นาโนเทคโนโลยี  หน่วยที่ 4: 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)   ทำให้สามารถที่จะมองเห็นหรือศึกษาโลกที่มีขนาดเล็กระดับ  นาโนเมตรได้เป็นอย่างดี  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) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในทางด้านวิทยาศาสตร์ระดับ     นาโนโดยเฉพาะ (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 ที่เล็กมากในระดับอะตอมในการ สแกนไปบนพื้นผิวของวัตถุโลหะที่มีอะตอมวางอยู่   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 จัดวางอะตอมของแมงกานีสลงไปบนพื้นผิวโครงสร้างแทนที่อะตอมของแกลเลียมบนพื้นผิวโครงสร้างของแกลเลียมอาร์เซไนด์
 
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 ลากส่วนปลายแหลมผ่านโครงสร้างระดับ    นาโน 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