บทที่ 2 ทฤษฎี -...
TRANSCRIPT
![Page 1: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/1.jpg)
บทท่ี 2
ทฤษฎี
2.1 สมบัติของสารซิงกฟทาโลไซยานิน (Zinc Phthalocyanine, ZnPc)
สําหรับสาร ZnPc เปนสารในตระกูลฟทาโลไซยานิน รูจักกนัมานานในฐานะสียอมท่ีใชในอุตสาหกรรมส่ิงทอ ปจจุบันสารชนิดนี้ไดกลายมาเปนวัสดุท่ีนํามาใชในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส ต้ังแตเซ็นเซอรตรวจจับกาซไปจนถึงเซลลสุริยะ เนื่องจากสารตระกูลนี้มีสมบัติทางอิเล็กทรอนิกสไดหลากหลายเพราะวาสมบัติเหลานั้นปรับเปล่ียนตามโลหะท่ีอยูตรงกลางและสายโซดานขาง [6]
ZnPc มีลักษณะเปนผงสีน้ําเงิน มวลโมเลกลุมีคาเทากับ 577.92 g/mol มีสูตรโครงสรางทางเคมี ZnNHC 81632 (มีโลหะสังกะสีตรงกลาง) ดังแสดงในรูปท่ี 2.1 ดูดกลืนพลังงานแสงไดมากสุดในท่ีความยาวคล่ืน 674 nm ดังแสดงในรูปท่ี 2.2 และตารางท่ี 2.1
รูปท่ี 2.1 แสคงโครงสรางโมเลกุลของ ZnPc [7]
รูปท่ี 2.2 แสดงชวงการดดูกลืนพลังงานของ ZnPc [7]
![Page 2: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/2.jpg)
10
ตารางท่ี 2.1 แสดงสมบัติของ ZnPc [7]
2.2 สมบัตขิองสียอมอีโอซินวาย (Eosin-Y)
จัดเปนสียอมจาํพวกสียอมจากธรรมชาติ (Organic Dye) ท่ีมีโครงสรางของไฮโดรคารบอนเกาะกับโบรมีนซ่ึงมีโครงสรางดังแสดงในรูปท่ี 2.3 และสามารถดูดกลืนพลังงานแสงไดมากสุดท่ีความยาวคล่ืน 524 nm ดังแสดงในรูปท่ี 2.4 และตารางท่ี 2.2
รูปท่ี 2.3 แสดงโครงสรางโมเลกุลของ Eosin-Y [9]
Common Name Zinc Phthalocyanine
Other Names Pyridine
CAS Number 14320-04-8
Energy level at LUMO 3.34 eV
Energy level at HOMO 5.28 eV
Energy Gap 1.94 eV [8]
Solubility in Water Insoluble EU Classification -
Melting Point - Density -
Absorption Maximum 674 nm Color Dark Blue
Chemical Formula C32H16N8Zn Molecular Weight 577.92 g/mol
![Page 3: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/3.jpg)
11
รูปท่ี 2.4 แสดงชวงการดดูกลืนพลังงานของ Eosin-Y [9]
ตารางท่ี 2.2 แสดงสมบัติของ Eosin-Y [9]
Common Name Eosin-Y Suggested Name Eosin-Y ws
Other Names Eosine Yellowish
Bromoeosine Tetrabromofluorescein
C.I. number 45380 C.I. name Acid red 87
Class Fluorone Ionization Acid
Solubility Aqueous 40% Solubility Ethanol 2%
Absorption Maximum 524 nm Color Red
Chemical Formula C20H6O5Br4Na2 Molecular Weight 691.9 g/mol
![Page 4: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/4.jpg)
12
2.3 เซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)
เซลลแสงอาทิตยชนิดสียอมเปนอุปกรณท่ีสามารถเปล่ียนพลังงานแสงเปนพลังงานไฟฟาได โดยมีโครงสรางดังแสดงในรูปท่ี 2.5
รูปท่ี 2.5 แสดงโครงสรางเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอมไวแสง [10]
2.3.1 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม
2.3.1.1 กระจกนําไฟฟา (Transparent Conducive Oxide Glass: TCO Glass) กระจกใสนําไฟฟา เปนกระจกโปรงใสที่ถูกเคลือบดวย Indium-doped Tin Oxide (ITO) หรือ
Fluorine-doped Tin Oxide (FTO)
2.3.1.2 ช้ันสารกึ่งตัวนํา (Semiconductor Layer) เปนสารกึ่งตัวนําโลหะออกไซด (Metal-Oxide Semiconductor) ท่ีมีชองวางแถบพลังงานสูง
(Wide Band-Gap) ซ่ึงสารกึ่งตัวนําท่ีนํามาศึกษากนัอยางแพรหลาย คือ TiO2 ZnO และ Nb2O5
![Page 5: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/5.jpg)
13
2.3.1.3 สียอม (Dye) เปนสารท่ียึดเกาะอยูกับอนภุาคสารกึ่งตัวนํา ดวยพันธะ –OH หรือ =O ซ่ึงทําหนาท่ีรับ
พลังงานแสงจากดวงอาทิตยและทําหนาท่ีปลดปลอยอิเล็กตรอนออกไป ตัวอยางสียอมท่ีใชกันอยางแพรหลาย เชน Ruthenium, Eosin-Y หรือ Pigment ในพชื เชน Chlorophyll และ Anthocyanin เปนตน
2.3.1.4 สารละลายอิเล็กโทรไลต (Electrolyte) ทําหนาท่ีในการแลกเปล่ียนอิเล็กตรอนท่ีเดินทางมาจากวงจรภายนอกใหกลับคืนสูโมเลกุล
ของสียอม [11]
2.3.1.5 แพลทินัม (Platinum) เปนโลหะท่ีเคลือบบนกระจก TCO ท่ีข้ัวแคโทด ทําหนาท่ีเปนตัวกระตุนและลดศักยไฟฟาท่ี
มากเกินไปในปฏิกิริยา Triiodide กับ Iodide )32( 3−−− →+ IeI [10]
2.3.2 หลักการแปลงพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม
2.3.2.1 การดูดกลืนพลังงานแสง เม่ือโมเลกุลของสียอมถูกแสงจะดูดกลืนพลังงานแสงไวเพื่อใชในการกระตุนอิเล็กตรอนใน
ช้ัน HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) ไปยังช้ัน LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) ∗→+ dyelightdye ......... (2.1)
2.3.2.2 อิเล็กตรอนถูกกระตุน
อิเล็กตรอนสถานะกระตุน ( ∗dye ) ท่ีอยูในโมเลกุลของสียอมในช้ัน LUMO ซ่ึงมีพลังงานสูงกวาแถบนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนาํ (Conduction Band) จะยายไปอยูบนแถบนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนํา เราเรียกข้ันตอนนีว้า Electron Injection
)()( 22 dyeoxidizeddyeTiOeTiOdye +− +→+∗ …….. (2.2)
![Page 6: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/6.jpg)
14
-4.2
-5
-6.5
-3.5
Vacuum Level
LUMO
HOMOPhoton
CB
-6
-7
-4
-3
FTO G
lassFTO
Gla
ss
e- e-
Pt
Maximumvoltage
Load
Eosin Y
Electrolyte
ZnO
2.3.2.3 อิเล็กตรอนเร่ิมเคล่ือนท่ี
อิเล็กตรอนท่ีมาจากช้ัน LUMO จะเคล่ือนท่ีผานสารกึ่งตัวนําออกสูวงจรภายนอกผานทางข้ัวโฟโตอิเล็กโทรดเกิดการสูญเสียพลังงานใหแกวงจรภายนอก หลังจากนั้นกลับคืนสูเซลลผานทางข้ัวเคานเตอรอิเล็กโทค (ข้ัวท่ีกระจกนําไฟฟาเคลือบดวย Pt)
2.3.2.4 อิเล็กตรอนคืนสภาพ
อิเล็กตรอนกลับสูโมเลกุลของสียอม โดยผานปฏิกิริยารีดอกซ (Redox) ในอิเล็กโทรไลตและเรียกข้ันตอนนี้วา Dye Regeneration [12] ซ่ึงท่ีกลาวมาท้ังหมดจะเปนดังแสดงในรูปท่ี 2.6
−−+ +→+ 321
23)( IdyeIdyeoxidizeddye …….. (2.3)
−−− →+ ItrodeCoutereleceI23)(
21
3 …….. (2.4)
รูปท่ี 2.6 แสดงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม
![Page 7: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/7.jpg)
15
LUMO 0.92 eV
HOMO 1.15 eV
0.5 eV
2.7 eV
Pote
ntia
l / V
vsS
CE
ΔE
2.4 ฟลมบางออกไซดนําไฟฟาโปรงแสง (Transparent Conducting Oxide Thin Film, TCO)
ฟลมบางออกไซดนําไฟฟาแบบโปรงแสงเปนฟลมบางท่ีนําไปใชกันอยางมากในอุปกรณOptic Electronic Devices เชน Flat Panel Display [13], Solar Cells [14] และอ่ืนๆ ซ่ึงฟลมชนิดนี้เปนฟลมท่ีมีสมบัติทางไฟฟาและสมบัติทางแสงท่ีดีควบคูกันโดยฟลมตองมีสมบัตินําไฟฟาไดดีและแสงสามารถทะลุผานไดปริมาณมาก ดังนั้นในการเลือกสารตั้งตนเพือ่นํามาเตรียมฟลมตองพิจารณาสมบัติท้ัง 2 ขอนี้เปนสําคัญ และโดยท่ัวไปสารท่ีจะนํามาใชควรจะเปนสารท่ีมีแถบชองวางพลังงานสูง แตมีสภาพตานทานตํ่าและแสงทะลุผานดี ซ่ึงฟลมบางท่ีนิยมใชกันไดแก ฟลมบางของทินออกไซด (SnO2) ฟลมบางของอินเดียมออกไซด (In2O3) ฟลมบางอินเดียมทินออกไซด (ITO) ฟลมบางของแคดเมียมสแตนเนส (Cd2SnO4) ฟลมบางซิงกออกไซด (ZnO) เปนตน [15] ซ่ึงสารเหลานี้สามารถปรับปรุงสมบัติทางไฟฟาและสมบัติทางแสงไดดวยการเติมสารผสม
2.5 ตัวรับแสง (Photo Sensitizer)
สียอมเปนสวนประกอบท่ีสําคัญท่ีสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม เนื่องจากสียอมมีหนาท่ีเปนแหลงกําเนิดอิเล็กตรอนสําหรับเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ ซ่ึงเม่ือสียอมไดรับพลังงานแสงโมเลกุลของสียอมท่ีอยูในช้ัน HOMO จะถูกกระตุนใหไปอยูท่ีช้ัน LUMO หลังจากนั้นอิเล็กตรอนท่ีถูกกระตุนในชั้น LUMO จะถูกฉีดเขาไปในช้ันแถบนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนาํ ดังนัน้ในการเลือกสียอมจําเปนตองเลือกสียอมท่ีเหมาะสมกับสารกึ่งตัวนําท่ีใช ซ่ึงสียอมตองมีระดับพลัง LUMO สูงกวาระดับแถบนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนาํ ดังแสดงในรูปท่ี 2.7 [16]
รูปท่ี 2.7 แสดงการเปรียบเทียบระดับพลังงานของ Dye และแถบนําไฟฟาของ ZnO
![Page 8: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/8.jpg)
16
a
b
c
C
5/8
1/2
1/8
Zn
O
(0000) (1010)
(0001)
a
b
c
C
5/8
1/2
1/8
Zn
O
a
b
c
C
5/8
1/2
1/8
Zn
O
(0000) (1010)(1010)
(0001)
หากเลือกสารกึ่งตัวนาํท่ีมีระดับแถบนําไฟฟาสูงกวาระดบั LUMO ของสียอม เม่ือสียอมไดรับพลังงานจากแสงอาทิตยจะไมสามารถฉีดอิเล็กตรอนเขาไปในแถบนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนําได ซ่ึงในปจจบัุนมีการสังเคราะหสียอมหลายกลุม เชน Porphyrins, Phthlocyanine, Coumarin 343 [17], Carboxylated ท่ีพัฒนามาจาก Anthracene และ Polymeric Film แตท่ีไดรับความนิยมสูงสุดคือกลุมของ Transition Metal Complexes
2.6 สมบัติของสารซิงกออกไซด (Zinc Oxide, ZnO)
ZnO เปนสารท่ีนาศึกษาเปนอยางมากในปจจุบัน เนื่องจาก ZnO เปนสารท่ีถูกใชในชีวิตประจําวันของใครหลายคน โดยไมเปนอันตรายตอรางกายไมวาจะเปนแปงทาหนาหรือครีมกนัแดด ซ่ึงลวนแลวแตมี ZnO เปนสวนประกอบท่ีสําคัญ นอกจากนี ้ ZnO ยังมีสมบัติทางแสงและสมบัติทางเคมีท่ีนาสนใจอีกดวย
ZnO เปนสารกึ่งตัวนาํในกลุม J-V ท่ีมีชองวางของแถบพลังงานกวาง (Wide Band Gap Semiconductor) ซ่ึงมีคาชองวางแถบพลังงาน (Band Gap) ประมาณ 3.3 eV ท่ีอุณหภูมิหองและประมาณ 3.44 eV ท่ีอุณหภมิู 4 K นอกจากนี้ยังมีชองวางแถบพลังงานเปนแบบ Direct Band Gap และมีโครงสรางเปนแบบ Wurtzite Hexagonal Structure ท่ีมีคาแลตทิช (Lattice Constant) a = b =
3.24982 oA และ c = 5.20661
oA ดังแสดงในรูปท่ี 2.8 มีคามวลยังผล (Effective Mass) 0.24 mO
และ 0.59 mO สําหรับอิเล็กตรอนและโฮล (Hole) ตามลําดับ คาสภาพคลองในการเคล่ือนท่ีของอิเล็กตรอน (Electron Mobility) อยูระหวาง 100-200 cm2/V และคาสภาพคลองในการเคล่ือนท่ีของโฮล (Hole Mobility) มีคา 180 cm2/V
รูปท่ี 2.8 แสดงโครงสราง Wurtzite Hexagonal ของ ZnO [18]
![Page 9: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/9.jpg)
17
ZnO เปนสารกึ่งตัวนาํประเภทหนึ่ง ในทางฟสิกสจะนยิามสารกึ่งตัวนาํวาเปนฉนวนไฟฟาท่ีอุณหภูมิศูนยองศาสัมบูรณ (T = 0 K) เนื่องจากประจุท้ังหมดอยูในแถบวาเลนซ (Valence Band) จึงไมมีอิเล็กตรอนอยูในแถบนาํไฟฟา แตสําหรับท่ีอุณหภมิู T > 0 K นั้น อิเล็กตรอนจะถูกกระตุนจากแถบวาเลนซใหข้ึนไปอยูยังแถบนําไฟฟาทําใหเกิดการนําไฟฟาข้ึนไดในสาร ซ่ึงสามารถนํามาใชประโยชนไดท่ีอุณหภูมิหอง ZnO มีสมบัติทางกายภาพดังแสดงในตารางท่ี 2.3
ตารางท่ี 2.3 แสดงสมบัติกายภาพบางประการของ ZnO [19]
Common Name Zinc Oxide
Other Names Zinc white, calamine
Zincum oxydatum
Ratio of Zinc 65.7 %
Ratio of Oxide 34.3 %
Energy Gap 3.37 eV
Solubility in Water Insoluble
EU Classification Dangerous for
the Environment Melting Point 1975°C Boiling Point 2360°C
Density 5.606 g/cm³ Absorption Maximum 380 nm
Color White Chemical Formula ZnO Molecular Weight 81.4084 g/mol
![Page 10: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/10.jpg)
18
2.7 คามวลอากาศ (Air Mass)
ปริมาณแสงอาทิตยในอากาศท่ีเราสามารถวัดไดจะมีคาคงท่ีเรียกวา Solar Constant ซ่ึงมีคาเทากับ 1,365 W/m2 โดยเม่ือแสงแดดผานช้ันบรรยากาศโลก 30 % จะสะทอนกลับ และอีก 20 % จะถูกดูดกลืนดวยเมฆ ฝุน กาซเรือนกระจก คารบอนไดออกไซด และช้ันโอโซน เม่ือแสงแดดเดนิทางผานช้ันบรรยากาศเปนระยะทางมากข้ึน ความเขมแสงก็จะลดลงเปนลําดับ โดยตามทฤษฎีแลวจะลดลงแบบเอกซโพเนนเชียล (Exponential) สงผลใหในวันเดียวกนัเราจะสังเกตเหน็ความเขมของแสงเปล่ียนไป ท้ังนี้ความเขมของแสงจะมีคามากท่ีสุดเม่ือดวงอาทิตยอยูตรงกลางฟาพอดี เราสามารถบอกลักษณะความเขมของแสงแดดได ตามระยะทางท่ีแสงเดินทางผานบรรยากาศ โดยคาความเขมแสงท่ีสูงท่ีสุดท่ีสังเกตไดบนผิวโลก เรียกวาคามวลอากาศ 1 (Air Mass 1 = AM 1) ดังนัน้แสงอาทิตยท่ีไมผานบรรยากาศโลก จะเรียกวา คามวลอากาศ 0 (AM 0)
รูปท่ี 2.9 แสดงการคํานวณคามวลอากาศ [20] คามวลอากาศมีความสัมพันธกับมุมท่ีแสงอาทิตยกระทํากับเสนต้ังฉากท่ีผิว ถามุมดังกลาวคือ Φ
คามวลอากาศจะมีคาเทากบั )cos(
1Φ
ดังแสดงในรูปท่ี 2.9
เนื่องจากกระแสของเซลลแสงอาทิตยเปนสัดสวนโดยตรงกับความเขมแสง เม่ือความเขมแสงสูงกระแสท่ีไดจากเซลลแสงอาทิตยกจ็ะสูงข้ึนดวย ในขณะท่ีแรงดันไฟฟาแทบจะไมแปรไปตามความเขมของแสงมากนกั แตจะแปรตามอุณหภูมิ
![Page 11: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/11.jpg)
19
American Society for Testing and Materials (ASTM) ไดกําหนดมาตรฐานความเขมสเปกตรัมของแสง โดยไดทําการกําหนดในท่ีขณะอากาศปลอดโปรงปราศจากเมฆหมอกและวัดท่ีระดับน้ําทะเลในสภาพท่ีแสงอาทิตยต้ังฉากกับพื้นโลก ซ่ึงความเขมแสงที่ไดจะมีคาเทากับ 1,000 W/m2 หรือ 100 mW/cm2 นั่นเอง ซ่ึงเทากับ AM 1.5 และไดกําหนดสเปกตรัมแสงมาตรฐานดังแสดงในรูปท่ี 2.10
รูปท่ี 2.10 แสดงสเปกตรัมของแสงมาตรฐานท่ี ASTM กาํหนด [21]
นอกจากนี้สวนโคงของผิวโลกก็มีผลตอมวลอากาศดวยเชนกัน ซ่ึงสามารถคํานวณคามวลอากาศไดจาก
[ ] ssm αα sin614)sin614(1229 212 −+=
[ ] 1253.1)9.3(15.0sin −−++= ss αα …….. (2.5)
เม่ือ sα คือ มุมระหวางพืน้ราบกบัแนวลําแสงอาทิตย [22]
![Page 12: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/12.jpg)
20
2.8 การวัดประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดสียอม
เม่ืออิเล็กตรอนท่ีสูญเสียพลังงานใหกับวงจรภายนอกไดกลับเดินทางคืนมาสูเซลลผานทางข้ัวเคานเตอรอิเล็กโทรด ท่ีถูกเช่ือมกับวงจรภายในของเซลลแสงอาทิตย ผลรวมของกระแสไฟฟา (I) ซ่ึงเปนผลลัพธของสองข้ัวไฟฟา DP III += …….. (2.6)
ซ่ึง PI คือ Photo generated Current และ DI คือ Dark current คากระแสรวมสูงสุดไดรับมาจากเง่ือนไขของ Short-Circuit Current Density ( SCJ ) 0VΔE == ซ่ึงเห็นไดจากกราฟ J-V (Current-Voltage Curve) ภายใตแสงอาทิตย ดังแสดงในรูปท่ี 2.11 สวนคา Open-Circuit Voltages ( OCV ) นั้นจะเปนปฏิภาคกับพลังงานท่ีแตกตางระหวาง ระดับพลังงานเฟอรมิ (Fermi) ของสารกึ่งตัวนําและระดบัพลังงานของ Electrolyte Redox Couple กําลังสูงสุดสามารถคํานวณไดจาก
maxmaxmax VJP ×= ซ่ึงเปนพื้นท่ีส่ีเหล่ียมดังแสดงในรูปท่ี 2.11 และจากจดุท่ีมีกําลังสูงสุด คา Fill Factor (FF) สามารถคํานวณได ซ่ึงเปนขอมูลจากการวัดของคุณภาพของอุปกรณท่ีใช โดยพ้ืนท่ีส่ีเหล่ียมจัตุรัสของกราฟ J-V [34]
OCSCVJ
VJFF maxmax= …….. (2.7)
maxV
scJ
ocV
maxJ
รูปท่ี 2.11 แสดงกราฟ J-V ของเซลลแสงอาทิตยภายใตแสง
![Page 13: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/13.jpg)
21
ประสิทธิภาพ (Efficiency, Eff) ของการแปรผันพลังงานของเซลลแสงอาทิตยสามารถคํานวณไดจากสมการดังนี้ [12]
in
OCSC
inff P
FFVJPVJ
E == maxmax …….. (2.8)
โดย inP คือ ผลรวมของกําลังท่ีแผรังสีตกกระทบบนเซลลแสงอาทิตย SCJ คือ คากระแสไฟฟาลัดวงจร OCV คือ คาศักยไฟฟาวงจรเปด maxJ คือ คากระแสไฟฟาท่ีทําใหมีกําลังสูงสุด maxV คือ คาศักยไฟฟาท่ีทําใหมีกําลังไฟฟาสูงสุด
ทําการทดสอบเซลลแสงอาทิตยโดยการฉายแสงท่ีมีความเขมแสง 100 mW/cm2 หรือ 1,000 W/m2 ในทิศต้ังฉากกับระนาบเซลลแสงอาทิตยท่ีตองการทดสอบ และตองทดสอบภายใตอุณหภมิู 25ºC ทําการตอวงจรดังแสดงในรูปท่ี 2.12 และวดัคากระแสไฟฟาวงจรปดและศักยไฟฟาวงจรเปดออกมา
รูปท่ี 2.12 แสดงวงจรไฟฟาท่ีใชในการวัดคากระแสไฟฟาวงจรปดและศักยไฟฟาวงจรเปด [18]
Power Supply Solar cell Voltmeter
Ammeter
![Page 14: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/14.jpg)
22
2.9 กลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราด (Scanning Electron Microscope, SEM)
ใชอิเล็กตรอนในการสรางภาพขยายเชนเดยีวกับ TEM แตมีความแตกตาง ในรายละเอียดของกระบวนการในการสรางภาพอยางมาก SEM เคร่ืองแรกประดษิฐข้ึนในชวงทศวรรษท่ี 1960 และจากนั้นก็คอยๆ กลายเปนเคร่ืองมือท่ีนําไปประยุกตใชแพรหลายท่ัวไป ท้ังในดานวิทยาศาสตรเทคโนโลยี การแพทย อุตสาหกรรม นิติวิทยาศาสตร โบราณคด ีและอ่ืนๆ อีกหลายดาน
2.9.1 โครงสรางของ SEM
2.9.1.1 แหลงกําเนิดอิเล็กตรอน ( Electron Gun) ทําหนาท่ีเปนแหลงกําเนิดอิเล็กตรอนอิสระแกระบบเพื่อใชในกระบวนการสรางภาพท่ีมี
กําลังขยายสูง [23]
2.9.1.2 เลนสควบคุมลําแสงอิเล็กตรอน (Electromagnetic Lens)
สามารถแบงได 2 สวนคือเลนสคอนเดนเซอร (Condenser Lens) และเลนสวัตถุ (Objective Lens) ทําหนาท่ีเกี่ยวกับการควบคุมทิศทางการเคล่ือนท่ีของอิเล็กตรอนท่ีถูกยิงมาจากปนอิเล็กตรอน
2.9.1.3 ขดลวดควบคุมการเคล่ือนของลําแสงอิเล็กตรอน (Scan Coil) ทําหนาท่ีในการกราดลําอิเล็กตรอนท่ีผานมาจากชุดเลนสควบคุมลําแสงอิเล็กตรอนใหไป
ยังพื้นผิวของชิ้นงานท่ีเราตองการศึกษา
2.9.1.4 ชองตัวอยาง (Specimen Chamber) ใชสําหรับใสช้ินงานท่ีเราตองการศึกษา ซ่ึงช้ินงานท่ีเราตองการศึกษาตองมีขนาดเล็กมาก
โดยจะตองติดช้ินงานลงบนเทปคารบอน (Carbon Tape) ท่ีติดบนสตัฟฟ (Stuff) ท่ีทําจากกอนทองเหลืองทรงกระบอกอีกทีหนึ่ง
2.9.1.5 อุปกรณรวบรวมสัญญาณ (Collector & Scintillator ) ทําหนาท่ีในการรวบสัญญาณท่ีเกดิจากอิเล็กตรอนท่ีหลุดออกมาจากผิวช้ินงาน ซ่ึงมีอยู
หลายชนิด แตก็มีสัญญาณหลักๆ อยู 2 ชนิด คือ อิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจิงกลับ
![Page 15: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/15.jpg)
23
2.9.1.6 อุปกรณสรางภาพและถายภาพ (Imaging Photographic Devices) ทําหนาท่ีในการประมวลผลสัญญาณท่ีไดจากอุปกรณรวมสัญญาณ แลวทําการสรางภาพ
ออกมา ซ่ึงภาพท่ีไดจะเปนภาพท่ีเกดิจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจงิกลับเปนหลักนอกจากนี้ภาพท่ีไดยังเปนภาพท่ีมีกําลังขยายสูง ซ่ึงองคประกอบของ SEM ดังแสดงในรูปท่ี 2.13
รูปท่ี 2.13 แสดงองคประกอบภายในของ SEM [23]
![Page 16: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/16.jpg)
24
2.9.2 หลักการทํางานของ SEM เร่ิมตนจากปนอิเล็กตรอนจะทําการยิงอิเล็กตรอนอิสระออกมา จากนัน้อิเล็กตรอนจะถูกให
เคล่ือนท่ีลงตามคอลัมนซ่ึงอยูสภาพสุญญากาศ มีความตางศักยเรง (Accelerating Voltage) ในชวง 0-30 kV (บางเคร่ืองอาจทําไดสูงถึง 50 kV) โดยทิศทางการเคล่ือนท่ีจะถูกควบคุมดวยเลนสแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Lens) 2 ชุด หรือมากกวา และปริมาณของอิเล็กตรอนจะถูกควบคุมดวยแอพเพอรเจอร (Aperture) หรือชองเปด ท่ีมีขนาดตางกันตามลักษณะการใชงาน
เลนสแมเหล็กไฟฟาชุดแรกท่ีเรียกวาเลนสคอนเดนเซอร (Condenser Lens) นับวาเปนอุปกรณท่ีสําคัญท่ีสุดสําหรับการควบคุมทัศนศาสตรอิเล็กตรอน (Electron Optics) เพราะเปนเลนสท่ีทําหนาท่ีบีบอิเล็กตรอนท่ีวิง่มาจากแหลงกําเนิดใหเปนลําท่ีมีขนาดพืน้ท่ีหนาตัดเล็กลง สวนเลนสวัตถุ (Objective Lens) ซ่ึงเปนเลนสชุดสุดทาย จะทําหนาท่ีโฟกัสลําอิเล็กตรอน (Electron Beam) ใหไปตกบนผิวของตัวอยาง โดยมีสแกนคอยล (Scan Coil) ทําหนาท่ีกราดลําอิเล็กตรอนใหไปบนผิวของตัวอยางภายในกรอบพืน้ท่ีส่ีเหล่ียมเล็กๆ ดังแสดงในรูปท่ี 2.14 ซ่ึงจะควบคุมการกวาดของลําอิเล็กตรอนใหกวาดจากทางซายไปขวา เม่ือสุดก็เล่ือนลงอีกช้ันและกวาดจากซายไปขวาอีกคร้ัง เปนเชนนี้จนครบเฟรม (Frame) การกวาดลําอิเล็กตรอนเชนนี้เรียกวาราสเตอรสแกน (Raster Scan) และเม่ือครบเฟรมแลวก็จะไปเร่ิมสแกนท่ีจกุแรกใหม ซ่ึงในการกวาดลําอิเล็กตรอนแตละเฟรมจะถูกกําหนดจํานวนจุดและแถวไวอยางแนนอน โดยในภาพ 1 เฟรม ตามเสนตามแนวนอนจะประกอบดวยจุด 1,000 จุด และมีเสนท้ังหมด 1,000 เสน
พื้นผิวตัวอยางท่ีอิเล็กตรอนตกใส จะเกดิสัญญาณอิเล็กตรอนข้ึนหลายรูปแบบซ่ึงคลายกับการที่แสงตกกระทบวัตถุและสะทอนออกจากผิววัตถุ ในท่ีนี้ถากลาวอยางงายๆ ถาผิวตัวอยางเรียบก็จะใหสัญญาณสะทอนอิเล็กตรอนไดดี แตถาผิวตัวอยางเปนหลุมลึกก็จะไมใหสัญญาณหรือใหไดนอย ซ่ึงเราสามารถรับสัญญาณไดโดยใชเคร่ืองรับสัญญาณ (Detector) ท่ีเหมาะสมกับชนิดของสัญญาณท่ีมีอยูมากมาย ซ่ึงมีสัญญาณหลักๆ อยู 2 ชนิด คือ [24]
อิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary Electron, SE) สัญญาณชนิดนี้จะใหขอมูลท่ีเกี่ยวของกับลักษณะพ้ืนผิวของตัวอยาง เปนสัญญาณท่ีถูกนํามาใชในการสรางภาพมากท่ีสุด โดยภาพท่ีไดจากสัญญาณชนิดนี้ เรียกวาภาพอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary Electron Image, SEI)
อิเล็กตรอนกระเจิงกลับ (Back Scattered Electrons, BSE) สัญญาณชนิดนี้จะใหขอมูลท่ีเกี่ยวกับสวนประกอบทางเคมีบนผิวของตัวอยาง และแสดงใหเห็นลักษณะความสูงตํ่าของพื้นผิว
นอกจากสัญญาณเหลานีแ้ลว ยังมีสัญญาณอีกหลายชนดิท่ีเกิดข้ึน เชน เอ็กซเรย (X-Ray) คล่ืนแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Wave) ออเจอรอิเล็กตรอน (Auger Electron) เปนตน ซ่ึงสัญญาณแตละชนิดจะใหขอมูลของตัวอยางแตกตางกันไป
![Page 17: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/17.jpg)
25
สัญญาณท่ีไดจะนํามาขยายใหมีความแรงท่ีเหมาะสมแลวนํามาสรางภาพ สําหรับเทคนิคในการสรางภาพนั้น ถาเราใชจอหลอดรังสีแคโทด (Cathode Ray Tube, CRT) เพื่อแสดงภาพ ในหลอดรังสีแคโทดจะมีการสรางลําอิเล็กตรอนและถูกบีบใหเปนลําเล็กๆ แตมีเสนผานศูนยกลางใหญกวาในกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราดมาก กลาวคือในกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราดลําอิเล็กตรอนมีขนาดศูนยกลางในระดับนาโนเมตร คืออาจตํ่าถึงระดับ 5 นาโนเมตรหรือตํ่ากวา แตในจอ CRT มีขนาดศูนยกลางประมาณ 0.1 เซนติเมตร เม่ือพิจารณาอัตราสวนของลําอิเล็กตรอนของกลองตอ CRT จะพบวาหางกันถึง 20,000 เทา ทําใหเกิดอัตราสวนของกําลังขยายท่ีจะใหภาพท่ีมีรายละเอียดไดดี
การสแกนใน CRT จะถูกควบคุมใหมีการสแกนแบบราสเตอรสแกน พรอมๆ กับการสแกนของลําอิเล็กตรอนในกลอง ขณะเดียวกนัความสวางของจุดอิเล็กตรอนใน CRT จะข้ึนอยูกับความแรงของสัญญาณจากแอมปลิไฟเออร (Amplifier) ท่ีขยายสัญญาณจากเคร่ืองวดั รับสัญญาณอิเล็กตรอนในกลอง ถาสัญญาณแรงกจ็ะใหความสวางของลําอิเล็กตรอนมาก เม่ือสงลงบนจอของ CRT ก็จะปรากฏเปนจุดสวาง ในทางกลับกันถาสัญญาณเบากจ็ะไดจดุท่ีมีความสวางนอย บนจอก็จะปรากฏเปนจุดสวางนอยดวย
บนจอ CRT จะทําการเรียงจุดของสัญญาณท่ีไดนี้ใหเปนแถวจนครบเฟรมก็จะไดเปนภาพออกมา ซ่ึงถาบนจอ CRT มีขนาดกวางและยาวเปน 20 cm และเรากําหนดการกวาดลําอิเล็กตรอนในกลองให 1 เฟรมมีพื้นท่ีขนาด กวางยาวเปน 20 cm ดวยอัตราสวนการขยายของภาพก็จะเปน 1 เทา แตถาเราใหการกวาดลําอิเล็กตรอนในกลองเปนพื้นท่ี 1x1 cm2 ก็จะขยายภาพเปน 20 เทา แตในความเปนจริงขนาดของการสแกน 1 เฟรมในกลองอาจควบคุมใหเล็กมากถึงระดับไมโครเมตรโดยท่ีการสแกนบนหนาจอยังเทาเดิม ดังนัน้การขยายจึงสามารถทําไดถึงระดับหม่ืนเทาเลยทีเดยีว
![Page 18: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/18.jpg)
26
รูปท่ี 2.14 แสดงลักษณะการทํางานของเคร่ืองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราด [25]
2.10 เคร่ืองสเปกโทรสโคปพลังงานกระจาย (Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)
เคร่ือง EDS จะติดต้ังคูกับกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองกราด เพื่อใชวิเคราะหองคประกอบทางเคมีของตัวอยางท่ีตองการศึกษา โดย EDS เปนเทคนิคในระดับโครงสรางไมโคร (Microstructure) ท่ีมีพื้นฐานมาจากลักษณะเฉพาะของเอ็กซเรย ซ่ึงกอใหเกิดยอดคล่ืนเม่ือลําอิเล็กตรอนพลังงานสูงกระทบกับตัวอยาง เนื่องจากธาตุแตละชนดิจะใหลายพิมพของสเปคตรัมท่ีมีลักษณะเฉพาะจึงใชระบุชนิดของธาตุท่ีมีอยูในตัวอยางได ความหนาแนนของยอดสเปคตรัมอาจใชหาความเขมขนของธาตุแตละชนิดในตัวอยาง สัญญาณเอ็กซเรยจะถูกตรวจจับโดยหวัวดัซิลิกอนลิเทียม (Silicon-lithium) การสรางใหมีประสิทธิภาพตองต้ังคาหัววัดในระดับตํ่ากวาเลขอะตอมของธาตุท่ีจะนํามาวัด โดยท่ัวไปธาตุท่ีหนักกวาคารบอน (Z=5) จะสามารถตรวจวดัได ซ่ึงรูปท่ี 2.15 จะแสดงองคประกอบของเคร่ืองเอกซเรยแบบกระจายพลังงาน [26] หลักการทํางานของเคร่ืองนี้คือเม่ืออิเล็กตรอนชนกับตัวอยางจะเกิดการถายเทพลังงานทําใหอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานสูงข้ึน หากพลังงานนั้นมากพอจนสามารถเอาชนะแรงยึดเหน่ียวของนิวเคลียสได อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมกลายเปนอิเล็กตรอนอิสระ อิเล็กตรอนในระดับ
![Page 19: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/19.jpg)
27
พลังงานสูงกวาจะเขามาแทนท่ีและปลดปลอยพลังงานสวนเกินออกมาในรูปของรังสีแมเหล็กไฟฟา เรียกวา รังสีเอกซ ดังแสดงในรูปท่ี 2.16
รูปท่ี 2.15 แสดงองคประกอบของเคร่ืองเอกซเรยแบบกระจายพลังงาน [27]
รูปท่ี 2.16 แสดงการเปล่ียนช้ันพลังงานของอิเล็กตรอนภายในอะตอมสงผลใหเกิดรังสีเอ็กซ [28]
EX-ray
L
M E
(ก
(ข
O
K
(ค
(ก)
(ข)
(ค)
![Page 20: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/20.jpg)
28
2.11 กลองจุลทรรศนแรงอะตอม (Atomic Force Microscopy, AFM)
กลองจุลทรรศนแรงอะตอมเปนเคร่ืองมือท่ีใชในการถายภาพพื้นผิวของสสารในสถานะเปนของแข็งหรือแมกระท่ังของเหลวท่ีอยูในบริเวณเล็ก ๆ ในระดับ μm ลงไปจนถึง nm เคร่ือง AFM ศึกษาลักษณะของสสารดานตาง ๆ เชน Abrasion, Adhesion, Cleaning, Corrosion, Etching, Friction, Lubrication, Plating และ Polishing เปนตน
AFM จะประกอบดวยเข็มขนาดเล็กหรือโพรบวัดปลายแหลม (Tip) ซ่ึงนิยมทําจาก Si, Si3O4 และ Si3N4 ติดอยูท่ีปลายคานขนาดเล็ก (Cane Lever) แรงระหวางโพรบวัดปลายแหลมและพ้ืนผิวช้ินงานมีคานอยมาก มักจะนอยกวา 10-9 N เนื่องจากแรงมีคานอยมาก ดังนั้นระบบจะไมวัดคาแรงโดยตรง แตจะอาศัยแสงเขาไปตกกระทบและสะทอนจากกระจกซ่ึงอยูดานหลังของคาน เม่ือคานเอียงหรือกระดกข้ึน-ลง จะทําใหตําแหนงท่ีแสงสะทอนจากกระจกดานหลังคานเขาสูโฟโตดีเทคเตอร (Photo Detector) จะตางกัน ซ่ึงการเปล่ียนแปลงของคานเพียงเล็กนอยจะทําใหเกิดการเปล่ียนแปลงทิศทางของแสงสะทอนเปนอยางมาก ดังแสดงในรูปท่ี 2.17
รูปท่ี 2.17 แสดงลักษณะการทํางานของกลองจุลทรรศนแรงอะตอม [29] แรงระหวางอะตอมท่ีอยูบนปลายโพรบวัดปลายแหลมและช้ินงานหรือแรงอะตอมนี้จะหมายถึง แรงแวนเดอรวาลส (Van der Waals Force) แรงนี้จะเปนไดท้ังแรงดูด (-) และแรงผลัก (+) ข้ึนอยูกับระยะหางระหวางโพรบวัดปลายแหลมและช้ินงาน
![Page 21: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/21.jpg)
29
ความสัมพันธระหวางพลังงานศักย u(r) และแรง F(r) ตอระยะทาง r สามารถแสดงไดโดย Lennard Jones Potential ดังแสดงในรูปท่ี 2.18
รูปท่ี 2.18 แสดงความสัมพนัธระหวางพลังงานศักยกับแรงแวนเดอรวาวสตอระยะหางระหวาง โพรบวัดปลายแหลมและช้ินงาน [30]
เม่ือ r0 คือ ระยะสมดุลของอะตอม (Equilibrium Distance) ε คือ คาพลังงานยึดเหน่ียว (Binding Energy) พลังงานศักยระหวางอะตอมนี้เปนสมการโดยประสบการณ (Empirical) ซ่ึงแสดง
ความสัมพันธดังสมการ 12 6
0 0( ) 2r ru rr r
ε⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
.…….. (2.9)
สามารถเขียนใหอยูในรูปเทอมของแรงระหวางอะตอมได ( )( ) du rF r
dr= − ……. (2.10)
หรือ 12 6
0 012( ) r rF rr r rε ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦ ……. (2.11)
AFM มีโหมดการทํางานท้ังส้ิน 3 โหมดดงัแสดงในรูปท่ี 2.19 คือ แบบสัมผัส (Contact
Mode) แบบไมสัมผัส (Non-Contact Mode) และแบบกึ่งสัมผัส (Tapping Mode หรือ Intermittent Mode) โดยมีรายละเอียดดังนี้
![Page 22: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/22.jpg)
30
2.11.1 โหมดแบบสัมผัส โหมดแบบสัมผัสจะใชกับช้ินงานท่ีมีพื้นผิวแข็งโดยโพรบวัดปลายแหลมติดอยูกับช้ินงาน
แรงท่ีเกิดกับโพรบวัดปลายแหลมจะเปนแรงผลักมีคาโดยเฉล่ียประมาณ 10-9 N ในโหมดนี้ AFM จะอาศัยระบบ Feedback Control ควบคุมตําแหนงของโพรบวัดปลายแหลม โดยระบบจะเพ่ิมหรือลดความตางศักยท่ีใหแกผลึกเพยีโซที่ใชควบคุมระดับของคานเพื่อใหคานน้ันสัมผัสผิวช้ินงาน ซ่ึงความตางศักยท่ีจายใหกับสารเพียโซนี้จะเปนตัวแสดงลักษณะของพื้นผิว เนื่องจากโพรบวัดปลายแหลมอยูใกลช้ินงานมากเทาไหร Resolution จะยิ่งมากข้ึน ดังนัน้โหมดแบบสัมผัสจึงเหมาะกับการใชงานในระดบั Atomic Scale มากท่ีสุด แตการใชงานของโหมดแบบสัมผัสจะมีขอเสียคือหากใชกับวัสดุท่ีออนจะทําใหผิวหนาของช้ินงานถูกทําลายได
2.11.2 โหมดแบบไมสัมผัส การทํางานในโหมดแบบไมสัมผัสนี้โพรบวัดปลายแหลมจะไมสัมผัสกับพื้นผิวของชิ้นงาน
จึงนิยมใชกับงานท่ีออน ขณะใชงานโพรบวัดปลายแหลมจะอยูเหนือช้ืนงานในระยะ 50–150 oA จะ
มีแรงแวนเดอรวาวส ซ่ึงเปนแรงดึงดูดระหวางโพรบวัดปลายแหลมและช้ินงาน โหมดนี้แรงระหวางโพรบวัดปลายแหลมกับช้ินงานจะมีคานอยกวาโหมดแบบสัมผัส
การทํางานของโหมดน้ีโพรบวัดปลายแหลมจะส่ัน ซ่ึงจะทําใหสามารถวัดแรงระหวางหัวโพรบวัดปลายแหลมและพ้ืนผิวช้ินงานไดจากการเปล่ียนแปลงของแอมปลิจูด เฟส รวมไปถึงความถ่ีในการส่ันของคาน ขอมูลเหลานี้จะข้ึนอยูกับลักษณะของพืน้ผิวซ่ึงจะถูกนํามาใชสรางภาพ แตสําหรับการใชงานท่ีตองการความละเอียดสูง การใชโหมดแบบไมสัมผัสอาจเกิดการผิดพลาดข้ึนไดเนื่องจากโดยปกติแลวพืน้ผิวของช้ินงานจะมีช้ันของน้ําและสารอื่นเคลือบอยูซ่ึงจะมีผลตอคาแรงแวนเดอรวาลส ท่ีวัดได
2.11.3 โหมดแบบก่ึงสัมผัส การทํางานในโหมดนี้จะใชกับงานท่ีตองการความละเอียดสูง สําหรับช้ินงานท่ีงายตอการ
เกิดความเสียหาย โหมดแบบกึ่งสัมผัสสามารถแกปญหาท่ีเกิดข้ึนจากแรงเสียดทานจลน (Friction Force) และแรงเสียดทานสถิต (Electrostatic Force) การทํางานของโหมดน้ีจะมีการวางโพรบวัดปลายแหลมสัมผัสกับพื้นผิวช้ินงาน เพื่อใหไดภาพท่ีมีความละเอียดสูงและมีการยกโพรบวัดปลายแหลมข้ึนเพื่อทําการเล่ือนไปยังตําแหนงอ่ืน ในโหมดแบบกึ่งสัมผัสนี้คานจะส่ันดวยความถ่ีส่ันพอง (Resonance Frequency) คานจะส่ันดวยความถ่ี 50,000 ถึง 500,000 รอบตอวินาที โดยจะส่ันดวยแอมปลิจูดสูงเม่ือโพรบวัดปลายแหลมไมไดสัมผัสกับพื้นผิวช้ินงาน จากน้ันเม่ือเล่ือนโพรบวัดปลาย
![Page 23: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/23.jpg)
31
แหลมเขาใกลช้ินงานและแตะท่ีช้ินงานจะทําใหแอมปลิจูดของการส่ันลดลง การลดลงของแอมปลิจูดของคานน้ีจะแสดงถึงลักษณะพ้ืนผิว
รูปท่ี 2.19 แสดงการทํางานท้ัง 3 โหมดของ AFM [30]
2.12 การระเหยสารดวยความรอนในระบบสุญญากาศ (Thermal Evaporation in Vacuum)
การเตรียมฟลมดวยวิธีการระเหยเปนไอกระทําในแชมเบอร (Chamber) ท่ีเปนสุญญากาศความดันประมาณ 10-5 Torr โดยวางแผนรองรับไวเหนือแหลงกําเนิดไอของวัสดุท่ีจะทําเปนฟลมบาง เพื่อใหไดไอไปจับทําใหเกิดเปนฟลมบางข้ึนบนแผนรองรับ ซ่ึงมีอุปกรณตาง ๆ ดังแสดงในรูปท่ี 2.20
รูปท่ี 2.20 แสดงสวนประกอบของเคร่ือง Vacuum Evaporator [31]
Pressure 10-4-10-5 mbar
![Page 24: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/24.jpg)
32
ในการทําใหเกิดไอของวตัถุนั้น อาศัยพลังงานความรอนของกระแสไฟฟา โดยใชเสนลวด (Filament) หรือแผนรองสาร (Boat) เปนตัวเปล่ียนพลังงานไฟฟาเปนพลังงานความรอน เนื่องจากเสนลวดท่ีใชจะมีความตานทานสูง เม่ือเราปลอยกระแสไฟฟาเขาไปในเสนลวดความตานทานของเสนลวดท่ีสูงกจ็ะทําใหกระแสไหลผานไดยากจนเกดิเปนพลังงานความรอนข้ึน ทําใหโลหะท่ีเตรียมไวเพื่อใชทําฟลมบาง (Thin Film) ซ่ึงใสไวภายในเสนลวด เกิดการหลอมเหลวและระเหยกลายเปนไอในท่ีสุดและเน่ืองจากภายในแซมเบอรนัน้มีความดนัตํ่ามาก ดังนั้น Mean Free Path ของไอท่ีเกิดข้ึนจะมีคามากเม่ือเปรียบเทียบกับขนาดของแซมเบอร จึงถือไดวาการเคล่ือนท่ีของไอท่ีออกมาจากแหลงกําเนิดนั้นจะมีแนวการเคล่ือนท่ีท่ีเปนเสน และเม่ือไอเหลานี้วิ่งมาชนกับสารท่ีเตรียมไว (Sample) จะเกิดการจับตัวกนัเพื่อกอ (Form) ตัวเปนฟลมบางข้ึนมาบนสารท่ีเตรียมไว
2.13 อัลตราไวโอเลตวิสิเบิลสเปกโทสโคป (Ultraviolet-Visible Spectroscopy, UV-VIS Spectroscopy)
UV-VIS Spectroscopy เปนเทคนิคท่ีใชสําหรับการวิเคราะหเชิงปริมาณของสารอินทรีย ซ่ึงในปจจุบันเปนเทคนิคท่ีนยิมใชกันอยางแพรหลาย และไดกลายมาเปนเคร่ืองมือในวิเคราะหท่ีสําคัญท่ีใชปจจุบัน เทคนิคนี้เปนเทคนิคท่ีงาย ประยุกตใชไดกวาง มีความรวดเร็ว และมีความแมนยําสูง อีกท้ังยังเปนเทคนิคท่ีใชคาใชจายไมสูงอีกดวย
เทคนิคนี้เลือกใชแสงในชวงอัลตราไวโอเลต (ความยาวคล่ืน 10-380 nm) และชวงท่ีตามองเห็น (ความยาวคล่ืน 380-700 nm) ของคล่ืนแมเหล็กไฟฟามาใชในการวิเคราะห โดยอาศัยกระบวนการดดูกลืนและการสงผานของแสง เร่ิมจากเม่ือแสงผานไปยงัตัวอยาง ตัวอยางจะมีการดูดกลืนแสงบางสวนไวและแสงท่ีไมถูกดดูกลืนกจ็ะสามารถผานตัวอยางออกไปได ขอมูลท่ีไดจากชวงอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet, UV) และชวงท่ีตามองเห็น (Visible) นั้นอาจใชในการชวยยนืยนัขอมูลท่ีไดจากชวงอินฟราเรด (Infrared, IR) หรือขอมูลท่ีไดจากการวิเคราะหดวยเทคนิคอ่ืน ท่ีตางกันแตจะไมสามารถใชระบุชนิดของสารไดอยางถูกตอง ดังนั้นเทคนิคนี้ในการใชเกือบท้ังหมดจะถูกใชในการวิเคราะหเชิงปริมาณ ในการหาปริมาณสารท่ีตองการจะวิเคราะหในตัวอยางตาง ๆ ซ่ึงโดยท่ัวไปอยูในรูปสารละลาย [32]
การวิเคราะหเชิงปริมาณของเทคนิคนี้อาศัยหลักการวิเคราะหตามกฎของ เบียร–แลมเบิรต (Beer-Lambert's Law) หรือเรียกส้ัน ๆ วา กฎของเบียร ซ่ึงมีใจความดงันี้ “สัดสวนของรังสีท่ีมีความยาวคล่ืนเดียวท่ีถูกดูดกลืนโดยตัวกลางท่ีเปนเนื้อเดยีวกนั จะเปน Exponential Function ของความเขมขนของสารท่ีดูดกลืนรังสีและความยาวของเสนทางท่ีรังสีผานสารตัวอยาง” หรืออาจกลาวไดวา
![Page 25: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/25.jpg)
33
เม่ือผานลําแสงท่ีมีความเขม 0I ไปยังเนื้อสารท่ีมีความหนา b cm โฟตอนของคล่ืนแสงจะเกิดอันตรกิริยากับอะตอมหรือโมเลกุลของสารทําใหความเขมของคล่ืนแสงลดลงจาก 0I เปน I ( I เปนพลังงานของคล่ืนแสงท่ีเหลือออกมา) [33]
0
ITI
= ……. (2.12)
0
log IA bCI
ε= = ……. (2.13)
เม่ือ A คือ absorbance หรือ Optical Density T คือ คาการสงผานแสงของสาร (Transmittance) I คือ ความเขมของรังสีท่ีผานตัวกลางแลว (Intensity of Transmitted Light) 0I คือ ความเขมของรังสีท่ีกระทบตัวกลาง (Intensity of Incident Light) b คือ ความหนาของสารละลาย หนวยเปน เซนติเมตร (Path Length of Sample หรือ Cell Length) C คือ ความเขมขนของสารละลาย หนวยเปน mol/dm3 หรือ mol/L หรือ Molar ε คือ Molar Absorptivity เปนสมบัติอยางหน่ึงของโมเลกุล คานี้จะระบุวา สารแตละตัวมีพื้นท่ีท่ีจะดดูกลืนรังสีไดมากหรือนอยตอ 1 mol
การเปล่ียนสภาวะของอิเล็กตรอน (Electron Transition) จะมีคา ε อยูในชวง 0-106 ถา ε
มีคาต้ังแต 104 ข้ึนไป หมายความวาสารประเภทนั้นมีคาความเขมของรังสีท่ีดูดกลืนอยูในระดับท่ีสูง (Strong Absorption) และถา ε มีคาตํ่ากวา 104 จัดวาสารประเภทนัน้มีคาความเขมท่ีรังสีท่ีดูดกลืนอยูในระดับปานกลาง (Medium Absorption) แตถาε มีคาตํ่ากวา 10–100 จัดวาสารนัน้มีคาความเขมท่ีรังสีดูดกลืนอยูในระดับท่ีนอย (Weak Absorption) (หมายเหตุ สําหรับ Forbidden Transition จะมีคา ε อยูระหวาง 100-1000)
![Page 26: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/26.jpg)
34
เนื่องจาก Spectrophotometer อาจจะวัดคาออกมาเปน Absorbance (Abs) หรือ Transmittance (%T) จึงอาจใชสมการตอไปนี้คํานวณกลับไป–มาได ดงันี้ กําหนดให
0
ITI
= ……. (2.14)
และ %T เทากับ
0
% 100ITI
= × ……. (2.15)
ดังนั้น
0
1log logIA bCI T
ε= = = ……. (2.16)
หาก A เปล่ียนคาจาก ∞ ถึง 0 สวน T จะเปล่ียนคาจาก 0 ถึง 1 และ %T จะเปล่ียนคาจาก 0
ถึง 100 เราเขียนสมการแสดงความสัมพันธระหวาง Abs และ %T ไดเปน
100log%
AT
= ……. (2.17)
และ % 100 %A T= − ……. (2.18)
ในกรณีท่ีสารตัวอยางเปนฟลมท่ีหนามากจนแสงไมสามารถทะลุผานไดจะใชการวดัรอยละ
ของแสงท่ีสะทอนออกจากสารตัวอยางโดยพิจารณาดังรูปท่ี 2.21
รูปท่ี 2.21 แสดงเสนทางเดนิของแสง เม่ือวัดฟลมแบบรอยละการสะทอน [33]
![Page 27: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/27.jpg)
35
เคร่ืองจะวดัดวยคา Transmittance ของความเขมแสงเร่ิมตนและสุดทายเทานั้น
=T0II ……. (2.19)
สําหรับแสงท่ีตกกระทบและสะทอนกลับจะสามารถวัดเปนคา Reflectance สวนแสงท่ีทะลุฟลมออกไปจะสามารถวัดเปนคา Transmittance ไดและแสงท่ีดดูกลืนไปโดยฟลมตัวอยางจะสารมารวัดเปนคา Absorption ได R + T + A = 1 ……. (2.20) คา Reflectance ของฟลมตัวอยางจะหมายถึงคา Transmittance ท่ีเคร่ืองวัดได ดังนั้นสามารถเขียนไดวา Abs. = - log R = - log (
0II ) ……. (2.21)
ดังนั้นสามารถแปลงคา %R เปนคา Absorbance ไดโดยใชความสัมพันธ Abs. = - log (%R/100) ……. (2.22)
UV-VIS Spectroscopy เปนการวดัพลังงานท่ีถูกดูดกลืนเม่ืออิเล็กตรอนถูกกระตุนใหเล่ือนระดับช้ันพลังงานไปอยูในระดับช้ันพลังงานท่ีสูงข้ึน (Electronic Transition) เนื่องจากเปนปรากฏการณการกระตุนอิเล็กตรอน ดังนั้นบางคร้ังจึงเรียก UV-VIS Spectroscopy วา Electronic Spectroscopy ปกติชวง UV จะมีความยาวคล่ืนประมาณ 10-380 nm แตการวิเคราะหโดยเคร่ือง UV Spectrum จะใชความยาวคล่ืนในชวง 200-380 nm ซ่ึงเรียกวา "Near-Ultraviolet Region" ในชวงความยาวคล่ืนตํ่ากวา 200 nm อากาศจะดูดกลืนรังสีในชวงนี ้ จึงตองวัดสเปคตรัมภายใตสุญญากาศ เราจึงเรียกความยาวคล่ืนของ UV ในชวงนี้วา "Vacuum-Ultraviolet Region" สวนความยาวคล่ืนท่ีเราสามารถมองเห็นไดดวยตาเปลาหรือเรียกวา "Visible Region" จะเปนสเปคตรัมในชวงประมาณ 380-780 nm ซ่ึงจะปรากฏเปนสีตางๆ ดังแสดงในรูปท่ี 2.22
รูปท่ี 2.22 แสดง Electromagnetic Spectrum [35]
![Page 28: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/28.jpg)
36
2.13.1 สวนประกอบของ UV-VIS Spectrophotometer UV-VIS Spectrophotometer มีอุปกรณท่ีเปนสวนประกอบท่ีสําคัญของอยูหลายอยางดัง
แสดงในรูปท่ี 2.23
รูปท่ี 2.23 แสดงโครงสรางของเคร่ือง UV-VIS Spectrophotometer [36]
2.13.1.1 แหลงกําเนิดรังสี (Source) แหลงกําเนิดรังสีใน UV-VIS Spectrophotometer ท่ีนิยมใชกันแพรหลายไดแก 1. หลอดไฮโดรเจนและหลอดดิวทีเรียมความดันตํ่า เปนแหลงกําเนิดรังสีตอเนื่องท่ีดีท่ีสุด
ต้ังแตชวงความยาวคล่ืนประมาณ 160-360 nm มีท้ังประเภทใชความตางศักยไฟฟาสูง (2,200-6,600 Volts) และประเภทใชศักดิ์ไฟฟาตํ่า (ประมาณ 40 Volts) หลอดชนดินี้ใหรังสีท่ีมีความเขมสูงจนถึงความยาวคล่ืนประมาณ 360 nm หลังจากนัน้ความเขมของรังสีจะลดลงอยางรวดเร็ว
2. หลอดทังสเตน ประกอบดวยลวดทังสเตนอยูในหลอดสุญญากาศซ่ึงใหรังสีท่ีมีความยาว คล่ืนต้ังแตชวง UV ใกล ชวงแสงท่ีแลเห็นไดจนถึงชวง IR
2.13.1.2 โมโนโครเมเตอร (Monochromator) เปนช้ินสวนท่ีสําคัญในการกาํหนดคุณภาพของ UV-VIS Spectrophotometer ซ่ึงทําหนาท่ี
แยกลํารังสีท่ีมีความยาวคล่ืนตอเนื่องใหออกมาเปนลํารังสีความยาวคล่ืนเดียว ในชวงแสงท่ีตามองเห็นอาจใชปริซึมแกว สวนในชวงอัลตราไวโอเลตจําเปนตองใชปริซึมท่ีทําดวยควอตซสําหรับ
Source
Monochromator Sample
First Bounce Mirror Second Bounce Mirror
![Page 29: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/29.jpg)
37
UV-VIS Spectrophotometer ท่ีมีราคาแพง มักใช Monochromator แบบ Diffraction Grating ซ่ึงเปนอุปกรณท่ีมีรองเปนจํานวนมากและความกวางของรองใกลเคียงกับความยาวคล่ืนของรังสี
2.13.1.3 อุปกรณบันทึกสัญญาณ (Recorder) หลังจากท่ีลํารังสีความยาวคล่ืนเดียวผานสารท่ีตองการวดัการดูดกลืนแลว ลํารังสีจะไปท่ี
อุปกรณรับสัญญาณซ่ึงจะใหขอมูลการดดูกลืนออกมา สําหรับ UV-VIS Spectrophotometer ท่ีมีราคาถูก ขอมูลนี้จะปรากฏออกมาในรูปการบายเบนของเข็มบนหนาปดมิเตอร หรือปรากฏเปนตัวเลขก็ได ในกรณีเชนนี้ตองบันทึกขอมูลเหลานี้สําหรับแตละความยาวคล่ืนในกระดาษกราฟเสนท่ีเช่ือมจุดตาง ๆ ก็คือสเปคตรัมนั่นเอง สําหรับ UV-VIS Spectrophotometer ท่ีสามารถเปล่ียนความยาวคล่ืนเองโดยอัตโนมัติ จะมีอุปกรณบันทึกสัญญาณอยูดวย สามารถบันทึกออกมาเปนสเปคตรัมไดโดยตรงซ่ึง UV-VIS Spectrophotometer ชนิดนี้มีราคาแพง
2.13.1.4 เซลลบรรจุสารตัวอยาง เนื่องจากแกวธรรมดาดูดกลืนรังสีในชวง UV จึงจําเปนตองใชเซลลท่ีทําดวยควอตซแทน
เพื่อลดการดูดกลืนรังสีในชวงดังกลาว ซ่ึงแผนผังทางเดนิของรังสีเปนดังแสดงในรูปท่ี 2.24
รูปท่ี 2.24 แสดง Block Diagram of a Spectrophotometer [33]
2.13.2 ประเภทของ UV-VIS Spectrophotometer
2.13.2.1 Single-Beam Spectrophotometer รูปท่ี 2.25 แสดงใหเห็นถึงทางเดินของรังสีใน Spectrophotometer แบบลําแสงเดี่ยวสามารถ
วัดสเปกตรัมท้ังในชวงอัลตราไวโอเลตและชวงท่ีตาเรามองเห็น เม่ือลํารังสีออกจากแหลง กําเนดิรังสี ซ่ึงอาจจะเปนหลอดดิวทีเรียมหรือหลอดทังสเตน จะถูกคัดเลือกคาความยาวคล่ืนโดยผานปริซึมหรือเกตติง Monochromator จากนั้นลํารังสีท่ีมีความยาวคล่ืนตางกัน จะผานเขาสูสารตัวอยาง
![Page 30: บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022081617/603bf608fd3af3188c4e256f/html5/thumbnails/30.jpg)
38
แลวจึงเขาสูอุปกรณตรวจรับสัญญาณ ตลอดเสนทางของลํารังสีนี้มีลํารังสีเพียงลําเดียว จึงเรียก Spectrophotometer ประเภทนี้วาแบบลํารังสีเดี่ยว เนื่องจาก Spectrophotometer ประเภทนี้ใชลํารังสีเพียงลําเดยีวผานจาก Monochromator ไปสูสารละลายท่ีตองการวัดลํารังสีนี้จะไปสูอุปกรณตรวจรับสัญญาณเลย การวัดแตละคร้ังจึงตองใชเซลล 2 เซลลใหลํารังสีผานสลับกัน เซลลแรกจะบรรจุตัวทําละลายบริสุทธ์ิ สวนเซลลหลังบรรจุสารละลายท่ีตองการวัด ทุกคร้ังท่ีวัดตองใหรังสีผานเซลลแรก เพื่อปรับคาการดูดกลืนใหเทากับศูนยแลวจงึใหลํารังสีผานเซลล ขอมูลความแตกตางระหวางการดูดกลืนรังสีของท้ัง 2 จะถูกนําไปวิเคราะหและบันทึกเปนสเปคตรัม
รูปท่ี 2.25 แสดงแผนภาพแสดงทางเดินของรังสีใน Spectrophotometer แบบลําแสงเดี่ยว [33]
2.13.2.2 Double-Beam Spectrophotometer Spectrophotometer แบบลําแสงคูซ่ึงใช Monochromator แบบ Doublepass ลํารังสีจาก
แหลงกําเนิด (Light Source) จะถูกแยกออกเปนลํารังสีสองลําท่ีมีความเขมเทากับลํารังสีหนึ่งผานลงไปในเซลที่บรรจุสารละลายของสารอินทรียท่ีเรียกวาเซลลตัวอยาง (Sample Cell) อีกลํารังสีหนึ่งจะผานลงไปเซลที่บรรจุตัวทําละลายบริสุทธ์ิไวท่ีเรียกวาเซลลอางอิง (Reference Cell) ความเขมของลํารังสีท้ังสองท่ีผานออกจากเซลจะถูกเปรียบเทียบเชิงอิเล็กโทรนิคและเคร่ืองบันทึกจะเปล่ียนสัญญาณออกมาเปนสเปคตรัมดังแสดงในรูปท่ี 2.26
รูปท่ี 2.26 แสดงแผนภาพแสดงทางเดินของรังสีใน Spectrophotometer แบบลําแสงคู [33]