ซิงค ออกไซด...ภาพท 1 โมเดลโครงสร...

ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/File:Zinc_oxide.jpgภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/File:Zinc_oxide.jpg

ซงคออกไซด...วสดอเนกประสงค

ดร.ศภมาส ดานวทยากล

หองปฏบตการวสดสาหรบผลตภณฑทปราศจากสารอนตราย

หนวยวจยดานสงแวดลอม ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต

ซงคออกไซด (zinc oxide) เปนวสดทไดรบความนยมในชวงไมกปทผานมาน เนองจากมสมบตในชวงกวางคอ สามารถใชวธเตมสารเจอเพอปรบโครงสรางระดบจลภาค และโครงสรางแถบพลงงานใหไดสมบตตามทตองการ (ตงแตตวน�าไปจนถงฉนวนไฟฟา) วสดนมคาแบนดแกป (band gap) กวาง มความเปนเพยโซอเลกทรก และเฟอรโรแมกเนตก อกทงมความไวตอการตรวจวดสารเคมตางๆ ดวย

ทความบบ

ภาพท 1 โมเดลโครงสรางเวอรตไซต (wurtzite) ของซงคออกไซด และพกดเตตระฮดรลของ Zn2+-O2-

เมษายน - มถนายน 255614

ซงคออกไซดสามารถสงเคราะหใหมโครงสราง ตางๆ ในระดบขนาดนาโนเมตรไดงาย จงไมใชเรองยาก ทจะพฒนาอปกรณใหมๆ ทมสมบต และการน�าไปใชงาน ทหลากหลาย ในทนจะกลาวถงโครงสรางในระดบนาโน ของซงคออกไซดทมการศกษาในปจจบน ตงแตวธการ สงเคราะห การขนรป และการน�าไปใชงานในดานตางๆ ทแปลกใหมกวาทผานมา ซงคออกไซดเปนสารกงตวน�ามคาระดบพลงงาน 3.37 อเลกตรอนโวลต [1] เหมาะกบการน�ามาใชในงาน ออปโตอเลกทรอนกส (optoelectronics) ในชวงคลนสน มโครงสรางเฮกซะโกนอลทเรยกวา เวอรตไซต (Wurtzite) ซงมคาคงทแลตทซ a = 0.3296 และ c = 0.5206 โครงสราง ของซงคออกไซดประกอบดวยระนาบของเตตระฮดรลทเชอมระหวาง Zn2+-O2- เรยงเปนชนๆ ตามแนวแกน c เตตระฮดรลทประกอบดวย Zn2+-O2- ในผลกซงคออกไซด

นเปนโครงสรางแบบไมสมมาตร จงเหมาะกบการน�าไป ใชในงานดานเพยโซอเลกทรกและไพโรอเลกทรก นอกจากน ซงคออกไซดยงมลกษณะเฉพาะท สำคญ คอ มทงระนาบทมขว และระนาบทไมมขว ระนาบทมขวจะอยทฐานของผลกเฮกซะกอนซงคออกไซด โดยระนาบทเปนขวบวกจะมซงคไอออนทปลาย (Zn-(0001)) และระนาบทมขวลบจะเปนระนาบทมออกซเจน ทปลาย (O-(0001 ))ท�าใหซงคออกไซดมไดโพล และเปน สารทเกดโพลาไรซไดเอง (spontaneous polarization) ตามแนวแกน c และเพอใหเกดสมดลโครงสราง ซงค- ออกไซดยงมระนาบทไมมขว และมพลงงานต�ากวาระนาบ ทมขว ดงเชน {2110} และ {0110} นอกจากน ซงคออกไซด มคาพลงงานยดเหนยวเอกซซตอน (exciton binding energy) สงถง 60 มลลโวลต ซงเหมาะกบ การน�ามาใชท�าเปนวสดเลเซอร

การสงเคราะหซงคออกไซด

ซงค ออกไซด มโครงสร างในระดบนาโนท หลากหลาย ไดแก แผงเสนลวดนาโนทมความเปนระเบยบ (highly ordered arrays) โครงสรางเหมอนกบหอคอย (tower-like structure) แทงนาโน (nanorods) สปรง นาโน (nanosprings) หวนาโน (nanocombs) และ วงแหวนนาโน (nanorings) โครงสรางเหลานสามารถ เลอกและควบคมไดดวยการสงเคราะห โดยในทนจะกลาว ถงวธการสงเคราะห 3 วธ ไดแก (1) กระบวนการ ไฮโดรเทอรมอล (hydrothermal) หรอการใชระบบน�า

(aqueous solution) (2) การตกเคลอบดวยไอเคม (chemical vapor deposition) และ (3) การเคลอบ ดวยไฟฟา (electrodeposition)

1. การสงเคราะหดวยกระบวนการไฮโดร เทอรมอล

กระบวนการไฮโดรเทอร มอลสามารถใช สงเคราะหซงค ออกไซดได หลากหลายโครงสร าง ท�าไดทอณหภมต�า และไมตองการระบบทยงยากซบซอน


จงเปนมตรตอสงแวดลอม นกวจยหลายกลมใชวธนในการสงเคราะหซงคออกไซด โดยในป 1990 คณะของ Andres Verges เปนกลมแรกๆ ทไดรายงานการ สงเคราะหซงคออกไซด [2] อกสบปตอมา Vayssieres และคณะ ปลกแทงนาโนซงคออกไซดบนกระจกตวน�า และซลคอนเวเฟอร อธบายถงขนตอนการปลกทประกอบ ดวย 2 ขนตอนยอยๆ คอ การเพาะชนอนภาค (ZnO seeding) และการปลกซงคออกไซดแทงนาโน (Growth of ZnO nanorods) [3] โดยใชสารละลาย ของซงคไนเตรต (Zn(NO

3)2) และเฮกซะเมทลลนเตตระมน

((CH2)6N

4) hexamethylene teramine, HMT) เปนสาร

ตงตน การฟอรมตวของแทงนาโนซงคออกไซดเกดจากปฏกรยาเคมดงตอไปน

(CH2)6N

4 + 6H

2O ↔ 6HCHO + 4NH

3 (1)

NH3 + H

2O ↔ NH

4+ + OH- (2)

2OH- + Zn2+ ↔ ZnO(s) + H2O (3)

โดยเกลอซงคไนเตรตจะท�าหนาทเปนแหลงจายซงค ไอออน (Zn2+) สวน HMT เปนสารทจะคอยๆ แตกตว ใหไฮดรอกซลไอออน (OH-) ทอณหภมสงขนและเกด การฟอรมตวของซงคไฮดรอกไซดกอน และเปลยนเปนซงคออกไซดในทสด (ภาพท 2)

ภาพท 3 ภาพจ�าลองการท�างานของเฮกซะมน (hexamine:

HMT) ทเขาไปเกาะผวทไมมขวของแทงซงคออกไซด [4]

ภาพท 2 แทงซงคออกไซดนาโนทปลกบนกระจกสไลดดวยวธไฮโดรเทอรมอล [5]

ตอมา Sugunan และคณะ อธบายถงความส�าคญ ของการใช HMT ในการสงเคราะหเพอใหไดโครงสราง เปนแทงนาโนทมหนาตดเปนรปหกเหลยม เนองจาก HMT เปนสารคเลตแบบไมมขว เมออยในระบบจะเขาไปเกาะ บนผวดานขางของซงคออกไซดแทงนาโน และเปดผว ดานบนทมขวตอสงแวดลอมภายนอก ท�าใหเกดการตก เคลอบบนผลกดานทมขวนเปนชนๆ ไปเรอยๆ ตามแนว แกน c ดงแสดงในภาพท 3 [4] อกทงการเตม HMT ยงเปนการเคลอบผวขางทไมมขวเพอปองกนการขยาย ขนาดของแทงออกในแนวกวางอกดวย

กลมวจยของ Baruah น�าเสนอการสงเคราะห ซงคออกไซดทมโครงสรางหลากหลายดวยวธไฮโดร เทอรมอล โดยมการปรบเปลยนสภาวะในการสงเคราะห เชน คาพเอชของสารละลาย อณหภม และเวลา (ภาพท 4) [5] จะเหนวาการสงเคราะหดวยวธนเรยบงาย ตนทนต�า และไมตองการระบบทซบซอน


เคลอบบนวสดรองรบนนเอง การใชวธนจะสงเคราะห แทงซงคออกไซดทมการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบท�าใหผลกทไดแทบจะไมมต�าหนเลย การสงเคราะหซงคออกไซดโครงสรางหวนาโน ดวยวธไอเคมแบบการระเหยดวยความรอน (thermal evaporation) โดยการสงเคราะหซงคออกไซดบนแผน รองอะลมนาทอณหภมประมาณ 1050-1250 องศา- เซลเซยส ภายในเตาทอ (ภาพท 5) และใชผงซงคออกไซด เปนสารตงตนจะไดซงคออกไซดโครงสรางหวนาโน (ภาพท 6) อณหภม และเวลาจะเปนตวแปรทมความส�าคญอยางมากตอขนาดและรปรางของโครงสรางหว ดงกลาว โครงสรางลกษณะนถาควบคมขนาด และระยะ หางระหวางซหวไดสม�าเสมอจะสามารถน�ามาประยกตใชเปนเกรตตงในงานดานแสงทต องการชองขนาดจว มากๆ ได [7, 8]

ภาพท 4 โครงสรางซงคออกไซดระดบนาโนเมตรในรปแบบตางๆ ทสงเคราะหดวยกระบวนการไฮโดรเทอรมอล [5]จากซายไปขวา: เสนลวดนาโน, เตตระพอด (tetrapod), โฮโมเซนทรกบนเดล (homocentric bundle),

ลวดนาโนทมโครงสรางแตกแขนง (hierarchical ZnO nanowires) และสปรงนาโน

ภาพท 5 แผนภาพแสดงเตาทอในระบบสญญากาศทใชสงเคราะหซงคออกไซดดวยการระเหยดวยความรอน [7]

2. การสงเคราะหดวยการตกเคลอบดวยไอเคม

การสงเคราะหแทงนาโนดวยวธการตกเคลอบดวยไอเคมแบบ ไอ-ของเหลว-ของแขง (vapor-liquid-solid method) เปนการควบคมอตราการปอนไอของ สารทเปนแหลงจายซงคไอออน และออกซเจนใหมาตก กระทบบนคะตะลสต หรอสารเรงปฏกรยาทเคลอบอย บนวสดรองรบทอณหภมสงระดบหนง ผลกซงคออกไซด จะเรมเกดทต�าแหนงของอนภาคคะตะลสตนเองและ คอยๆ ขยายขนาดยดยาวออกไปจากต�าแหนงคะตะลสต [6] ภายในระบบตองมการควบคมความดนของแกส ออกซเจน ซงเกยวของโดยตรงตอโครงสรางสดทายของ ซงคออกไซด วธนสามารถใชในการขยายขนาดของ การสงเคราะหซงคออกไซดไดไมยาก ปจจยส�าคญคอ การควบคมขนาด หรอความหนาของชนคะตะลสตท


การสงเคราะหซงคออกไซดโดยวธการตกเคลอบ ดวยไอเคมโดยใชสารตงตนเปนเมทล-ออรแกนก (metal- organic precursor) ทประกอบดวยธาตทตองการ ม รายงานการปลกซงคออกไซดแทงนาโน ภายในเตา 2 โซน ประกอบดวยโซนอณหภมต�าและสงโดยใชสารตงตนเปน ซงค อะซทลอะซโทเนตไฮเดรต (Zn acetylacetonate hydrate) วางทต�าแหนงอณหภมต�า 130-140 องศา- เซลเซยส จากนนใชแกสไนโตรเจนผสมออกซเจนเปนตว พาไปยงโซนทอณหภมสงประมาณ 500 องศาเซลเซยส ทความดน 200 ทอร พบวาซงคออกไซดแทงนาโนตง เปนแทงตรงจากแผนรองซลกา [9]

3. การสงเคราะหดวยวธตกเคลอบดวยไฟฟา วธการเคลอบดวยไฟฟาใชสงเคราะหแทงรป ทรงเหลยมขนาดนาโนของซงคออกไซดบนกระจกเคลอบ ดวยชนออกไซดน�าไฟฟาของดบกออกไซดเจอดวย ฟลออรน แทงซงคออกไซดทไดมเสนผานศนยกลางตงแต 100 นาโนเมตร ถง 300 นาโนเมตร และความหนา 400 นาโนเมตร ถง 900 นาโนเมตร พบวาตวแปรทใชในการเคลอบฟ ล มซ งมผลต อลกษณะของฟ ล มท ได ไดแก แรงดนไฟฟา ความเขมขนสารอเลกโทรไลต และ อณหภม ถาใหศกยไฟฟาสงจะไดฟลมทมประสทธภาพ ดกวา การเพมกระบวนการอบออนท�าใหไดแถบของการ

คายแสงเอกซซตอน (exciton emission band) ทคมชด ยงขน [10] การเพมศกยไฟฟาจะท�าใหซงคออกไซดท ไดมแบนดแกปเพมมากขน ซงการเปลยนแปลงขนาด ของแบนดแกปจะมผลอยางมากเมอมการเปลยนแปลง ความหนาของฟลม นนคอการทมขนาดเกรน หรอความ เครยดภายในแลตทซ และ/หรอต�าแหนงของต�าหนใน ระดบชนพลงงานทเปลยนแปลงไป [11] การสงเคราะหฟลมบางของซงคออกไซดทม รพรนทจดเรยงอยางเปนระเบยบ (ordered porous ZnO films) เตรยมไดโดยการตกเคลอบดวยไฟฟาบนกระจก ทเคลอบดวยอนเดยมออกไซดเจอดวยดบก (Indium Tin Oxide, ITO) และเคลอบดวยโพลสไตรนเมดกลมดานบน เพอท�าหนาทเปนเทมเพลต จากนนกเคลอบซงคออกไซด ลงบนเทมเพลตทเปนโพลสไตรนดวยวธการตกเคลอบ ดวยไฟฟา เมอละลายโพลสไตรนออกไป กจะไดซงค ออกไซดทมโครงสรางพรนตว [12] เชนเดยวกบการใช เทมเพลตทเปนแอโนดกอะลมเนยมออกไซด ทมลกษณะ เปนโพรงแนวลก มหนาตดของโพรงเทาๆ กน การสงเคราะห ท�าโดยการใชลวดโลหะของซงคหยอนลงในโพรงของ แอโนดกอะลมนา และออกซไดซลวดทเปนโลหะซงค ซงจะไดซงคออกไซดโครงสรางของโพรงของแอโนดก อะลมนานนเอง [13]

ภาพท 6 โครงสรางจลภาคของซงคออกไซดหวนาโนทสงเคราะหจากการระเหยผงซงคออกไซดทอณหภม 1400 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง a) ภาพถายโครงสรางจลภาคของหวซงคออกไซดทก�าลงขยายต�า b) ภาพถายโครงสรางจลภาคของหว ซงคออกไซดทก�าลงขยายสง โครงสรางหวนาโนมความกวางประมาณ 400 นาโนเมตร และระยะหางระหวางซประมาณ 700 นาโนเมตร ภาพแทรกจะเปนภาพตดขวางของซหวทมหนาตดเปนสเหลยม c) แผงหวนาโนทมความกวางประมาณ 280 นาโนเมตร และระยะหาง ระหวางซ 250 นาโนเมตร ภาพแทรกบนขวาแสดงถงแทงทมหนาตดเปนรปสเหลยม ขนาดสเกลท 500 นาโนเมตร ภาพแทรกดานลาง ซายเปนภาพโครงสรางจลภาคของจดก�าเนดของโครงสรางหวนาโน มขนาดสเกลท 10 ไมครอน d) หวนาโนทจดเรยงตวแลวมขนาดกวาง 500 นาโนเมตรและระยะหางระหวางซ 300 นาโนเมตร ภาพแทรกแสดงถงดานทมการยดออกของหวนาโน มขนาดสเกลท 500 นาโนเมตร [8]


การประยกตใชซงคออกไซด

ในทนจะกลาวถงการประยกตใชซงคออกไซด 5 แบบ ไดแก เซนเซอร, ไดโอดเปลงแสง, แคนตลเวอร, เซลลแสงอาทตย และนาโนเจเนอเรเตอร ซงมรายละเอยด ดงตอไปน

1. เซนเซอร(Sensors) ซงคออกไซดเปนวสดทมการน�ามาใชในดาน การตรวจวดสารเคมตางๆ คอนขางมาก เนองจากมคา ความไวตอสงเราทเปนสารเคมรอบๆ ตวสง การเพม ความไวตอการตรวจวดท�าโดยเพมพนทผวของวสดทเปน ตวตรวจวดใหเพมมากยงขน ดงนนโครงสรางระดบ นาโนเมตรจงมขอไดเปรยบในกรณน อกทงยงสามารถ ขนรปเซนเซอรขนาดจวได ซงคออกไซดโครงสรางลวดนาโนเปนวสดหนง ทไดรบการยอมรบวามคาความไวคอนขางสง แมกระทง ทอณหภมหอง ในขณะทเซนเซอรตรวจวดแกสแบบ ฟลมบางทวไปมกนยมใชทอณหภมสง สมบตของซงค ออกไซดขนกบต�าหนในโครงสรางผลก โดยเฉพาะอยางยง ตำหนทเปนชองวางของออกซเจน (oxygen vacancies) ซงปรมาณของชองวางออกซเจนจะเปนตวแปรทบอกถงสมบตทางไฟฟาของซงคออกไซดได

การตรวจวดแกสไนโตรเจนไดออกไซดทมสมบต เปนตวออกซไดซนน แกสทดดซบบนผวของซงคออกไซด และเกดปฏกรยาออกซเดชนโดยโมเลกลแกสรบอเลกตรอน จากซงคออกไซด ท�าใหคาการน�าไฟฟาของซงคออกไซดลดลงไป เมอเทยบกบคาการน�าไฟฟาทมอยเดม ในทาง กลบกนถามโมเลกลของไฮโดรเจนทมสมบตเปนตวรดวซ มาดดซบบนผวซงคออกไซดจะท�าใหอเลกตรอนในผลก ซงคออกไซดมากขน สงผลใหมคาการน�าไฟฟาทเพม มากขน ความยากและทาทายในการพฒนาซงคออกไซด เพอน�ามาใชเปนเซนเซอร คอ ความจ�าเพาะตอสาร เปาหมายทสนใจ งานวจยทน�าซงคออกไซดมาเปนเซนเซอร มมากมาย [14] เชน การใชโครงสรางแทงนาโนซงค ออกไซดมาประกอบเปนอปกรณเลกๆ (ภาพท 7) โดยปลกแทงนาโนซงคออกไซดบนวสดรองรบทท�าเปนขว ไฟฟา และใชในการตรวจวดแกส โดยแกสเปาหมายจะถกสงผานมายงเซนเซอร และมการบนทกคาการเปลยน แปลงของความตานทาน หรอการเปลยนแปลงคาการ นำไฟฟาภายในวงจรเปรยบเทยบกบความเขมขนของแกส นนเอง [15]

ภาพท 7 a) แผนผงการใชซงคออกไซดแทงนาโนเปนเซนเซอรส�าหรบตรวจวดแกส b) โครงสรางจลภาคของแทงนาโนซงคออกไซด [15]

2. ไดโอดเปลงแสง(Light-emittingdiodes) คณะวจยของ Bao ขนรปซงคออกไซดโครงสราง ลวดนาโน และน�าเสนลวดนาโนซงคออกไซดเพยงเสน เดยวมาทดลองสมบตการเปนไดโอดเปลงแสง โดยเคลอบ ลวดนาโนบนแผนรองซลคอน จากนนพมพลายหนากาก ทจะท�าชนโลหะดวยการเคลอบสารโพลเมทลเมทาครเลต (Poly (methyl methacrylate), PMMA) ทท�าหนาท เปนหนากาก จากนนใชเทคนคโฟกสไอออนบมสองไป บน PMMA และลอกสวนทไมตองการออก เมอได

ลวดลายบนซงคออกไซดกเคลอบชนโลหะเพอเปนขวตวน�าส�าหรบเสนลวดซงคออกไซดเพยงเสนเดยวนน การ ขนรปเชนนท�าใหสามารถวดคากระแสและแรงดนไฟฟา ทเกดขนเพอศกษาความสมพนธระหวางคาทงสอง นอกจากน มการศกษาสมบตทางดานโฟโต ลมเนสเซนต และอเลกโทรลมเนสเซนตของลวดเสนเดยว นนไดอกดวย [16] คณะวจยของ Hassan ขนรปไดโอด ทท�าจากซงคออกไซดโครงสรางแทงนาโนทเตรยมดวยวธ ไฮโดรเทอรมอลบนชนเพาะอนภาคของซลคอนคารไบด


และเคลอบฟลมตวน�าชนดอนเดยมทนออกไซดใหเปนขว ไฟฟา โดยใชสาร PMMA เปนหนากาก (ภาพท 8) พบวา ผลของอเลกโทรลมเนสเซนสไดแสงทเปลงออกจากไดโอด นเปนแสงชวงสเขยวทตามองเหนไดหลงจากทมการให

ฟอรเวรดไบแอส (forward bias) ท 20 โวลต [17] จะเหนไดวาซงคออกไซดทมโครงสรางระดบนาโนสามารถ น�ามาใชท�าไดโอดเปลงแสงทมขนาดจวเพอลดขนาดของเครองใชไฟฟาลงได

ภาพท 8 แผนภาพแสดงไดโอดเปลงแสงทเตรยมจากแทงนาโนซงคออกไซดบนตวรองซลคอนคารไบด [17]

3. แคนตลเวอร(Cantilevers) คณะวจยของ Lee ศกษาถงการใชลวดนาโน ซงคออกไซดทเปนผลกเดยวมาใชเปนทป หรอเขมอาน ของกลองจลทรรศนแบบอะตอมมกฟอรซ (Atomic Force Microscope, AFM) ) พบวา ซงคออกไซดสามารถน�ามา ใชเปนเขมอานของ AFM ไดเทยบเทากบเขมอานทม จ�าหนายอยแลวในทองตลาดทวไป [18] นอกจากน มรายงานวา ซงคออกไซดลวดนาโนสามารถน�ามาใชเปน เรโซเนเตอรตวจว หรอแคนตลเวอรตวจวกได เนองจาก มคา มอดลสแบบดดโคงยดหยน (elastic bending modulus) สงถง 58 กกะพาสคล [19]

4. เซลลแสงอาทตย(Solarcells) มการน�าซงคออกไซดมาใชเปนเซลลแสงอาทตย ชนดสยอมไวแสง (dye-sensitized solar cells) โดยใช เปนวสดท�าขวไฟฟาส�าหรบรบแสง องคประกอบทรวมตว เปนเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง มอย 4 สวน คอ

ขวทรบแสง (photoelectrode) หรอขวแอโนด มกเปน วสดกงตวน�า เชน ซงคออกไซด หรอไทเทเนยม ไดออกไซด

สยอม (dye) ตองไวตอแสง กลาวคอตองสามารถ ดดกลนแสงไดด และเกดคอเลกตรอน-โฮล โดย จะน�ามาเคลอบบนสารกงตวน�า

อเลกโทรไลต (electrolyte) ท�าหนาทจายอเลกตรอน คนใหกบสยอม

ขวแคโทด หรอเคานเตอรอเลกโทรด (counter electrode)

ขอดของเซลลแสงอาทตยแบบนคอ ราคาถก ขนรปไมซบซอน สสนสวยงาม ไมตองการการขนรปท ใชอปกรณและเทคโนโลยชนสง โดยสารกงตวน�าทจะ น�ามาใชในงานเซลลแสงอาทตยแบบนควรมแบนแกปกวาง มการเคลอนทของพาหะตวน�าสง และฟลมทใชควรม พนทผวมากเพอใหสยอมทเคลอบอยดดซบแสงไดด สมบตดงกลาว ท�าใหตองเลอกใชฟลมทมสารกงตวน�า ซงมโครงสรางระดบนาโนเมตร ซงคออกไซดเปนวสดทโดดเดนและเหมาะกบ การประยกตใชในงานน เนองจากมสมบตทสงผานอเลก- ตรอนบนชนตวน�าในสยอมไปยงชนตวน�าของซงคออกไซด ไดเรวมากเมอเปรยบเทยบกบการเคลอนทของอเลกตรอน ในไทเทเนยมไดออกไซด (Titanium dioxide: TiO

2)

กระบวนการท�างานในเซลลแสงอาทตยแบบนเปนการ ท�างานผานปฏกรยารดอกซ จงตองมสารอเลกโทรไลต เพอใหอเลกตรอนกบสยอมสามารถวนกลบมาท�าหนาทตอไป [14] การท�างานบนชนของขวไฟฟาทรบแสง เมอแสงตกกระทบสยอมจะมการสรางอเลกตรอนบนชน ตวน�า (Lowest Unoccupied Molecular Orbital: LUMO) และโฮลบนชนสถานะพน (Highest Occupied Molecular Orbital: HOMO) ของสยอม อเลกตรอนทเกดจะไหลไปยงชนตวน�าของซงคออกไซดทนทเนองจากมระดบพลงงานทต�ากวา การเคลอนทของอเลกตรอนนเปนปจจยทส�าคญตอประสทธภาพของเซลลแสงอาทตย ดงนน การลดระยะและอปสรรคตอการเคลอนทของ อเลกตรอนโดยการเลอกใชซงคออกไซดโครงสรางแทง นาโนทอเลกตรอนจะเคลอนทตอเนองแบบเจอรอยตออนภาคนอยทสดมาแทนทการใชซงคออกไซดอนภาค


ภาพท 9 แผนภาพแสดงการออกแบบการทดลองในการแปลงพลงงานกลไปเปนพลงงานไฟฟาโดยอาศยแทงนาโนซงคออกไซดเปนวสด

เพยโซอเลกทรก a) โครงสรางจลภาคถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนงของแทงนาโนซงคออกไซด b) โครงสรางแทงซงค

ออกไซดระดบนาโนถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบทรานสมสชน ภาพแทรกซายมอเปนรปแบบการเลยวเบนของอเลกตรอน แสดง

ถงผลกเดยวของแทงซงคออกไซด จะเหนวาแทงซงคออกไซดคอนขางมขนาดทสม�าเสมอ และภาพแทรกขวาลางเปนแทงซงคออกไซดทม

อนภาคทองเกาะอยดานบน เกดจากการใชอนภาคทองเปนคะตะลสตขณะทสงเคราะหแทงซงคออกไซด c) การทดลองทแสดงการเกด

กระแสไฟฟา โดยการโคงงอของแทงซงคออกไซดจากทปของเครอง AFM ดานลางของแทงซงคออกไซดจะตอกบอปกรณทมคาความตานทาน

RL ทมคาความตานทานมากกวาความตานทานของแทงซงคออกไซดเอง ลกษณะการเคลอนทของทป AFM เปนแบบสมผส [20]

นาโนทมรอยตอระหวางเกรนมากจงเปนหวขอส�าคญท ไดรบการวจยอยางกวางขวาง แตอยางไรกตามประสทธภาพ ของก�าลงไฟฟาทไดจากเซลลแสงอาทตยแบบนยงต�า มากเมอเทยบกบเซลลแสงอาทตยทใชซลคอนเปนวสด กระตนดวยแสงจงยงตองท�าการวจยและพฒนาตอไป

5. นาโนเจเนอเรเตอร(Nanogenerators)

ผปวยทตองมอปกรณการแพทยแบบพกพาท คอยสงสญญาณผานระบบไรสายไปยงตวรบของแพทยผเชยวชาญส�าหรบใชเฝาระวง เปนอปกรณทตองการ แหลงจายพลงงานไฟฟา หรอระบบส�ารองไฟฟาจ�าพวก แบตเตอร ถาอปกรณดงกลาวสามารถสรางพลงงานไฟฟา ไดเองกจะชวยใหใชงานสะดวก และไมตองพงพาแบตเตอร อกตอไป

ซงคออกไซดเปนวสดเพยโซอเลกทรกทมสมบต ในการเปลยนแปลงระหวางพลงงานกล และพลงงาน ไฟฟา หากน�าวสดดงกลาวมาเกบเกยวพลงงานกลจาก การเคลอนไหวของรางกาย เชน การเคลอนท การขยบ ของกลามเนอ และการหด-ขยายตวของเสนเลอดของ ผปวยมาแปลงเปนพลงงานไฟฟาเพอใชขบเคลอนอปกรณ ตวจวทตดตามตวผปวยโดยไมตองอาศยแบตเตอรเปน เรองทนาสนใจ คณะวจยของ Wang ไดศกษาถงการน�าซงค ออกไซดแทงนาโนทมสมบตดานเพยโซอเลกทรกมาใช เปนนาโนเจเนอเรเตอร หรอตวผลตพลงงานตวจว เพอ เกบเกยวพลงงานกลทเกดขนตลอดเวลามาแปลงเปน พลงงานไฟฟาทน�าไปใชประโยชนได (ภาพท 9)


แผงแทงนาโนซงคออกไซดทเตรยมขนบนแผน วสดรองรบทเคลอบดวยเงนท�าหนาทเปนขวไฟฟา ดานบน เปนวสดซลคอนทผานการเตรยมพนผวใหมลกษณะเปน ฟนปลา และเคลอบดวยแพลทนมท�าหนาทเปนขวไฟฟา (ภาพท 10) ในขณะทเกดการเคลอนไหว ปลายแทงซงค ออกไซดจะสายไปมา ท�าใหดานหนงของแทงมลกษณะ หดลง ดานตรงขามขยายออก เกดไดโพลขนระหวางดาน ทงสองของแทงซงคออกไซด การทดลองกระแสทเกดจาก การสายไปมาของปลายแทงซงคออกไซดน ออกแบบโดย การใช ทปของเครอง AFM ทเคลอบดวยแพลทนม เคลอนทมาสมผสกบแทงซงคออกไซด ต�าแหนงทสมผส จะเกดเปนชอตกแบรรเออร (schottky barrier) ถาต�าแหนง สมผสท�าใหเกดฟอรเวรดไบแอสชอตกเรกตไฟเออร (forward bias schotky rectifyer) จะท�าใหเกดกระแส ไฟฟาไหลผานได [20, 21] จากการทดลองดงกลาวพบวา การสรางอปกรณจวนเปนแนวทางส�าคญทจะน�าไปใช ตอไปในอนาคต

ภาพท 10 นาโนเจเนอเรเตอรขบเคลอนดวยคลนอลทราโซนก

a) แผนภาพแสดงรปแบบและโครงสรางของนาโนเจเนอเรเตอร

ประกอบดวยการจดเรยงตวของแทงซงคออกไซดทปลกจากวสด

รองรบชนดโพลเมอร และดานบนเปนขวไฟฟาแบบซกแซก โดยท

แผนรองตอตรงกบอปกรณภายนอก b) แทงซงคออกไซดทปลก

บนแผนรองเนอแกลเลยมไนไตรด มอนภาคทองเปนคะตะลสต

ทใชในการปลกแทงซงคออกไซด c) แผนซกแซกทจะใชเปนขว

ไฟฟาดานบนทเตรยมดวยวธการกด (etching technique) และ

เคลอบดวยแพลทนมทความหนา 200 นาโนเมตร d) ภาพตดขวาง

ถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนงของนาโนเจเนอ-

เรเตอรทประกอบดวยแทงซงคออกไซด [21]

บทสรป

ปจจบนมงานวจยทศกษาเกยวกบซงคออกไซด โครงสรางในระดบนาโนเพมขนอยางมาก เนองจากซงค ออกไซดเปนวสดทมสมบตทเปนเอกลกษณและสามารถ ขนรปใหมโครงสรางในระดบนาโนทหลากหลายโดยวธ งายๆ จงไดรบความสนใจในการน�าไปใชในงานดานตางๆ มากมาย ซงในอนาคตอนใกลนอาจมผลตภณฑทน�า ซงคออกไซดมาใชเพอใหเกดอปกรณรปแบบใหมๆ ท แตกตางจากเดมกเปนได

เอกสารอางอง

1. Ü. Özgür, Y.I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M.A. Reshchikov, S. Doğan, V. Avrutin, S.-J. Cho, and H. MorkoçdU.”A comprehensive review of ZnO materials and devices”, Journal of Applied Physics, 2005, 98, 041301.

2. V.M. Andrés, “Formation of rod-like zinc oxide microcrystals in homogeneous solutions” Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1990, 86, 959-963.

3. L. Vayssieres, “Growth of Arrayed Nanorods and Nanowires of ZnO from Aqueous Solutions” Advanced Materials, 2003, 15, 464–466.

4. A. Sugunan, H. C. Warad, M. Boman and J. Dutta, “Zinc oxide nanowires in chemical bath on seeded substrates: Role of hexamine” Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2006, 39, 49-56.

5. S. Baruah and J. Dutta, “Hydrothermal growth of ZnO nanostructures” Science and Technology of Advanced Materials, 2009, 10 013001.

6. R.S. Wagner and W.C. Ellis,” Vapor-Liquid-Solid mechanism of single crystal growth” Applied Physics LettersApplied Physics LettersApplied Physics Letters, 1964, 4, 89-90.

7. Z. L. Wang, “Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications” Journal of Physics: Condensed Matter, 2004, 16, R829–R858

8. Z.W. Pan, S.M. MahurinS.M. MahurinS.M. Mahurin, S. DaiS. DaiS. Dai and D.H. LowndesD.H. LowndesD.H. Lowndes, “Nanowire Array Gratings with ZnO Combs” Nano Letters, 2005, 5, 723-727.

9. J.-J. Wu and S. –C. Liu, “Low-Temperature Growth of Well-Aligned ZnO Nanorods by Chemical Vapor Deposition” Advanced Materials, 2002, 14, 215-218.


10. Q. Wang, G. WangG. WangG. Wang, J. Jie, X. HanX. HanX. Han, B. XuB. XuB. Xu and J.G. Hou,” Annealing effect on optical properties of ZnO films fabricated by cathodic electrodeposition” Thin Solid Films, 2005, 492, 61.

11. R.E. Marotti, D.N. Guerra, C. Bello, G. Machado and E. A. Dalchiele, “Bandgap Energy Tuning of Electrochemically Grown ZnO Thin Films by Thickness and Electrodeposition Potential” Solar Energy Materials and Solar Cells, 2004, 82, 85-100.

12. Z. Liu, Z. Jin, J. Qiu, X. Liu, W. Wu and W. Li, “Preparation and characteristics of ordered porous ZnO films by a electrodeposition method using PS array templates” Semiconductor Science and Technology, 2006, 21, 60.

13. Y. Li, G.W. Meng, L.D. Zhang and F. Phillip, “Ordered semiconductor ZnO nanowire arrays and their photoluminescence properties” Applied Physics LettersApplied Physics LettersApplied Physics Letters, 2000, 76, 2011.

14. L. Schmidt-Mende and J. L. MacManus-Driscoll, “ZnO - nanostructures, defects, and devices” Materials Today, 2007, 10, 40-48.

15. S. Baruah and J. Dutta, “Nanotechnology applications in Sensing and Pollution Degradation in Agriculture” Environmental Chemistry LettersEn-vironmental Chemistry LettersEnvironmental Chemistry Letters , 2009,7, 191-204.

16. J. Bao, M. A. ZimmlerM. A. ZimmlerM. A. Zimmler and F. CapassoF. CapassoF. Capasso, “Broadband ZnO Single-Nanowire Light-Emitting Diode” Nano Letters, 2006, 6, 1719-1722.

17. J.J. Hassan, M.A. Mahdi, A. Ramizy, H.A. Hassan and Z. Hassan, “Fabrication and characterization of ZnO nanorods/p-6H–SiCheterojunction LED by microwave-assisted chemical bath deposition” Superlattices and Microstructures, 2013, 53, 31–38.

18. W. Lee, M.-C. Jeong and J.-M. Myoung, “Catalyst-free growth of ZnO nanowires by metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) and thermal evaporationCatalyst-free growth of ZnO nanowires by metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) and thermal evaporationCatalyst-free growth of ZnO nanowires by metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) and thermal evaporation” Acta Materialia, 2004, 52, 3949-3957.

19. Y. Huang, X. Bai and Y. Zhang, “In situ mechanical properties of individual ZnO nanowires and the mass measurement of nanoparticles” Journal of Physics: Condensed MatterJournal of Physics: Condensed MatterJournal of Physics: Condensed Matter , 2006, 18, L179-L184.

20. Z.L. Wang and J. Song, “Piezoelectric Nanogen-erators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays” Science, 2006, 312, 242-246.

21. X. Wang, J. SongJ. SongJ. Song, J. LiuJ. LiuJ. Liu and Z.L. WangZ.L. WangZ.L. Wang., “Direct- Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves” Science, 2007, 316, 102-105.

ซิงค ออกไซด...ภาพท 1 โมเดลโครงสร...

Documents