การพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดแสงโดยใช้กราฟิน

หน้าที่ 1 - ความเป็นมาของอุปกรณ์ตรวจรับแสงจากกราฟิน

     “มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีกราฟินเผยแพร่กันแบบวันต่อวัน ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีได้แสดงถึงมหัศจรรย์ทั้งทางกายภาพและการประยุกต์ใช้งานของกราฟิน” โดย ศาสตราจารย์ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ หนึ่งในผู้ที่ได้รับรางวัลโนเบลจากการแยกกราฟินได้สำเร็จ

      กราฟินคือโครงสร้างการเรียงตัวของธาตุคาร์บอนเป็นรูปหกเหลี่ยมต่อเนื่องกันจนเป็นแผ่น มีความหนาเพียง 1 ชั้นของอะตอม เป็นวัสดุที่มีความเป็นเลิศในหลายๆ ด้าน เช่น เป็นวัสดุที่แข็งแกร่งยิ่งกว่าเหล็กกล้า แต่สามารถพับ บิดงอ หรือม้วนได้ กราฟินยังนำไฟฟ้าดียิ่งกว่าทองแดง

      แม้ว่ากราฟินจะมีสมบัติที่ดีในหลายๆ ด้าน สามารถนำกราฟินไปประยุกต์ใช้งานได้หลายอย่าง แต่ก็ไม่ใช่ว่าจะนำกราฟินมาใช้ได้อย่างสำเร็จรูป กราฟินยังจำเป็นต้องได้รับการพัฒนาต่อยอดเพื่อที่จะดึงความสามารถของกราฟินออกมาใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด อีกทั้งยังจำเป็นต้องพัฒนากระบวนการผลิตกราฟินเป็นจำนวนมากเพื่อตอบสนองต่อความต้องการการใช้งานด้วย

งานวิจัยเพื่อการใช้งานกราฟินจึงมีควบคู่ไปกับงานวิจัยเพื่อเพิ่มขีดความด้านการผลิต (เพิ่มความคุ้มทุน)

     การพัฒนากราฟินเพื่อเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จะเป็นไปในลักษณะของการทำโครงสร้างขนาดเล็กในระดับนาโมเมตร (Nanostructure) ลงบนผิวของกราฟินเพื่อเป็นชิ้นส่วนสำหรับการใช้งาน (graphene based devices) รูปร่างของ Nanostructure ก็คงจะมีหลากหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับว่าโครงสร้างแบบใดที่จะทำให้ชิ้นส่วนนั้นทำงานได้ตรงกับความต้องการ

      มีนักวิจัยจากหลายสถาบันสนใจที่จะสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสงหรือข้อมูลแสงโดยใช้กราฟิน เหตุที่นักวิจัยเลือกกราฟินสำหรับเป็นอุปกรณ์รับแสงเพราะ ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่บนกราฟินได้เร็วมาก จึงคาดว่าอุปกรณ์รับแสงจากกราฟินจะตอบสนองต่อข้อมูลแสงด้วยความไวสูง เหมาะเป็นอย่างยิ่งที่จะนำไปใช้สำหรับรับข้อมูลแสงจากใยแก้วนำแสง

      หลักการของวัสดุรับแสงคือ เมื่อแสงส่องลงมาที่กราฟิน กราฟินจะดูดกลืนแสงและเกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปบนผิวของกราฟิน แต่ในความเป็นจริงไม่ง่ายเช่นนั้น กราฟินมีข้อจำกัดและปัญหา ปัญหาที่ทีมวิจัยนี้พูดถึงคือ

1. กราฟินดูดกลืนแสงได้น้อยมาก ดูดกลืนได้เพียง 2.3% ของพลังงานแสงทั้งหมด พลังงานส่วนที่เหลือจะทะลุผ่านกราฟิน
2. พลังงานแสง 2.3% ที่กราฟินดูดกลืนก็ยังมีโอกาสน้อยที่จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนบนกราฟิน
3. กราฟินที่ถูกฉายด้วยแสงความเข้มสูงจะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้บ้างแต่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นไปอย่างสะเปะสะปะ ทำให้ไม่มีกระแสบนผิวกราฟิน

      มีคำอธิบายปัญหาข้อ 2. และ 3. ว่า เมื่อมีแสงมากระทบที่ผิวของกราฟิน อิเล็กตรอนจะดูดกลืนแสง (โอกาสน้อย) และหลุดมาเคลื่อนที่ที่ผิวของกราฟิน (อิเล็กตรอนที่ดูดกลืนแสงและหลุดออกมานี้เรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน) ที่ๆ อิเล็กตรอนหลุดออกมาจะเป็น โฮล (หลุม) แต่ว่าอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้ยังไม่ทันจะเคลื่อนที่เลยก็กลับสู่โฮลมันเคยอยู่ก่อนเสียแล้ว ทำให้ไม่มีกระแสบนกราฟิน

      การแก้ปัญหาของข้อ 2. และ 3. ก็ได้ทำกันมาตั้งแต่ราวๆ ปี พ.ศ. 2550 ได้มีการสร้างขั้วไฟฟ้าขึ้นบนกราฟิน จะมีการจ่ายกระแสที่ขั้วไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าสำหรับควบคุมการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอน ไม่ให้โฟโตอิเล็กตรอนกลับสู่โฮล ดังนั้นการมีขั้วไฟฟ้าบนกราฟินช่วยให้ควบคุมการไหลของโฟโตอิเล็กตรอนได้ ทำให้มีกระแสบนกราฟินได้

รูปจำลองอุปกรณ์กราฟินที่มีขั้วไฟฟ้า

อย่างไรก็ตามการสร้างขั้วไฟฟ้าสำหรับควบคุมการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ได้ช่วยให้กราฟินดูดกลืนแสงได้ดีขึ้น

หน้าที่ 2 - ความก้าวหน้าล่าสุด

     ช่วงปลายเดือนสิงหาคมที่ผ่านมาได้มีข่าวว่า T. J. Echtermeyer และคณะ เป็นความร่วมมือของนักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัย Cambridge และ Manchester ได้ประสบความสำเร็จในการเพิ่มความสามารถการดูดกลืนแสงให้กับอุปกรณ์จากกราฟิน พวกเขาได้สร้างโครงสร้างในระดับนาโน ที่เรียกว่า Plasmonic nanostructures ต่อเติมจากขั้วไฟฟ้า เข้าใจว่าทั้งขั้วไฟฟ้าและ Plasmonic nanostructures ทำจาก ไททาเนียมผสมทองคำ (Ti/Au electrodes)

รูปแสดงอุปกรณ์ที่ประกอบจาก ซิลิก้อนไดออกไซด์อยู่ชั้นล่างสุด (สีม่วง) กราฟิน (สีน้ำเงิน) และบนสุดคือขั้วไฟฟ้าไททาเนียมผสมทองคำ (สีเหลือง) ในรูป a จะเห็นว่ามีชิ้นสีเหลืองเล็กยื่นออกมาจากขั้วไฟฟ้าแผ่นใหญ่ สี่เหลี่ยมเล็กๆสีเหลืองนี้คือ Plasmonic nanostructures เมื่อขยายเข้าไปจะเห็นโครงสร้าง Plasmonic nanostructures ทีมวิจัยได้สร้าง Plasmonic nanostructures ขึ้นหลายแบบ แต่แสดงในที่นี้เป็น 3 แบบตามรูป b c และ d บนรูป b มีทิศทางตามยาว (L) และตามขวาง (TR) กำกับด้วย

Echtermeyer และทีม ได้ทดลองสร้าง Plasmonic nanostructures หลายๆ แบบ จัดได้เป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกมีลักษณะเป็นซี่ๆ ส่วนกลุ่มที่สองเป็นจุด

     การทดสอบชิ้นส่วนทำโดยการฉายแสงที่มีการควบคุมความยาวคลื่นและโพลาไรเซชัน แล้ววัดว่าตำแหน่งใดบนอุปกรณ์ที่ตอบสนองต่อแสงแล้วการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอนมาก (จริงๆ แล้ววัดศักย์ ณ บริเวณที่ถูกฉายแสง) จากการทดสอบพบว่าบริเวณที่มี Plasmonic nanostructures ดูดกลืนแสงและมีการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอนเป็นอย่างมาก (วัดศักย์สูงสุดได้ 20 โวลต์) ขณะที่บริเวณที่เป็นกราฟินเปล่าๆ แทบจะไม่ดูดกลืนแสงเลย (ศักย์ที่วัดได้ต่ำจนเกือบเป็น 0 โวลต์)

      การดูดกลืนแสงของกราฟินที่มี Plasmonic nanostructures ขึ้นกับทั้ง รูปร่างของ Plasmonic nanostructures ความความยาวคลื่น และโพลาไรเซชัน พบว่า Plasmonic nanostructures แบบซี่ดูดกลืนแสงได้ดีกว่าแบบจุด และโครงสร้างแบบซี่ดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดเมื่อโพลาไรเซชันเป็นตามขวางกับซี่ (ทิศ TR) และมีความถี่ที่สอดคล้องกับความกว้างของซี่ การดูดกลืนแสงที่มากที่สุดเท่าที่ทำได้คือ 20 เท่าของอุปกรณ์กราฟินที่ไม่มี Plasmonic nanostructure

Plasmonic nanostructures แบบซี่ ทางซ้ายและทางขวามีความกว้างของซี่ไม่เท่ากัน ทางซ้ายดูดกลืนแสงความยาวคลื่น 514 นาโนเมตรได้ดี ส่วนทางขวาดูดกลืนแสงความยาวคลื่น 633 นาโนเมตร ได้ดี

สรุป

     Echtermeyer และคณะ ได้ทำให้อุปกรณ์กราฟินดูดกลืนแสงได้มากขึ้นจากการสร้าง Plasmonic nanostructures เพิ่มเติมกับขั้วไฟฟ้า การดูดกลืนแสงของอุปกรณ์ขึ้นกับรูปร่างของทั้ง Plasmonic nanostructures ความถี่แสง และโพลาไรเซชัน จึงมีความเป็นไปได้ว่าจะมีการเปลี่ยนรูปร่างหา Plasmonic nanostructures ที่เหมาะสมสำหรับตรวจจับแสงความถี่ต้องการได้ ทางนักวิจัยจะยังคงพัฒนาเทคโนโลยีนี้ต่อไปเพื่อที่จะหาโครงสร้าง Plasmonic nanostructure ที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพมากที่สุด

อ้างอิง
[1] http://www.dawn.com/2011/08/31/graphene-finding-could-lead-to-super-fast-internet.html
[2] http://physicsworld.com/cws/article/news/42204
[3] http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1107/1107.4176v1.pdf