Research

กราฟีน วัสดุมหัศจรรย์แห่งอนาคต (ตอนที่ 2)


ดร.อมร จิรเสรีอมรกุล  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
31 ตุลาคม 2557  

       ต่อจากตอนที่แล้ว  เรื่อง ของ  “กราฟีน” วัสดุมหัศจรรย์แห่งอนาคต 
       http://www.eng.mut.ac.th/article_detail.php?id=52

       มาลองดูคุณสมบัติที่น่าตื่นตาตื่นใจของกราฟีนแบบรวมๆ กันสักหน่อย
       1. เป็นวัสดุที่บางที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ แม้ในทางทฤษฎีเราจะไม่สามารถวัดความหนาของอะตอมได้ แต่เราสามารถหาระยะห่างระหว่างอะตอมได้ ทำให้ประเมินคร่าวๆ ได้ว่าแผ่นกราฟีนมีความหนาประมาณ 0.335 นาโนเมตร
       2. กราฟีนชั้นเดียวสามารถมองทะลุได้โดยมีค่าการดูดซับแสงอยู่ที่ 2.3%
       3. มีความต้านทานไฟฟ้าต่ำมาก สามารถเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดีเกือบเท่าตัวนำยิ่งยวด (Superconductor) (มากกว่าทองแดงหลายล้านเท่า) แม้ที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่ตัวนำยิ่งยวดทั่วไปต้องลดอุณหภูมิจนติดลบกว่าร้อยองศาเซลเซียส
       4. ในทางควอนตัม วัสดุที่มีขนาดเล็กจะมีคุณสมบัติพิเศษ ไม่เหมือนวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่ สำหรับกราฟีนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว ในด้านความหนาจึงแสดงคุณสมบัติในทางควอนตัม แต่ในทางกว้างและยาวมีคุณสมบัติตามวัสดุปกติ กราฟีนจึงเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมือนทั้งวัตถุธรรมดาและอนุภาคควอนตัมพร้อมๆ กัน
       5. กราฟีนมีค่าระดับความแข็งแกร่ง (stiffness) สูงกว่าเหล็กถึง 5 เท่า (เทียบเท่าหรือมากกว่าเพชร) แต่แม้จะแข็ง (ฉีกขาดได้ยาก) แผ่นกราฟีนกลับสามารถบิดงอ ม้วน หรือพับ ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ทำให้โมเลกุลเสียหาย
       6. ความสามารถในการนำความร้อนจำเพาะ (Thermal conductivity) สูงกว่าวัสดุประเภทอื่นๆ และยังนำความร้อนได้ดีกว่าเพชรที่ครองแชมป์มาตลอด ด้วยคุณสมบัตินี้เอง เราจึงอาจนำกราฟีนไปช่วยระบบระบายความร้อนในซีพียูได้
       7. กราฟีนมีค่าความคล่องตัว (mobility) ของอิเล็กตรอนสูงมาก ทำให้เราสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเร็วมากๆ ได้

       ด้วยคุณสมบัติพิเศษมากมายของกราฟีนนี้ จึงสามารถนำมาช่วยกระบวนการผลิตวงจรรวมในยุคที่ซิลิกอนใกล้ถึงทางตัน เมื่อราวต้นปี 2553 บริษัท ไอบีเอ็ม (IBM) ได้สร้างทรานซิสเตอร์จากกราฟีนที่ทำงานได้ที่ความถี่สูงถึง 100GHz ด้วยเทคโนโลยีขนาด 240 นาโนเมตร ซึ่งหากเป็นทรานซิสเตอร์แบบซิลิกอนในขนาดเดียวกันแล้วจะใช้งานได้ที่ความถี่เพียง 40GHz โดยทรานซิสเตอร์ที่ไอบีเอ็มสร้างนั้นมีหลักการทำงานเดียวกันกับทรานซิสเตอร์แบบซีมอส (CMOS) ที่สร้างจากซิลิกอน ซึ่งใช้งานอยู่ในคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้

       เหตุผลที่ทรานซิสเตอร์แบบ กราฟีนมีความเร็วสูงกว่ามาก ก็เพราะอิเล็กตรอนภายในกราฟีนจะเคลื่อนที่แบบขีปนาวุธ (ballistic transport) ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงได้โดยแทบไม่เกิดการกระเจิงเนื่องจากการชนกับอะตอมใดๆ เลย ต่างจากวัสดุทั่วๆ ไปที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม (diffusive) คือเคลื่อนที่เปลี่ยนทิศทางไปเรื่อยๆ เดี๋ยวก็ไปข้างหน้า เดี๋ยวไปด้าน ข้าง ไปด้านบนบ้าง ถอยหลังบ้าง ทำให้ความเร็วสุทธิน้อย และเสียโมเมนตัมมาก อันเป็นเหตุทำให้เกิดความร้อนและความต้านทานในวงจรนั่นเอง

       และล่าสุดเมื่อเดือนกันยายนที่ผ่านมาทางมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลลิส (UCLA) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประกาศความสำเร็จในการสร้างทรานซิสเตอร์จากกราฟีนให้ทำงานที่ความถี่สูงสุดเท่าที่เคยมีรายงานมา นั่นคือที่ 300GHz โดยมีความยาวของช่องทางเดินกระแสขนาด 140 นาโนเมตร นี่แสดงให้เห็นว่าการสร้างระบบที่ทำงานได้ในระดับ เทระเฮิร์ตซ (Terahertz: 1012 Hz) นั้นอยู่ไม่ไกลเกินเอื้อมอีกต่อไป

       นอกจากบรรดาห้องปฏิบัติการของรัฐบาล มหาวิทยาลัย และบริษัทยักษ์ใหญ่ทั้งหลายที่ให้ความสนใจกับกราฟีนอย่างจริงจังแล้ว  กระทรวงกลาโหมของสหรัฐฯ หรือ “เพนทากอน” (Pentagon) ก็ให้ความสนใจในวัสดุไฮเทคชนิดนี้ไม่น้อยเช่นกัน โดยได้จัดสรรงบเพื่อการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับ กราฟีนไปแล้วกว่า 22 ล้านเหรียญสหรัฐ ดังนั้น อาจกล่าวได้ว่า กราฟีนนับเป็นวัสดุชนิดใหม่ของโลกแห่งนวัตกรรมที่น่าจับตามองเป็นอย่างยิ่งและเราคงจะได้ยินได้ฟังเรื่องราวของ “กราฟีน” กันบ่อยมากขึ้นในอนาคตอันใกล้อย่างแน่นอน…

ขอบคุณข้อมูลจาก
1.    ped cad, “กราฟีน (graphene) ทำไมกราฟีนถึงคู่ควรกับรางวัลโนเบล,” Pantip.com, http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2010/10/X9789808/X9789808.html
2.    Neil Savage, “UCLA Builds Fastest Graphene Transistor Yet,” IEEE Spectrum,  Sept. 2010, http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/ucla-builds-fastest-graphene-transistor-ye

<< ย้อนกลับ