โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างไปจากเดิม


โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างไปจากเดิม

โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ (electronic structures) เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุเมื่อวัสดุนั้นอยู่ในสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก เช่นสมบัติในการเป็นตัวนำ เป็นสารกึ่งตัวนำ หรือเป็นฉนวน โดยที่โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของและลักษณะการจัดเรียงตัวของอะตอมที่อยู่ภายในวัสดุ โดยที่วัสดุนาโนทุกประเภทจะมีมิติทางกายภาพอย่างน้อยหนึ่งมิติที่ถูกจำกัดขนาดเอาไว้ภายในระดับนาโน จึงเป็นการบีบบังคับให้อิเล็กตรอนในวัสดุนาโนสามารถเคลื่อนที่ได้ในปริมาตรที่จำกัดเท่านั้น จึงทำให้ปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่ถูกกักขังไว้ (quantum confinement) ปรากฎออกให้เห็นอย่างชัดเจน โดยที่ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่เคยเกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นน้อยมากในวัสดุปกติ

ทฤษฏีแถบพลังงานของของแข็ง (band theory of solids) เป็นทฤษฏีที่ใช้อธิบายสมบัติทางไฟฟ้าของของแข็ง โดยพิจารณาจากระดับชั้นพลังงานของอะตอมองค์ประกอบ และอันตรกิริยาระหว่างอะตอมทั้งหมดในของแข็งนั้น ตามทฤษฏีนี้อิเล็กตรอนจะสามารถมีพลังงานได้เฉพาะบางช่วง (allowed band) และไม่สามารถมีพลังงานได้ในบางช่วงที่เรียกว่า forbidden band ทฤษฏีนี้สามารถอธิบายสภาพการนำไฟฟ้าของตัวนำ (โลหะ) สารกึ่งตัวนำ และฉนวนได้

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสสารต่างๆ จะส่งผลให้สมบัติทางไฟฟ้า สมบัติทางแม่เหล็กและสมบัติทางแสงของสสารเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม เช่น ช่วงว่างระหว่างชั้นพลังงาน (energy band gap) ของสารกึ่งตัวนำจะแตกต่างกันไปขนาดของอนุภาคในระดับนาโน ยกตัวอย่างเช่น หมุดควอนตัมซึ่งเป็นอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำหรือโลหะจะมีสีสันที่แตกต่างกันไปตามขนาดและส่วนประกอบของอนุภาคอันเนื่องมาจากโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของหมุดควอนตัมมีการเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดหมุด จึงทำให้สามารถ นำหมุดควอนตัมไปใช้แทนสีย้อมฟลูออเลสเซนต์เพื่อใช้ในการติดฉลากและย้อมสีเซลล์สิ่งมีชีวิตได้เป็นอย่างดี หรือการใช้หมุดควอนตัมเป็นไดโอดเปล่งแสง (LED) หรือนำไปใช้ในแทนแสงเลเซอร์ในอุปกรณ์โทรคมนาคมแบบไฟเบอร์ออพติก นอกจากนี้ยังสามารถนำหมุดควอนตัมไปประยุกต์ใช้เป็นชิ้นส่วนของอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) ชนิดต่างๆได้เป็นอย่างดี

นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ยังมีผลต่อสภาพการนำไฟฟ้าของโลหะ โดยที่โลหะแบบก้อนใหญ่ (bulk metal) จะมีแถบการนำ (conduction band) ที่เกิดจากการจัดเรียงชั้นพลังงานของอะตอมอิสระที่มาประกอบกันต่อเนื่องกันไป แต่เมื่อโลหะมีขนาดอนุภาคเล็กลงไปจะทำให้ฟังก์ชันคลื่นของวาเลนซ์อิเล็กตรอนเริ่มถูกกักขังอยู่ในบริเวณที่จำกัด ซึ่งจะส่งผลให้ระดับชั้นพลังงานต่างๆ ถูกแยกออกเป็นชั้นเดี่ยวๆอย่างชัดเจนคล้ายกับระดับชั้นพลังงานของอะตอมเดี่ยว จึงทำให้สมบัติทางไฟฟ้าของโลหะมีการเปลี่ยนแปลงระหว่างการเป็นโลหะกับฉนวน (metal-insulator transition) ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค เช่น กลุ่มก้อนอะตอมโลหะที่ประกอบขึ้นโลหะ 13 อะตอมจะไม่มีสมบัติในการเป็นโลหะแต่ประการใด แต่เมื่อกลุ่มก้อนอะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้นเช่นมีอะตอมมากกว่า 309 อะตอมขึ้นไปจะมีสมบัติเหมือนกับโลหะแบบก้อนใหญ่ปกติ

รูปแสดงช่วงว่างระหว่างแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำแบบก้อนใหญ่และอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำ (หมุดควอนตัม) ที่มีลักษณะแตกต่างกันไปตามขนาดของอนุภาค
บทความโดย
ดร. ณัฐพันธุ์ ศุภกา
ฝ่ายถ่ายทอดเทคโนโลยีและวิชาการ
ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ

Update : 27-03-2007


Add a Comment

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