ากกล้องจลุ ทรรศน์อเิ ล็กตรอนแบบส่องผ่านโดยท่วั ไปมักเปน็ ภาพไบรต์ฟิลด์(bright field) ซ่งึ เป็น ภาพถ่ายกาลงั ขยายสูงท่ีเกิดจากลาอเิ ลก็ ตรอนทะลผุ ่านชน้ิ งานและเลยี้ วเบนโดยลาอเิ ลก็ ตรอนทท่ี ะลผุ ่านตัวอยา่ งลง มาจะถูกโฟกัสและขยายด้วยเลนส์แมเ่ หล็กและฉายลงบนฉากรับเพอ่ื แสดงภาพบนจอในเบ้ืองตน้ ควรทาความเขา้ ใจ ถึงความสาคัญของระนาบ 2 ระนาบท่ีทาให้เกิดภาพดังน้ี ระนาบภาพแรก (First Image Plane): เป็นระนาบแรกทเ่ี กิดการสร้างภาพหลังจากลาอิเล็กตรอนว่ิงทะลุ ผ่านชนิ้ งานซึง่ ภาพแรกนีจ้ ะถูกนาไปเพม่ิ กาลงั ขยายให้มากขน้ึ ด้วยชุดเลนสแ์ ม่เหล็กถัดไปด้านล่างตาม ความเหมาะสมและฉายเป็นภาพไบรตฟ์ ลิ ดล์ งบนฉาก

99 ระนาบแบคโฟคัล (Back Focal Plane): เป็นระนาบท่ีเกิดการรวมกันของลาอิเล็กตรอนที่เล้ียวเบน หลังจากทะลุผ่านชิ้นงานและฉายลงบนฉากภาพที่ไดจ้ ากระนาบนี้คือรูปแบบการเล้ียวเบนอิเล็กตรอน (diffraction pattern) ซึ่งแสดงถงึ โครงสรา้ งผลึกของช้ินงานตัวอยา่ ง ณ บริเวณท่ีลาอิเลก็ ตรอนตกกระทบ ภาพไบรต์ฟิ ลด์ที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสอ่ งผ่านเป็นภาพจริง 2 มิติที่เกิดจากการฉาย ภาพตวั อยา่ งโดยใช้ลาอเิ ลก็ ตรอนเป็นตวั กลางเชน่ การวเิ คราะห์ตวั อยา่ งทรงกลมภาพท่เี หน็ คอื แผน่ วงกลมในการ วิเคราะห์ภาพจากกล้องจลุ ทรรศน์อิเลก็ ตรอนแบบสอ่ งผา่ นซ่งึ เป็นภาพขาว-ดาสง่ิ สาคญั คอื การปรับคอนทราสต์ (Contrast) ของภาพเพ่ือให้เห็นความแตกต่างในแตล่ ะบริเวณของชิน้ งานตวั อย่างคอนทราสต์ที่เกิดขึน้ ในการ สร้างภาพจากกล้องจลุ ทรรศน์อิเลก็ ตรอนแบบสอ่ งผา่ นมี 2 ชนดิ คือ เฟสคอนทราสต์ (Phase Contrast) และแอม พลิจูดคอนทราสต์ (Amplitude Contrast) 1. เฟสคอนทราสต์ (Phase Contrast) ใช้หลักการแทรกสอดของลาอิเล็กตรอนท่ีเกิดการเลี้ยวเบน หลังจากทะลุผ่านช้ินงานตัวอย่างมักแสดงให้เห็นในส่วนของการวิเคราะห์ผลจากภาพท่ีกาลังแยกแยะสูง (high resolution) 2. แอมพลิจูดคอนทราสต์ (Amplitude Contrast) เป็นคอนทราสต์ท่ีพบเห็นได้ท่ัวไปในภาพไบรต์ฟิลด์ โดยแอมพลจิ ูดคอนทราสต์แบ่งย่อยได้ 2 ประเภทคือ คอนทราสต์มวล-ความหนา (Mass-Thickness Contrast): เป็นปัจจัยหลักท่ีใช้แยกแยะรูปร่างของ ภาพท่ีได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านกรณีตัวอย่างท่ีมีความหนาเท่ากันแต่เป็นวัสดุคนละประเภท (มวลอะตอมแตกต่างกัน) จะส่งผลต่อความสามารถในการทะลุผ่านของอิเล็กตรอนโดยตรงวัสดุท่ีมีมวลอะตอม มากกว่าจะเกิดการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่พุ่งทะลุช้ินงานตัวอย่างมากกว่าส่งผลให้อิเล็กตรอนท่ีทะลุลงไปสร้าง ภาพดา้ นล่างมปี ริมาณน้อยภาพจึงสวา่ งน้อยกว่ากรณที ี่ตวั อยา่ งเปน็ วัสดุชนดิ เดียวกันแต่มีความหนาแตกตา่ งกนั ภาพ ทีไ่ ด้ก็จะแตกต่างกันด้วยโดยบริเวณท่ีชิ้นงานตัวอย่างซอ้ นทับกันหรือหนากวา่ จะเกิดการเล้ียวเบนของอิเล็กตรอนที่ ทะลุผา่ นมากกวา่ ทาใหภ้ าพบริเวณที่หนากวา่ จะมคี วามสว่างนอ้ ยกวา่ โดยทง้ั 2 กรณีสรุปไดด้ ังนี้ มวลอะตอมน้อย/ความหนานอ้ ย --->อิเล็กตรอนทะลผุ า่ นได้มาก --->ภาพสว่างมากกว่า มวลอะตอมมาก/ความหนามาก --->อเิ ลก็ ตรอนทะลุผา่ นไดน้ ้อย --->ภาพสว่างน้อยกวา่ ดิฟแฟรกชนั คอนทราสต์ (Diffraction Contrast): ส่วนใหญ่เกิดข้นึ กับวสั ดทุ ่ีมีความเป็นผลึกหรือมีการ จัดเรยี งตวั ของอะตอมอย่างเป็นระเบียบทั้งประเภทผลกึ เดี่ยว (Single crystal) หรือพหุผลึก(Polycrystalline) โดย ปรากฏการณ์ท่เี กดิ ขึ้นจากการใชอ้ อบเจคทีฟอะเพอเจอร์ (Objective aperture) มาชว่ ยในการเพ่มิ คอนทราสตข์ อง ภาพที่สร้างขึ้นโดยออบเจคทีฟอะเพอเจอร์ท่ีใช้มีหน้าท่ีกั้นลาอิเล็กตรอนบางส่วนที่เกิดการเลี้ยวเบนหลังจากทะลุ ผ่านช้ินงานตัวอยา่ งก่อนจะนามาสร้างภาพความแตกต่างของคอน- ทราสต์จากบรเิ วณท่ีอิเล็กตรอนมีการเล้ียวเบน ในมมุ ท่ตี ่างกันทาใหแ้ ยกแยะความแตกต่างของภาพไดม้ ากย่ิงขน้ึ

100 รปู ที่ 5.12 ภาพไบรตฟ์ ลิ ด์แสดงคอนทราสต์มวลและความหนาของวัสดทุ ี่แตกตา่ งกันของฐานรองรับซิลิคอนฟิล์ม คาร์บอนและผิวเคลอื บแพลทินัม (มวลอะตอม: ซลิ คิ อน = 28 คาร์บอน = 12 และแพลทินมั = 195) รปู ท่ี 5.13 เปรียบเทียบการเพ่ิมดฟิ แฟรกชนั คอนทราสต์โดยใชอ้ อบเจกทีฟอะเพอเจอร์ โดยภาพซา้ ยไม่ใชอ้ อบเจกทีฟอะเพอเจอร์ส่วนภาพขวาใช้ออบเจกทฟี อะเพอเจอร์ 5.5 เครอ่ื งยวู ี-วิซเิ บิล สเปคโตรโฟโตมเิ ตอร์ (UV-visible Spectrophotometer) เคร่ืองยูวี-วิซิเบิล สเปคโตรโฟโตมิเตอร์ เป็นเคร่ืองมือท่ีใช้ในการตรวจวัดปริมาณแสงและค่าความเข้มแสง (Intensity) ในชว่ งอลั ตราไวโอเลตและชว่ งทตี่ ามองเห็น ดังรูป 6.15 ซึ่งอยู่ในช่วงความยาวคลืน่ ประมาณ 190-800 นาโนเมตร ท่ีทะลุผ่านหรือถูกดูดกลืนโดยช้ินงานตัวอย่างที่วางอยู่ในเคร่ืองมือ โดยท่ีความยาวคลื่นแสงจะมี ความสัมพันธ์กับปริมาณและชนิดของสารท่ีอยู่ในตัวอย่าง ซ่ึงส่วนใหญ่จะเป็นสารอินทรีย์ (Organic) สารประกอบ เชิงซอ้ น (Complex compound) และสารอนินทรยี ์ (Inorganic) ท่สี ามารถดดู กลืนแสงในชว่ งความยาวคลน่ื เหล่าน้ี ได้ สมบัติของสารดังกล่าวได้นามาใช้วิเคราะห์ท้ังในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณอย่างกว้างขวาง เพราะเทคนิคน้ีให้

101 ความถูกต้อง ความแม่นยา และมีสภาพไว (Sensitivity) สูง โดยอาจทาการวิเคราะห์อยู่ในรูปของธาตุหรอื โมเลกลุ ก็ ได้ แตใ่ นกรณที ตี่ ้องการตรวจสอบขอ้ มูลเชิงลกึ และโครงสรา้ งของชิ้นงานตวั อยา่ ง อาจจะตอ้ งใชเ้ ทคนคิ อนื่ เข้ามาร่วม พจิ ารณา หลักการทางาน เนอ่ื งจากสมบัตใิ นการดูดกลืนแสงของช้ินงานตัวอย่าง เมือ่ โมเลกลุ ของชิ้นงานตวั อย่างถูกฉายดว้ ยแสงในช่วง รงั สอี ัลตราไวโอเลตหรือแสงชว่ งที่ตามองเห็นท่มี ีพลงั งานเหมาะสมจะทาให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมเกิดการดูดกลนื แสงแล้วเปลี่ยนสถานะไปอยู่ในช้ันทม่ี ีระดับพลังงานสูงกว่า เมือ่ ทาการวัดปริมาณของแสงท่ีผ่านหรือสะท้อนมาจาก ชน้ิ งานตวั อยา่ งเทียบกับแสงจากแหล่งกาเนิดท่คี วามยาวคลน่ื ค่าต่างๆ ตามกฎของเบยี ร์แลมเบริ ์ด (Beer-Lambert) ค่าการดูดกลืนแสง (Absorbance) ของช้ินงานตัวอย่างจะแปรผันกับจานวนโมเลกุลท่ีมีการดูดกลืนแสง ดังรูปท่ี 5.15 และสมการท่ี 5.2 ดังนน้ั จึงสามารถใช้เทคนิคน้ีในระบชุ นิดและปริมาณของสารต่างๆที่มีอยู่ในชิ้นงานตัวอย่าง ได้ รูปท่ี 5.14 เครือ่ งยวู ี-วิซิเบลิ สเปคโตรโฟโตมเิ ตอร์ (UV-visible Spectrophotometer) รูปท่ี 5.15 กฎของเบยี ร์แลมเบริ ์ด (Beer-Lambert) (ที่มา : https://www.brighthub.com/environment/renewable-energy/articles/79089.aspx)

102 (5.2) ������⁄������0 = 10−������������ ������ คือ ความเขม้ แสงตกกระทบ (W/m2 or Btu/hr/ft2) ������0 คอื ความเข้มแสงทีท่ ะลผุ ่านชิน้ งานตัวอย่าง (W/m2 or Btu/hr/ft2) ������ คือ ระยะทางทแี่ สงวงิ่ ผ่านช้นิ งานตวั อยา่ ง (m) ������ คอื ค่าสมั ประสิทธ์กิ ารดดู กลืนแสงของช้นิ งานตัวอยา่ ง (m-1) รปู ที่ 5.16 หลกั การทางานของเครอื่ งยวู -ี วิซิเบลิ สเปคโตรโฟโตมเิ ตอร์ (ที่มา : https://microbenotes.com/spectrophotometer-principle-instrumentation-applications/) สว่ นประกอบของเครื่อง เคร่อื งยวู ี-วซิ เิ บิลสเปคโตรโฟโตมเิ ตอร์ ประกอบด้วยส่วนประกอบหลกั ดงั นี้ 1. แหล่งกาเนิดแสง ต้องให้รังสีในช่วงความยาวคลื่นท่ีต้องการอย่างต่อเน่ืองและคงท่ีตลอดเวลา รวมทั้งมี ความเข้มแสงที่มากพอด้วย หลอดกาเนิดแสง มีหลายชนิดตามความยาวคล่ืนแสงที่เปล่งออกมา ซึ่งต้องเลือกใช้ให้ ถกู ต้องเหมาะสมกับชน้ิ งานท่ีนามาวดั ค่าดูดกลืนแสง เช่น ช่วงอัลตราไวโอเลต ใช้หลอดไฮโดรเจน (H2) และดิวเทอ เรียม (D2) โดยให้ความยาวคล่ืนอยู่ในย่าน 160-380 นาโนเมตร และช่วงแสงที่ตามองเห็น ใช้หลอดทังสเตน/ฮาโล เจน (Tungsten/halogen) โดยให้ความยาวคล่นื ในชว่ ง 240-2,500 นาโนเมตร 2. โมโนโครมาเตอร์ (Monochromator) เป็นสว่ นท่ใี ชค้ วบคมุ แสงโดยจะทาใหแ้ สงที่ออกมาจากแหล่งกาเนดิ แสง ซ่ึงเป็นแสงแบบพอลิโคเมตกิ (Polychromatic) ใหเ้ ปน็ แสงโมโนโครเมตกิ (Monochromatic) ซ่ึงเป็นแถบแสง แคบๆ หรือมีความยาวคล่นื เดียว ใชฟ้ ิลเตอร์ (กระจกสี) ปริซึม (Prism) หรอื เกรตตงิ้ (Grating) 3. เซลล์ท่ีใช้บรรจุสารละลายตัวอย่างเซลล์ท่ีใส่สารตัวอย่าง (Cell sample) บางคร้ังอาจเรียกว่า คิวเวทท์ (Cuvettes) รูปแบบที่ใช้กันทั่วไปได้แก่เซลล์ที่ทาด้วยแก้วธรรมดาจะใช้ได้เฉพาะช่วงแสงที่ตามองเห็น เพราะเนื้อ แก้วธรรมดาถูกดูดกลืนแสงในช่วงอัลตราไวโอเลตได้ และเซลล์ที่ทาด้วยซิลิกาและควอร์ตซ์ (Quartz) ใช้ได้ท้ังช่วง ในช่วงอัลตราไวโอเลตและชว่ งแสงท่ตี ามองเห็น 4. ตัวตรวจวัด (Detector) ทาหนา้ ท่ีในการวัดความเข้มของแสงที่ถูกดูดกลนื โดยการแปลงพลังงานคล่ืนรงั สี เป็นพลังงานไฟฟ้า เครื่องตรวจจับสัญญาณท่ีดีตอ้ งมีสภาพไวสูง คือแม้ปริมาณแสงจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย ก็สามารถ

103 ตรวจจับสัญญาณความแตกต่างได้ เคร่ืองวัดแสงที่ยังนิยมกันอยู่ในปัจจุบัน คือ หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ (Photomultiplier tube; PMT) และเครื่องวัดแสงชนดิ ซิลกิ อนไดโอด (Silicon diode detector) 5.6 เครอื่ งวิเคราะห์การเล้ียวเบนรงั สีเอกซ์ (X-Ray Diffractometer; XRD) การเล้ียวเบนของรังสเี อกซ์เป็นวิธีท่ใี ชศ้ ึกษาโครงสร้างผลึกของฟิล์ม ทาใหเ้ ราทราบว่าฟิล์มนั้นมคี ่าคงท่ีแลท ทิช (Lattice constant) เท่าใดและมีระนาบอะไรบ้างในตัวอย่าง รังสีเอกซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าท่ีมีพลังงานสูง และมีความยาวคลื่นระหว่าง 0.5-2.5 Å รังสีเอกซ์เกิดจากการเคลื่อนท่ีของอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งในสนามไฟฟ้าให้มี พลังงานสงู มากว่ิงชนเป้าซ่ึงทาด้วยโลหะหนัก เช่น ทองแดง ผลของการชนก่อให้เกดิ รงั สีเอกซ์ 2 ชนิด คือ รังสีเอกซ์ ต่อเน่ือง (Continuous X-Ray) กับรังสีเอกซ์เฉพาะตัว (Characteristic X-Ray) รังสีเอกซ์จะแสดงสมบัติเชิงคล่ืน คือ เกิดการเลี้ยวเบน (Diffraction) เม่ือผ่านช่องว่างระหว่างอะตอมในผลึก และหลังจากคลื่นผ่านโครงสร้างผลึก ออกมาจะเกิดการแทรกสอด (Interference) ทัง้ แบบเสรมิ และแบบ หักล้างกัน ถ้าหากพจิ ารณาเฉพาะบรเิ วณที่รงั สี เอกซ์ตกกระทบอะตอม รังสีเอกซ์จะแสดงสมบตั ิเชิงอนุภาค คือ กระเจิง (Scattering) ออกทกุ ทิศทางเมอ่ื รังสีเอกซ์ ตกกระทบกับอะตอมซ่งึ เรยี งตัวอยู่บนระนาบของโครงสร้างผลกึ อะตอมนี้จะทาหนา้ ท่กี ระเจิงรังสเี อกซ์ ทาใหม้ สี ภาพ เหมือนรังสีเอกซ์ที่ตกกระทบลงมามีการสะท้อนพิจารณารูปที่ 5.17 เมื่อมีรังสีเอกซ์ตกกระทบกับระนาบของผลึก โดยระยะห่างระหว่างระนาบแทนด้วย ������ รังสีเอกซ์ตกกระทบท่ีจุด D และ B ทามุม ������ กับระนาบ แล้วสะท้อน ออกมาจากระนาบเป็นมุม ������ ผลต่างทางเดินของรังสีเอกซ์ท้ังสองมีค่าเท่ากับ AB + BC ซ่ึงเท่ากับ 2������ sin ������ โดย การแทรกสอดแบบเสริมกันของรังสีจะเกิดขึ้นได้เมื่อผลต่างทางเดินรังสีจะต้องมีค่าเท่ากับ ������ โดย ������ เป็นจานวน เตม็ และ  คอื ความยาวคลน่ื ของรงั สีเอกซ์ แสดงได้ดงั สมการที่ 5.3 2������ sin ������ = ������ (5.3) เมือ่ ������ คอื ลาดับการเลี้ยวเบน มีค่าตัง้ แต่ 1 2 3 … สมการที่ (5.3) เรยี กว่า กฎของแบรกก์ ในทางผลึกวทิ ยาสามารถมองวา่ ผลึกประกอบด้วยระนาบของอะตอม ต่างๆ โดยการระบุระนาบจะใช้สัญลักษณ์ (ℎ ������ ������) ซึ่งค่า ℎ ������ และ ������ เรียกว่า ดัชนีมิลเลอร์ (Miller indices) เป็น เลขจานวนเต็มต้ังแต่ 0 1 2 เป็นต้นไป ระยะห่างระหว่างระนาบในชุดเดียวกันขึ้นอยู่กับดชั นีมิลเลอร์ (ℎ ������ ������) และ ค่าคงท่ีของโครงผลึก (������, ������, ������, ������, ������, ������) ความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่างของระนาบกับค่าคงท่ีของโครงผลึกจะ ต่างกนั ไปตามระบบผลึกแบบตา่ งๆ ในกรณีอยา่ งง่าย เมื่อพิจารณาผลกึ ที่มีโครงสรา้ งแบบควิ บคิ (cubic) ซง่ึ มีค่าคงท่ีโครงผลกึ ดงั นี้ ������ = ������ = ������ และ ������ = ������ = ������ = 90 จะได้ความสัมพันธด์ ังนี้ dhkl  a (5.4) h2  k2  l2 จากสมการ (5.3) เมื่อ ������ = 1 จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่างของระนาบกับค่าคงท่ีของโครงผลึกดัง สมการ

104 1  4 sin 2   h2  k 2  l 2 (5.5) d 2 2 a2 เม่อื a คอื คา่ คงที่แลททชิ  คือ ค่าความยาวคล่นื ของรังสเี อกซ์  คอื มมุ ของการเล้ยี วเบน รูปท่ี 5.17 การเลยี้ วเบนของรงั สเี อกซจ์ ากระนาบในผลึกตามกฎของแบรกก์ (Bragg’s law) (ที่มา : https://physics.stackexchange.com/questions/297554/braggs-diffraction-huygens-principle) รูปที่ 5.18 การเล้ียวเบนของรงั สีเอกซจ์ ากระนาบในกรณีคลื่นแทรกสอดแบบเสรมิ กนั และแบบหักลา้ งกนั (ทมี่ า : https://www.wikiwand.com/en/Bragg%27s_law)

105 ระนาบตา่ งๆในผลึกไม่ได้ก่อใหเ้ กดิ การเล้ียวเบนเสมอไป ระนาบใดท่ีรงั สีเอกซ์ตกกระทบแล้วกระเจิงออกมา สอดคล้องกับกฎของแบรกก์ เรียกว่า ระนาบแบรกก์ (Bragg plane) มุมที่รังสีสะท้อนทากับระนาบท่ีขนานกับรังสี ตกกระทบ เรียกว่า มุมเลี้ยวเบน (Diffraction angle) ซึ่งมีค่าเป็น 2 เท่าของมุมสะท้อน เม่ือนาช้ินงานตัวอย่างที่ เตรียมขึ้นมาไปวัดด้วยวิธีการเล้ียวเบนของรังสีเอกซ์ด้วยเครื่องวัดการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์(X-Ray diffractometer) ความเข้มของรังสีเอกซ์ท่ีเล้ียวเบนและมุมเล้ียวเบนต่างๆจะถูกตรวจหาค่าท้ังสองจะนาไปวิเคราะห์โครงสร้างผลึก ของช้ินงานตัวอย่าง กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มและมุมเลี้ยวเบนที่ได้ เรียกว่า รูปแบบการเล้ียวเบน (Diffraction pattern) ซ่งึ จะมลี กั ษณะเฉพาะสาหรบั ธาตหุ รือสารประกอบชนิดเดียวกนั เมื่อได้ข้อมูลทีก่ ล่าวมาแล้ว ก็จะสามารถคานวณหาคา่ คงทขี่ องโครงผลึกรปู แบบการเลีย้ วเบนของรงั สเี อกซ์ จากสมการของเชอเรอร์ (Sherrer’s equation) สามารถหาคา่ ขนาดของเม็ดผลกึ (Grain size) ไดด้ ังน้ี D  KX (5.6) 2 cos เมื่อ D คือ ขนาดของเมด็ ผลกึ K คอื ค่าคงที่ซงึ่ ขน้ึ กบั ขนาดและรปู รา่ งของเม็ดผลึก (0.89  K  0.94)  คือ มุมของการเลี้ยวเบน 2 คือ ค่าคร่ึงหน่ึงของความกว้างสูงสุดของยอดการเลี้ยวเบน (Full Width at Half-Maximum of the diffraction peak: FWHM) X คือ ค่าความยาวคล่ืนของรงั สีเอกซ์ รปู ท่ี 5.19 รูปแบบการเลีย้ วเบนของรังสีเอกซ์

106 5.7 เครอื่ งอินฟราเรดสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Infrared Spectrophotometer; IR) การวิเคราะห์โดยใช้เทคนิคทางอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (Infrared spectroscopy, IR) เป็นหนึ่งใน สเปกโทรสโกปี ทั่วไปใช้ในทางเคมีอนิ ทรยี แ์ ละเคมอี นินทรีย์ ซ่ึงเมื่อแสงอนิ ฟราเรดตกกระทบโมเลกลุ สารจะเกิดแรง อนั ตรกิรยิ า (Interaction) ระหวา่ งแสงกบั โมเลกลุ สาร โดยทีแ่ สงอินฟราเรดในบางชว่ งทีม่ ีความถต่ี รงกันกบั ความถี่ ของพันธะในโมเลกุลของสารจะถูกดูดกลืนไปเรียกว่า เกิดเรโซแนนซ์ (Resonance) ดังนั้นความเข้มของแสง อินฟราเรดทที่ ะลุผ่านสสารตัวอยา่ ง (Transmitted Infrared) จึงมีความเขม้ แสงลดลงในบางชว่ งของความถท่ี ้ังหมด ของอินฟราเรด อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี สามารถแยกเป็น 2 ประเภท คือ ดิสเพิสซีฟอินฟราเรดสเปกโทรโฟโต มิเตอร์ (Dispersive Infrared Spectroscopy; DIS) และฟูเรียทรานฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR) โดยในบทนี้จะกล่าวถึงเฉพาะ FTIR เนื่องจากเป็นเครื่องมือ ทม่ี ปี ระสทิ ธิภาพมากกวา่ 5.7.1 ฟเู รยี ทรานฟอรม์ อินฟราเรดสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR) รปู ท่ี 5.20 แผนผงั การทางานของเครอ่ื ง FTIR (ทมี่ า : https://chem.libretexts.org/Courses/Howard_University/Howard%3A_Physical_Chemistry_ Laboratory/14._Fourier_Transform_Infrared_Spectroscopy) FTIR เป็นเทคนิคท่ีใช้ในการศึกษาหมู่ฟังกช์ ันของโมเลกุล โดยข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างทางโมเลกุลท่ีเป็นได้ ทัง้ เชงิ คณุ ภาพและเชงิ ปริมาณ นิยมใช้วิเคราะห์ทดสอบสารอนิ ทรยี ์ ใช้ไดด้ ีกับสารตัวอย่างท่ีมีความบริสทุ ธ์ิสูงท้ังทอ่ี ยู่ ในรูปของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยเป็นเทคนิคการกระตุ้นสารด้วยพลังงานแสง เม่ือแสงอินฟราเรดท่ีความยาว คลื่นต่างๆผ่านสารอินทรีย์ พันธะเคมีในโมเลกุลของสารจะดูดกลืนพลังงานท่ีค่าความยาวคลื่นหน่ึง ข้อมูลนี้จะถูก ประมวลโดยคอมพิวเตอร์ โดยการใช้สมการเชิงอนุพันธ์ที่เรียกว่า ฟูเรียร์ทรานฟอร์ม ดังรูปท่ี 5.20 ซึ่งจะคานวณ

107 พลังงานของแต่ละความยาวคล่ืนและแปรผลออกมาเป็นสเปกตรัม เนื่องจากสารแต่ละชนิดให้สเปกตรัมที่มี ลกั ษณะเฉพาะ สามารถนามาเปรียบเทยี บกบั สเปกตรมั ของสารท่มี ีอยู่ในฐานข้อมลู เพือ่ ใช้ในการพิสจู น์และบ่งชช้ี นิด ของสารตวั อยา่ งได้ โดยจะแสดงออกมาในรปู ของกราฟความสัมพันธ์ระหวา่ งความเข้มแสงอนิ ฟราเรดที่ทะลผุ ่านสาร ตัวอยา่ งกับความถี่หรือเลขคลนื่ (Wavenumber) ซึ่งเลขคล่ืนมีค่าเทากบั สว่ นกลับของความถี่ของแสง ดงั รปู ท่ี 5.21 รูปท่ี 5.21 สเปคตรมั การทะลผุ า่ นแสงอินฟราเรดของเอทานอลจากเคร่อื ง FTIR จากภาพแสดงถึงการดูดกลืนแสงในช่วงความถ่ีต่างๆ ท่ีมีความสูงของพีค หรือปริมาณแสงที่ทะลุผ่านสาร ตัวอยางทหี่ ลากหลาย และเปน็ จานวนหลายพีค ทัง้ นเ้ี น่อื งจากในโมเลกุลของสารอนิ ทรียจ์ ะมพี นั ธะมากกว่า 1 พนั ธะ และแต่ละพันธะจะมีการสั่น (Vibration) ในความถี่ท่ีแตกตา่ งกัน และทีรปู แบบของการสนั่ ได้หลากหลายรปู แบบ 5.8 เครอื่ งรามานสเปกโตรมิเตอร์ (Raman Spectrometer) รามาน (Raman) เป็นปรากฏการณ์ในการกระเจิงของแสงรูปแบบหนึ่งที่เกิดจากการที่แสงตกกระทบวัตถุ และส่งผลทาให้โมเลกุลของสารถูกกระตุ้นให้อยู่ในสถานะกระตุ้น (ถ้าพิจารณาในระดับโมเลกุลคือการท่ีพันธะ ระหว่างอะตอมในโมเลกุลถูกทาให้มีสภาพข้ัวหรือโพลาไรเซชัน (Polarizibility) เปล่ียนแปลงไป และเมื่อโมเลกุลที่ ถูกกระตุ้นพยายามทจ่ี ะกลบั คนื สู่สถานะปกติ ซงึ่ มพี ลังงานตา่ กวา่ โดยไม่มีโมเมนต์แมเ่ หลก็ (Dipole moment) ใน พันธะเคมีก็จะทาให้เกิดการกระเจิงแสง (Scattered light) ออกมา ดังแสดงในรูปที่ 5.22 ซงึ่ การกระเจิงแสงดังกล่าวขา้ งต้นมไี ด้ท้ังกระบวนการกระเจิงแสงแบบพลังงานแสงคงท่ี (Elastic process) และกระบวนการกระเจิงแสงแบบแสงท่ีกระเจิงออกมามีพลังงานหรือ ความยาวคล่ืนเปลี่ยนแปลงไปเม่ือเทียบกับ ความยาวคลืน่ เร่ิมตน้ ของแสงที่ตกกระทบ (Inelastic process) ขอ้ มลู ทไี่ ดจ้ ากการกระเจิงในแบบรามานมีประโยชน์ มากในการนาไปประยกุ ต์ใช้ในการวิเคราะห์วัสดุจาพวกพอลิเมอร์ และนยิ มใชค้ ูก่ บั เทคนิคอนิ ฟราเรด ในการกระเจิง แบบรามาน ผลต่างของพลังงานหรือความถี่ของแสงท่ีตกกระทบกับพลังงานแสงท่ีกระเจิงเรียกว่า รามานชิฟ

108 (Raman shift) จะมีค่าตรงกันกับพลังงานหรอื ความถ่ีของพนั ธะในการสั่นของโมเลกุลทวี่ ดั ได้จากเทคนิคอินฟราเรด ดังนั้นสเปคตรัมที่ได้จากเคร่ืองรามานจึงมีลักษณะคล้ายกันกับสเปคตรัมที่ได้จากเครื่องอินฟราเรด ยกตัวอย่าง สเปคตรัมของพอลิสไตรนี ดงั แสดงในรปู ท่ี 5.23 รปู ท่ี 5.22 การกระเจงิ ของแสงทต่ี กกระทบวตั ถุ (ทมี่ า : https://aboutforensics.co.uk/raman-spectroscopy/) รปู ท่ี 5.23 เปรียบเทียบสเปคตรมั FTIR และ Raman ของพอลิสไตรีน (ทีม่ า : University of Colorado at Boulder, 2009)

109 โดยพีคบางพีคอาจไม่สามารถสังเกตพบได้จากสเปคตรมั อินฟราเรด แต่สามารถสังเกตพบได้ในสเปคตรมั รา มาน เป็นต้น ข้อดีของเทคนิครามาน ไดแ้ ก่ 1. เนื่องจากปรากฏการณ์รามานเป็นกระบวนการกระเจิงของแสง ดังนั้นสารตัวอย่างที่ใช้อาจจะมีรูปทรง หรอื ขนาดใดๆ กไ็ ด้ 2. สามารถใชว้ ดั สารตัวอยา่ งท่มี ีความเขม้ ข้น หรือปรมิ าณนอ้ ยได้ 3. สามารถใชว้ ิเคราะห์สารตวั อย่างทลี่ ะลายในนา้ ได้ เนือ่ งจากโมเลกุลน้า ซึง่ มีสภาพข้ัวสงู จะไม่เกดิ สัญญาณ รบกวนสเปคตรมั รามาน 4. ทีบ่ รรจุสารตัวอย่าง (Sample holder) เป็นวสั ดุประเภทแก้ว ซึ่งมีราคาไม่แพงเมอ่ื เทียบกับ IR window บางชนดิ 5. สามารถใช้วิเคราะห์ได้ท้ังในเชิงคุณภาพและปรมิ าณ

110 บทสรปุ เมื่อวัสดุมีขนาดเล็กลงในระดับนาโนเมตร จะมีสมบัติพิเศษเฉพาะตัวที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีวัสดุ ศาสตร์แบบด้ังเดมิ ได้ สมบัตพิ ิเศษดังกล่าวสามารถเป็นไปได้ท้ังทางอิเลก็ ทรอนิกส์ ทางไฟฟ้า ทางเคมี และทางแสง ปจั จุบนั ได้มเี คร่ืองมือวิเคราะห์ที่มปี ระสิทธภิ าพสงู ถูกพัฒนาข้ึนอย่างมากมาย ซ่ึงสง่ ผลใหส้ ามารถวิเคราะห์ และทา ความเข้าใจถึงพฤตกิ รรมของวัสดุนาโนได้ เมื่อการมองเห็นภาพมีผลต่อความน่าเช่ือถือ ดังนั้นภาพของวัสดุนาโนจึง เป็นส่วนสาคัญของนาโนวทิ ยาและนาโนเทคโนโลยี ทว่าการถา่ ยภาพทางด้านนาโนวิทยามไิ ด้หมายถึงการทาใหเ้ กิด ภาพเท่านั้น แตต่ อ้ งเขา้ ใจความหมายอีกด้วย ในปัจจุบนั นักวทิ ยาศาสตร์สามารถเขา้ ถงึ เครือ่ งมือมากมายท่ีทาให้เห็น วัตถุในระดับนาโนเมตร ได้แก่ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ กล้องจลุ ทรรศนแ์ รงอะตอม และ กล้องจลุ ทรรศน์อเิ ล็กตรอนแบบส่องผ่าน เป็นตน้

111 แบบฝกึ หดั ท้ายบท 1. จงเขยี นชือ่ เต็มของเคร่อื งมือวิเคราะหต์ ่อไปนพ้ี รอ้ มบอกลักษณะข้อมลู ทไ่ี ด้ AFM ____________________________________ TEM_____________________________________ SEM_____________________________________ FTIR_____________________________________ STM_____________________________________ XRD_____________________________________ 2. จงอธบิ ายหลักการทางานของเครื่อง STM 3. จงอธบิ ายหลกั การทางานของเครอื่ ง AFM 4. จงอธิบายปรากฏการณ์กระแสทะลุผ่านพร้อมวาดรูปประกอบ 5. สัญญาณภาพทไ่ี ด้จาก “Backscatter electron” จากเทคนคิ SEM เป็นการชนของอเิ ล็กตรอนแบบใด และมี หลกั การอย่างไร



เอกสารอ้างองิ Inkson, B.J. (2016). Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) for materials characterization. Materials Characterization Using Nondestructive Evaluation (NDE) Methods, pp. 17-43. ______. (มปป). JEOL JSM-7001F Scanning Electron Microscope. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://nanofabrication.unt.edu/jeol-jsm-7001f-scanning-electron-microscope ______. (มปป). Low Temperature (4K) Scanning-Tunneling Microscope with Q+ AFM. สืบค้นเมื่อ วันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://tqt.uwaterloo.ca/labequipment-details/omicron-stm-afm/ Kevin, B., Jacob, F., David, K., Leticia, T., Adina, C., Ricardo, S., et al. (2018). Segmentation of scanning tunneling microscopy images using variational methods and empirical wavelets. Pattern Analysis and Applications. DOI:10.1007/s10044-019-00824-0. ______. (มปป). Scanning tunneling microscopy. สบื ค้นเม่ือวนั ท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.maths.tcd.ie/~bmurphy/thesis/thesisse3.html Ryba, L. (2016). 3D nanopositioning based on tunneling current sensing and piezoactuation. University of Colorado at Boulder, Department of Chemistry and Biochemistry, 2009. ______. (2017). Quantum mechanical squeezing' enables quantum state atomic force microscopy. สบื คน้ เมื่อวนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://phys.org/news/2017-05-quantum-mechanical-enables-state-atomic.html ______. (มปป). Transmission Electron Microscope (TEM). สืบคน้ เมอื่ วนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก http://jiam.utk.edu/facilities/microscopy/tem/index.php Ford, B.J., Joy, D.C., & Bradbury, S. (มปป). Transmission electron microscope. สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.britannica.com/technology/transmission-electron-microscope ______. (มปป). The Beer Lambert Law. สืบคน้ เมือ่ วนั ที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.brighthub.com/environment/renewable-energy/articles/79089.aspx Aryal, S. (2018). Spectrophotometer-Principle, Instrumentation, Applications. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://microbenotes.com/spectrophotometer-principle-instrumentation-applications/ ______. (มปป). Bragg's diffraction - Huygens' principle. สืบค้นเมือ่ วนั ที่ 20 พฤศจกิ ายน 2562 จาก https://physics.stackexchange.com/questions/297554/braggs-diffraction-huygens-principle ______. (มปป). Bragg's law. สบื ค้นเม่อื วันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://www.wikiwand.com/en/Bragg%27s_law

114 ______. (มปป). Fourier Transform Infrared Spectroscopy. สืบค้นเมื่อวันท่ี 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://chem.libretexts.org/Courses/Howard_University/Howard%3A_Physical_Chemistry_ Laboratory/14._Fourier_Transform_Infrared_Spectroscopy ______. (มปป). Raman Spectroscopy. สบื คน้ เมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน 2562 จาก https://aboutforensics.co.uk/raman-spectroscopy/

แผนบรหิ ารการสอนประจาบทที่ 6 หัวขอ้ เน้อื หา วัสดนุ าโน 6.1 วัสดนุ าโนโลหะ 6.2 วัสดุนาโนเซรามกิ 6.3 วสั ดุคาร์บอน 6.3 วัสดนุ าโนพอลเิ มอร์ 6.4 วสั ดนุ าโนคอมโพสิต คาถามทา้ ยบท วัตถปุ ระสงค์เชงิ พฤติกรรม เมอ่ื ผูเ้ รียน เรยี นจบบทน้ีแล้วผู้เรยี นควรมีความรแู้ ละทักษะดงั น้ี 1. สามารถจาแนกวสั ดนุ าโนประเภทต่างๆได้ 2. มีความเขา้ ใจสมบัตขิ องวัสดุนาโนประเภทต่างๆ วิธีสอนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจาบท 1. บรรยายเน้ือหาในแตล่ ะหวั ขอ้ พร้อมยกตวั อย่างประกอบ 2. ศึกษาเอกสารประกอบการสอน 3. ผสู้ อนสรุปเน้อื หา 4. ผสู้ อนทาการซกั ถาม สอื่ การเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชานาโนเทคโนโลยเี บอื้ งตน้ 2. Power Point การวดั ผลและประเมินผล 1. ประเมินจากการซกั ถามในชนั้ เรยี น 2. ประเมนิ จากการทาแบบฝกึ หัดทบทวนทา้ ยบทเรยี น 3. ประเมินจากการสอบปลายภาค



บทท่ี 6 วัสดนุ าโน (Nanomaterials) ======================================================================== การจาแนกประเภทและชนิดของวัสดุนาโนสามารถจาแนกได้ตามระบบการจัดเรียงโครงสร้างและพันธะ ภายในโครงสรา้ งของวัสดุ ซึ่งวัสดุนาโนสามารถเป็นได้ท้ัง โลหะ เซรามิก พอลิเมอรแ์ ละคอมโพสิต ซ่งึ ถูกสังเคราะห์ ข้ึนมาโดยการดัดแปลงการจัดเรียงตัวของอะตอมหรือโมเลกุลให้มีช่วงขนาด 0.1-100 นาโนเมตร โดยสมบัติและ พฤติกรรมต่างๆ ของวัสดุขนาดจ๋ิวเหล่านี้ เช่น สมบัติการนาไฟฟ้า สมบัติเชิงกล และสมบัติทางแม่เหล็ก มีความ แตกต่างจากวสั ดุชนิดเดียวกันท่ีมีขนาดใหญ่ข้ึนในระดับไมครอน วัสดโุ นสามารถแบง่ ยอ่ ยออกได้เป็นหลายกลุ่มตาม การประยกุ ตใ์ ชท้ ส่ี าคัญ ประกอบดว้ ย 6.1 วสั ดุนาโนโลหะ (Nanometallic Materials) วัสดนุ าโนโลหะ รวมทง้ั วัสดุนาโนโลหะอลั ลอยด์ (Metal alloys) คืออนุภาคนาโนโลหะหรือโลหะอลั ลอยด์ที่ มขี นาดเล็กระดบั นาโนท่ีเกดิ จากโครงสร้างทม่ี กี ารยึดเหนยี่ วกันด้วยพนั ธะปฐมภมู ิ (Primary bond) ชนดิ พันธะโลหะ (Metallic bond) เชน่ นาโนซิลเวอร์ (Nano-Silver) นาโนโกลด์ (Nano-Gold) นาโนไททาเนียม (Nano-Titanium) เป็นตน้ รปู ท่ี 6.1 อนุภาคทองคาทีม่ ขี นาดลดลงในระดบั นาโน (ท่มี า : https://www.manuscriptedit.com/scholar-hangout/size-matter-nano-vs-macroscopic-world/)

118 อนุภาคนาโนโลหะเป็นตัวอย่างท่ีชัดเจนว่าสมบัติของสสารสามารถเปล่ียนแปลงได้ในระดับนาโนเมตร ตัวอยา่ งเช่น ทอง เปน็ โลหะมตี ระกูล มสี ีเหลอื งสะดุดตาและใช้สาหรับเป็นเครอื่ งประดับ โลหะทองคามีความเสถยี ร มาก (เชน่ ไม่ทาปฏกิ ิรยิ ากบั ออกซเิ จนหรือกามะถัน) อย่างไรก็ตามหากอนภุ าคทองคามขี นาดลดลงในระดบั นาโนจะ เปล่ียนสีกลายเป็นสีแดงทับทิม และไม่มีสีเมื่อมีโครงสร้างจุลภาคแบบวงแหวน นอกจากน้ีอนุภาคนาโนของทอง อนภุ าคนาโนทองคาจะมคี วามวอ่ งไวและสามารถนาไปใช้เปน็ ตัวเร่งปฏกิ ิริยาได้ อนภุ าคนาโนของโลหะมีตระกูล ไดแ้ ก่ ทองคา (Gold) เงิน (Silver) ทองคาขาว และพาลาเดยี ม (Paladium) จะแสดงปรากฏการณ์การสั่นพ้องแบบพลาสมอนบนพ้ืนผิว (Localised surface plasmon-resonances; LSPR) คอื เมื่อแสงกระทบกบั พืน้ ผิวโลหะ คลืน่ แสงบางส่วนจะแพร่กระจายไปตามพื้นผิวโลหะทาให้เกิดพลาสมอนผิว ซึ่งใน วัสดุท่ัวไปอิเล็กตรอนจะสามารถเคล่ือนที่ได้อย่างอิสระในวัสดุ แต่ในกรณีของอนุภาคนาโนพลาสมอนพ้ืนผิวจะถูก จากัด ดงั น้ันอิเล็กตรอนจะแกวง่ ไปมาในพื้นที่ขนาดเลก็ เม่ือความถ่ีของการแกว่งนี้เท่ากบั ความถ่ีของแสงตกกระทบ พลาสมอนจะเกิดการส่ันพ้องกับแสงตกกระทบ โดยพลังงานของ LSPR จะขึ้นอยู่กับรูปร่าง ขนาด สัดส่วน องค์ประกอบ ระยะห่างระหว่างอนภุ าค และสภาพแวดล้อม สามารถปรับปรุงพ้ืนผวิ ของอนุภาคนาโนได้โดยการจับ กับโมเลกลุ ของสารอนิ ทรียท์ ้ังทางเคมีและชวี เคมี เช่น แอนตบิ อดี (antibodies) ซง่ึ มคี วามน่าสนใจในการนาไปใช้ใน การตรวจจับแสงและการตรวจจับในเชงิ เคมีและชีวโมเลกลุ ในปัจจบุ ันมีการศึกษาการใช้งานโลหะพลาสมอนในการ รกั ษาโรคมะเร็ง เซลล์แสงอาทติ ย์ ทอ่ นาคลืน่ กลอ้ งแอลอีดี (LEDs) และ OLEDs เปน็ ต้น 6.2 วสั ดนุ าโนเซรามกิ (Nanoceramic Materials) วสั ดนุ าโนเซรามกิ คอื สารประกอบออกไซด์ (Oxide) บอไรด์ (Boride) ไนไตรด์ (Nitride) คารไ์ บด์ (Carbide) ของโลหะท่ีมีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนเกิดจากโครงสร้างที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะไอออนิก (Ionic bond) ได้แก่ นาโนซิลิกา (Nano-Silica) นาโนซิงค์ออกไซด์ (Nano-ZnO) นาโนไททา เนียมออกไซด์ (Nano-TiO2) นาโนอะลูมินา (Nano-Alumina) นาโนคอปเปอร์ออกไซด์ (Nano-CuO) และนาโน คาร์บอน (Cabon-based nanomaterials) ท่ีมีอนุภาคขนาดเล็กในระดับนาโนและเกิดจากโครงสร้างที่มีการยึด เหน่ียวกันด้วยพันธะปฐมภูมิ (Primary bond) ชนิดพันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) ได้แก่ เขม่าคาร์บอน (Carbon black) ฟูลเลอรีน (Fullerene) ท่อนาโนคารบ์ อน (Carbon nanotube; CNT) เปน็ ตน้ 6.2.1 ไททาเนยี มไดออกไซด์ (Titanium Dioxide; TiO2) ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เป็นแรท่ ่สี ว่ นมากพบใน 2 รปู แบบ คอื รูไทล์ (Rutile) และอนาเทส (Anatase) ไทเทเนียมไดออกไซดน์ ิยมใชเ้ ปน็ เม็ดสีในอตุ สาหกรรมตา่ งๆ เน่ืองจากความสว่าง และมีคา่ ดชั นีการหักเหแสงสูงมาก (n = 2.4) สามารถใชป้ ระโยชน์จากสีในอุตสาหกรรมพลาสตกิ ยาสีฟัน หมึกเอกสาร อาหารและยา โดยในการใช้งาน ในเชิงป้องกันแสงแดดทางกายภาพนั้นไทเทเนียมไดออกไซด์ถูกนามาใช้งานเนื่องจากมีค่าดัชนกี ารหักเหของแสงสูง และทนทานต่อการเปลย่ี นสีภายใต้แสงอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet; UV) ไทเทเนียมไดออกไซด์ในรปู แบบอนาเทต สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสง (Photocatalyst) ภายใต้แสง UV โดยจะทาให้โมเลกุลของน้าแตกตัว (Oxidise) เป็นไฮดรอกซิลเรดิคอล (Hydroxyl radical; OH) และสามารถทาให้ออกซิเจนหรือวัสดุอินทรีย์เกิดการ แตกตวั ได้ ด้วยเหตุน้ีจึงมีการ Ti02 ในการฆ่าเช้ือ และกาจดั กลิ่น ของสี ซเี มนต์ และกระเบ้อื ง

119 ไทเทเนียมออกไซด์ทม่ี ีขนาดอนุภาคนาโน (30-50 nm หรือเรียกว่า nano-Ti02) มคี วามน่าความสนใจอยา่ ง มากเนื่องจากสมบัติทางแสงและตัวเร่งปฏิกิริยา โดยพบว่าวัสดุยังคงมีความสามารถในการดูดซับแสง UV แต่การ กระจายแสงจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด โดยจะมีการเปล่ียนสีขากสีขาวเป็นโปร่งใสเม่ืออยู่ในระดับนาโน นาโน ไทเทเนียมออกไซดจ์ งึ เหมาะสาหรบั ใช้ในการเคลือบผวิ ทโ่ี ปรง่ ใส และใช้สาหรบั ครมี กนั แดดรุ่นใหม่ท่ีสามารถกนั แดด ได้ดี แต่มีลักษณะท่โี ปรง่ ใส และยงั พบว่าสมบตั ิการเรง่ ปฏกิ ิรยิ าของ TiO2 ขนาดนาโนจะเพ่ิมข้นึ อย่างมากเน่ืองจาก อัตราส่วนของพื้นผิวต่อปริมาตรท่ีเพิ่มขึ้น สมบัติน้ีใช้สาหรับการเร่งปฏิกิริยาทางเคมี เช่น การทาให้น้าและอากาศ บริสุทธิ์ด้วยการเร่งปฏิกิริยาทางแสง (Photocatalytic) เพ่ือย่อยสลายสารอินทรีย์ท่ีเป็นมลพิษ (สลายด้วยด้วย แสงอาทิตย์) นอกจากน้ียังมีการเคลือบฟิล์มบางของ TiO2 บนกระจกหน้าต่าง โดยช่วยให้กระจกสามารถทาความ สะอาดตนเองได้ ข้อจากัดอย่างหน่ึงของการใช้ TiO2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสง (Photocatalyst) คือวัสดุน้ีดูดซับแสง UV เท่านั้น ซึ่งคิดเป็นพียง 5% ของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งพบว่าสามารถใช้นาโนเทคโนโลยีในการปรับปรุง พ้ืนผิวด้วยสีย้อมอินทรีย์และอนินทรีย์เพื่อขยายการตอบสนองในช่วงแสง UV จนถึงช่วงแสงที่ตามองเห็น (Visible light) ได้ รูปท่ี 6.2 โครงสรา้ งของไททาเนยี มไดออกไซด์ (ทีม่ า : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fases_TiO2.jpg) 6.2.2 ซิงค์ออกไซด์ (Zinc Oxide; ZnO) ซงิ ค์ออกไซด์ (ZnO) มสี มบตั คิ ลา้ ยกบั TiO2 เช่น การกระจายแสง ซึ่งสามารถใช้ในการกรองแสง UV ในครีม หรือสารเคลือบ และสามารถใช้ในการเร่งปฏิกิริยาทางแสง (Photocatalytic) แต่เม่ือเทียบกับ TiO2 พบว่ามีผลใน การเร่งปฏิกิริยาทางแสงที่อ่อนแอกว่า ซิงค์ออกไซด์ยังมีข้อจากัดเช่นเดียวกันกับ TiO2 คือการดูดซับแสงเพียงส่วน

120 หน่ึงของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ ดังน้ันงานวิจัยจึงมุ่งเน้นไปท่ีการเพิ่มช่วงการตอบสนองต่อแสง ลักษณะเฉพาะของ ZnO คือมีแนวโน้มท่ผี ลึกจะเกดิ การเติบโตในโครงสร้างนาโนทสี่ ามารถจดั ระเบียบตวั เองได้ โดย การควบคุมสภาวะการเจริญเติบโตของผลึก ซึ่งส่งผลให้เกิดผลึกท่ีมีรูปร่างท่ีหลากหลาย เช่น ลวดนาโน แท่งนาโน แหวนนาโน เป็นต้น (รูปที่ 7.3) นอกจากน้ียังพบว่านาโนคอลัมน์ (Nanocolumns) ของซิงค์ออกไซดเ์ ป็นที่น่าสนใจ อย่างมาก เน่อื งจากการวดั การเร่งปฏกิ ิริยาทางแสงที่อณุ หภูมติ ่าได้เผยใหเ้ ห็นการปลดปล่อยแสงรังสีอัลตราไวโอเลต ใกล้กับช่องว่างแถบพลังงานของ ZnO ที่ 3.37 eV ดังนั้น ZnO จึงสามารถทาหน้าท่ีเป็นตัวกลางการขยายทางแสง (Optical amplification medium) อกี ทั้งยังมกี ารศึกษาลวดนาโนซงิ ค์ออกไซด์ในการใช้เป็นองค์ประกอบของสารเพยี โซอิเลก็ ทรกิ เพอื่ ลดขนาด ของแหล่งพลังงาน ซึ่งนาไปสู่การสร้างแหล่งพลังงานแบบพกพาท่ียืดหยุ่นและสามารถรวมเข้ากับเส้ือผ้าส่ิงทอเพื่อ เก็บเก่ยี วพลงั งานจากการเคลือ่ นไหวของรา่ งกาย ลม และการไหลของอากาศ เป็นตน้ รูปที่ 6.3 ตัวอย่างโครงสร้างนาโนรปู แบบต่างๆของซิงคอ์ อกไซด์ (ZnO) (ท่ีมา : Wang, 2004) 6.2.3 อนิ เดยี มทินออกไซด์ (Indium Tinoxide; ITO) อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) เป็นวัสดุก่ึงตัวนาท่ีมีสมบัติหลักคือการนาไฟฟ้าและความโปร่งแสง ITO โดยท่ัวไปประกอบด้วย อินเดียม (III)-ออกไซด์ (In2O3) ประมาณ 90% อินเดียม (III) - ออกไซด์ (In2O3) และดีบุก

121 (V) - ออกไซด์ (SnO2) 10% ซึ่งถูกใช้อยา่ งกว้างขวางในรูปแบบฟลิ ์มบางโดยการใช้เป็นอิเล็กโทรด จอแสดงผลผลึก เหลว หน้าจอสัมผสั เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง ตวั ตัวจบั สารก่ึงตัวนา เปน็ ต้น ITO เป็นตวั ดดู ซบั แสงอินฟราเรด และปัจจุบันใชเ้ ปน็ ฉนวนกันความรอ้ นเคลือบบนกระจกหน้าต่าง มนั ปอ้ งกนั ไฟฟา้ สถติ นอกจากนย้ี งั พบวา่ สมบัตกิ าร ต่อต้านการเกิดไฟฟ้าสถิตสามารถนาไปประยุกต์ประโยชน์ต่างๆ เช่น บรรจุภัณฑ์และอุปกรณ์การจัดเก็บข้อมูล อเิ ล็กทรอนกิ ส์ แตเ่ นือ่ งจากวัสดุมีราคาแพงมาก จงึ มีวสั ดทุ างเลอื กอื่นๆ เช่น ทนิ ออกไซด์ อลูมิเนียมซงิ ค์ออกไซด์ 6.2.4 ซิลิกาแอโรเจล (Silica Aerogels) ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) เป็นองค์ประกอบหลักของควอตซ์ มีความทนทานต่อสารเคมีและมีการใช้งาน อย่างแพร่หลาย นิยมใช้เป็นสารตัวเติมในผลิตภัณฑ์ยางสาหรับยางรถยนต์ และเป็นองค์ประกอบของแอโรเจล (Aerogels) ชนดิ ใหม่ โดยทว่ั ไปแอโรเจลเป็นของแข็งที่ประกอบดว้ ยรขู ุมขนระดบั นาโน แอโรเจลผลติ ขน้ึ ด้วยเทคนิค โซล - เจล และสามารถเตรียมไดจ้ ากคารบ์ อนโลหะออกไซด์ โพลีเมอร์ หรือซลิ ิเกต เน่ืองจากแอโรเจลมีความพรุนสูงจึงมีพ้ืนท่ีผิวที่สูงมากและมีค่าการนาความร้อนต่ามาก ดังน้ันจึงเหมาะ สาหรับการใช้เป็นฉนวนกนั ความร้อนและเปน็ วัสดุตัวกรอง และสมบัติทีโ่ ดดเดน่ อีกประการคือนา้ หนักทีเ่ บาจงึ มกี าร นาไปใช้สาหรบั การก่อสร้างท่มี ีน้าหนักเบา นอกจากน้แี อโรเจลยังมีสมบตั ิทางแสงท่ีน่าสนใจคือมคี วามโปร่งใสสูง ซิลิ กาแอโรเจลประกอบดว้ ยรูพรนุ ขนาดประมาณ 10 นาโนเมตร และมีระยะหา่ งระห่างระหว่างรพู รุนอยู่ที่ 10-100 นา โนเมตร มคี วามทนทาน เฉื่อยต่อปฏกิ ริ ิยาเคมีกับโลหะเหลว ทนความรอ้ นสูงถงึ 1,200 °C และปลอดสารพิษ จึงถูก นาไปใช้งานด้านชวี การแพทย์ เช่น แผ่นรองรับสาหรับการเตบิ โตและการวเิ คราะห์เซลล์ ซงึ่ หน่ึงในปัญหาของซิลิกา แอโรเจลท่ีจาเป็นต้องได้รบั การแก้ไขก็คอื การป้องกันความชื้น เน่ืองจากวัสดุไม่กันน้าและอาจเกิดการสูญเสียความ เสถยี รและการนาความร้อนเมือ่ เปยี กนา้ รปู ท่ี 6.4 โครงสรา้ งจลุ ภาคของซลิ กิ าแอโรเจล (Ma, 2018)

122 6.3 วัสดุคารบ์ อน (Carbon-based Materials) ในธรรมชาติมีวัสดุบริสุทธิ์บางอย่างท่ีมีสมบัติแตกต่างกันอย่างเด่นชัด แม้ว่าจะประกอบด้วยอะตอมชนิด เดียวกัน ตัวอย่างเช่น กราไฟท์และเพชร ซึ่งเป็นวัสดุที่นิยมใช้อย่างมาก วัสดุทั้งสองนี้มีสมบัติแตกต่างกัน โดยกรา ไฟท์จะนุ่ม เบา ยืดหยุ่นและนาไฟฟ้า ในขณะท่ีเพชรจะแข็ง หนัก และไม่นาไฟฟ้า วัสดุทั้งสองทาจากอะตอมของ คาร์บอนทเี่ ช่ือมโยงกันผ่านพันธะที่แข็งแกรง่ (โควาเลนต)์ ในกราไฟต์แต่ละอะตอมคาร์บอนจะใชอ้ ิเลก็ ตรอนสามในส่ี ในการเกิดพันธะเดี่ยวกับอะตอมเพ่ือนบ้านเกิดเป็นแผ่นเรียบ ในขณะท่ีเพชรนั้นแต่ละอะตอมคาร์บอนจะใช้ อเิ ล็กตรอนทัง้ สเี่ พื่อสร้างพันธะ ส่งผลให้เกดิ เปน็ โครงสร้าง 3 มิติ สมบัตทิ ่ีแตกตา่ งกันของ กราไฟทแ์ ละเพชรเป็นผล มาจากวธิ ีที่แตกต่างกันของอะตอมคาร์บอนในวสั ดใุ นการสร้างพันธะ กราไฟท์และเพชรเปน็ คารบ์ อนบริสุทธิ์สองรปู แบบ (Allotropes) ในปี ค.ศ. 1985 มีการค้นพบคารบ์ อนชนิด ใหม่ท่ีประกอบด้วยอะตอมของคารบ์ อน 60 อะตอม เช่ือมโยงกันผ่านพันธะโควาเลนต์จัดเรียงตัวแบบสมมาตร ซง่ึ มี ลักษณะคล้ายกับลูกฟุตบอล วัสดุนี้มีช่ืออย่างเป็นทางการว่า “บัคมินเตอร์ฟูลเลอรีน” (Buckminsterfullerene) หรือนิยมเรียกว่า บัคกี้บอล (Buckyball) ฟูลเลอรีน (Fullerene) หรือ C60 และต่อมามีการค้นพบฟูลเลอรีนที่มี คารบ์ อน 70 และ 80 อะตอม ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 มีการค้นพบคาร์บอนรูปแบบใหม่ท่ีน่าท่ึงน่ันคือท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotubes) ซึ่งเป็นเหมอื นแผ่นกราไฟท์ทม่ี ้วนตัวแลว้ ปิดท้ายด้วยฟูลเลอรีน แตม่ ีสมบตั ิแตกต่างกันโดยสนิ้ เชิงเม่ือ เทยี บกบั กราไฟท์ รปู ที่ 7.5 แสดงรูปแบบตา่ ง ๆ ของคาร์บอน รูปท่ี 6.5 โครงสร้างต่าง ๆ ของคาร์บอน (ท่มี า : Arjmandi, et al., 2018) วัสดุนาโนคาร์บอนอีกชนิดท่ีน่าสนใจคือกราฟีน ซ่ึงเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของกราไฟท์ (วัสดุที่ใช้ในไส้ ดินสอ) กราฟนี เป็นชัน้ ของอะตอมคารบ์ อนหนาเพียงหน่ึงอะตอม แม้วา่ วัสดจุ ะมีความบางมาก แต่กราฟีนเป็นวสั ดุที่