มิติทางกายภาพถูกจำกัดขนาด


มิติทางกายภาพถูกจำกัดขนาด

วัสดุหรือโครงสร้างที่มีขนาดในระดับนาโนถูกจัดว่าเป็นโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำ (Low-dimensional systems, LDSs) ทั้งนี้เนื่องจากมิติทางกายภาพ (กว้าง ยาว และสูง) ของวัสดุหรือโครงสร้างนาโนอย่างน้อยหนึ่งมิติจะถูกจำกัดขนาดอยู่ในช่วง 1 ถึง100 นาโนเมตรเท่านั้น ซึ่งจะทำให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในวัสดุหรือโครงสร้างนาโนแตกต่างไปจากวัสดุแบบก้อนใหญ่ (bulk materials) โดยที่สามารถใช้ LDSs ในการแบ่งวัสดุและโครงสร้างนาโนออกเป็นกลุ่มๆ ดังนี้

1. ระบบศูนย์มิติ (zero-dimensional (OD) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพทั้งสามมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตร เช่น กลุ่มก้อนของโลหะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรซึ่งวางอยู่บนชั้นกราไฟต์
2. ระบบหนึ่งมิติ (one-dimensional (1D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพสองมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกหนึ่งมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ลวดนาโน (nanowires) หรือท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตรแต่มีความยาวของท่ออยู่ในระดับไมโครเมตรหรือมิลลิเมตร เป็นต้น
3. ระบบสองมิติ (two-dimensional (2D) systems) คือวัสดุหรือโครงสร้างที่มีมิติทางกายภาพหนึ่งมิติถูกจำกัดอยู่ในช่วงนาโนเมตรแต่มิติที่เหลืออีกสองมิติไม่ถูกจำกัดขนาด ยกตัวอย่างเช่น ฟิล์มบางในระดับนาโน (nano-thin film) ที่เกิดจากการประกอบตัวเองของอะตอมหรือโมเลกุล เป็นต้น

วัสดุหรือโครงสร้างที่มีระบบมิติต่ำจะมีสภาวะอิเล็กทรอนิกส์ที่มีลักษณะไม่ต่อเนื่อง แต่จะมีค่าได้อย่างจำเพาะเท่านั้น ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า ควอนไทเซชัน (quantization) การเกิดควอนไทเซชันของสภาวะอิเล็กทรอนิกส์จะนำไปสู่การเกิดสมบัติใหม่ๆ และปรากฏการณ์ใหม่ๆ เช่น การแสดงผลของปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ถูกกักขังไว้ (quantum confinement effects) อิทธิพลอิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron effect) การปิดกั้นแรงระหว่างประจุไฟฟ้า (Coulomb blockade) การกักขังเอ็กซิตอน (exciton confinement) ปรากฎการณ์การขยับเคลื่อนของสเปกตรัม (spectrum shift) ควอนไทเซชันของโฟนอน (phonon quantization) เป็นต้น

รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระดับพลังงานกับความหนาแน่นของสถานะ (density of states, DOS) อิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุต่างๆที่มีการเปลี่ยนแปลงไปตามการลดขนาดมิติใดมิติหนึ่งของวัสดุให้มีขนาดอยู่ในระดับนาโน ยกตัวอย่างเช่น หมุดควอนตัม (quantum dot) ซึ่งเป็นวัสดุนาโนที่มีมิติทางกายภาพทั้งสามมิติอยู่ในระดับนาโนจะมีลักษณะความหนาแน่นของสถานะอิเล็กทรอนิกส์แยกออกจากกันเป็นชั้นๆอย่างชัดเจนคล้ายกับลักษณะที่พบในอะตอม ซึ่งแตกต่างไปจากวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่อย่างสิ้นเชิง

บทความโดย
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ


Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *