page 72 51-54 · หนึ่ง– แบ่งต มลักษณะสัญญ:...
TRANSCRIPT
ดร.ชัญชณา ธนชยานนท์
ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์เชิงฟิสิกส์
หน่วยวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของวัสดุ
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
e-mail: [email protected]
aterials CharacterizationMM
กลอ้งจลุทรรศนเ์ปน็อปุกรณส์ำ�คญัในง�นท�งด�้นวิทย�ศ�สตร์และอ�จใชเ้กณฑ์2แบบจัดแบง่ไดแ้ก่
หนึ่ง–แบ่งต�มลักษณะสัญญ�ณ:กล้องในกลุ่มนี้เช่นOpticalMicroscope(OM)และElectron
Microscope(EM)เป็นต้น
สอง–แบ่งต�มหัววัดสัญญ�ณซึ่งเรียกโดยรวมว่�ProbeMicroscope(PM):กล้องในกลุ่มนี้เช่น
AtomicForceMicroscope(AFM)และScanningTunnelingMicroscope(STM)เป็นต้น
กล้องจุลทรรศน์ในทั้งสองกลุ่มนี้ยังอ�จแบ่งย่อยต่อไปได้อีกต�มลักษณะก�รวิเคร�ะห์ชิ้นง�นเช่น
-วิเคร�ะห์ทีละจุดโดยใช้หัววัดเช่นConfocalOpticalMicroscope(COM)
-ใช้ลำ�อิเล็กตรอนส่องกร�ดบนชิ้นง�นเช่นScanningElectronMicroscope(SEM)
-ใช้หัววัดกร�ดบนชิ้นง�นเช่นScanningProbeMicroscope(SPM)
-ใช้ลำ�อิเล็กตรอนส่องผ่�นชิ้นง�นทีละตำ�แหน่งเช่นTransmissionElectronMicroscope(TEM)
-ฉ�ยแสงลงบนบริเวณที่จะวิเคร�ะห์โดยจุดต่�งๆในบริเวณนี้ได้รับแสงพร้อมกันทั้งหมดเช่นWide
FieldOpticalMicroscope(WFOM)
ภาพที่ 1 ภาพแสดงหลักการทำางานของกล้องจุลทรรศน์บางชนิด [1]
จุลทรรศนศาสตร์
ตอนที่ 1 : ภาพรวม
กลอ้งOMประกอบดว้ยเลนสน์นูสำ�หรบัรวมแสงสอ่งลงบนชิน้ง�นโดยใตช้ิน้ง�นมเีลนสน์นูอย่�งน้อย
2ตัวทำ�หน้�ที่ขย�ยขน�ดของวัตถุต่อเนื่องกันเลนส์ตัวแรกจะสร้�งภ�พขย�ยวัตถุที่กำ�ลังศึกษ�ส่วนเลนส์ตัว
ที่สองถือว่�ภ�พที่ถูกขย�ยเสมือนเป็นวัตถุและขย�ยภ�พนั้นอีกต่อหนึ่งผลลัพธ์ที่ได้จึงเป็นภ�พที่มีกำ�ลังขย�ย
สูงกว่�ก�รใช้เลนส์เพียงตัวเดียว
กล้องTEMใช้หลักก�รสร้�งภ�พขย�ยในลักษณะเดียวกันกับกล้องOMแต่ใช้อิเล็กตรอนและเลนส์
แม่เหล็กไฟฟ้�แทนแสงและเลนส์กระจกต�มลำ�ดับ
กล้องSEMใชเ้ลนส์แมเ่หล็กไฟฟ�้ในก�รรวมลำ�อเิลก็ตรอนให้โฟกสับนผวิของชิน้ง�นและใชก้�รกร�ด
อิเล็กตรอนบนชิ้นง�นในลักษณะคล้�ยก�รกร�ดลำ�อิเล็กตรอนบนจอโทรทัศน์ที่ใชห้ลอดรังสีแคโทด(Cathode
RayTube,CRT)สญัญ�ณทีเ่กดิจ�กอนัตรกริยิ�ระหว�่งชิน้ง�นกบัลำ�อเิลก็ตรอนทีแ่ตล่ะตำ�แหนง่จะเกบ็รวบรวม
โดยตัวรับสัญญ�ณ(สัญญ�ณนี้อ�จเป็นอิเล็กตรอนแสงหรือรังสีเอกซ์ที่จะเกิดพร้อมกัน)จ�กนั้นจะนำ�ไปผ่�น
กระบวนก�รวิเคร�ะห์และแสดงผลต่อไป
กล้องในกลุ่มSPMใช้ก�รกร�ดหัววัดและวัดค่�อันตรกิริย�ระหว่�งหัววัดกับอะตอมของวัสดุ(ได้แก่
AFM)กระแสไฟฟ้�(ได้แก่STM)และแสงเลเซอร์(ได้แก่SNOM)
(ก)OM (ข)TEM (ค)SEM
(ง)AFM (จ)STM (ฉ)SNOM
ภาพที่ 2: ภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์ชนิดต่างๆ ได้แก่
(ก) OM [1] (ข) TEM [2] (ค) SEM [3] (ง) AFM [4] (จ) STM [5] (ฉ) SNOM [6]
มกราคม - มีนาคม 255752
ประเดน็สำ�คญัในวิช�จลุทรรศนศ�สตร์(microscopy)ซึง่เกีย่วขอ้งกบัก�รถ�่ยภ�พขย�ยให้มีคุณภ�พ
ดีและมีคว�มถูกต้องในเชิงวิทย�ศ�สตร์ได้แก่คว�มส�ม�รถในก�รแยกแยะหรือค่�กำ�ลังแยกแยะ(resolu-
tion)ซึ่งหม�ยถึงคว�มส�ม�รถในก�รแยกจุด2จุดที่อยู่ใกล้กันณกำ�ลังขย�ยต่�งๆดังนั้นกล้องจุลทรรศน์
ที่ดีจะต้องส�ม�รถแยกแยะจุด2จุดที่อยู่ใกล้กันเมื่อใช้กำ�ลังขย�ย(magnification)สูงสุดเช่นแยกภ�พของ
อะตอมที่อยู่ติดกันออกให้ได้อย่�งชัดเจนเป็นต้น
ในกรณีของOMและTEMคว�มส�ม�รถในก�รแยกแยะจะขึ้นอยู่กับคว�มย�วคลื่นของสัญญ�ณที่
ใช้โดยคว�มย�วคลื่นสั้นจะให้ค่�กำ�ลังแยกแยะที่ละเอียดกว่�(ค่�กำ�ลังแยกแยะที่ละเอียดกว่�ณกำ�ลังขย�ย
เท่�กันจะให้ภ�พที่คมชัดกว่�)ส่วนกล้องที่ใช้ก�รกร�ดสัญญ�ณค่�กำ�ลังขย�ยและกำ�ลังแยกแยะจะขึ้นอยู่กับ
ขน�ดของจุดโฟกัสของลำ�อิเล็กตรอน(สำ�หรับSEM)และขน�ดของหัววัด(สำ�หรับSPM)
กลอ้งจลุทรรศนแ์ตล่ะชนดิมจีดุเดน่-จุดดอ้ยทีแ่ตกต�่งกนัไปซึง่ผู้ ใชจ้ำ�เป็นตอ้งเข�้ใจหลกัก�รทำ�ง�น
เทคนิคก�รถ่�ยภ�พรวมทั้งก�รตีคว�มภ�พและขอ้มูลที่ไดจ้�กกล้องชนิดต่�งๆที่ใช้เพื่อให้ได้ขอ้สรปุที่ถกูต้อง
ตัวอย�่งเชน่ภ�พที่3แสดงภ�พขย�ยทอ่น�โนค�รบ์อนที่ไดจ้�กกลอ้งOM,AFM,SEMและTEMต�มลำ�ดบั
จะเห็นได้ว่�ไม่มีภ�พใดที่คล้�ยกันเช่นกล้องOMไม่ส�ม�รถถ่�ยภ�พท่อน�โนค�ร์บอนได้เพร�ะกำ�ลังขย�ย
ไม่สูงพอกล้องAFMให้ภ�พท่อน�โนค�ร์บอนด้�นบนที่เก�ะติดอยู่บนวัสดุฐ�นรองกล้องSEMให้ภ�พข�ว
ดำ�และเห็นเฉพ�ะด้�นบนของชิ้นง�นเท่�นั้น ส่วนกล้อง TEM จะถ่�ยภ�พข�วดำ�ได้ที่กำ�ลังขย�ยสูง และค่�
กำ�ลังแยกแยะละเอียดแต่จะมีพื้นที่เก็บข้อมูลที่เล็กกว่�พื้นที่ที่ได้จ�กกล้องจุลทรรศน์ชนิดอื่น
(ข)
(ก)
(ค)
ภาพที่ 3 แสดงภาพท่อนาโนคาร์บอนที่ได้จากเทคนิคต่างๆ (ก) OM (อยู่ในบริเวณกรอบสีแดง แต่มองไม่เห็นเนื่องจากกำาลัง
ขยายไม่สูงพอ) และ AFM (ที่ขยายบริเวณกรอบสีแดง) [7], (ข) SEM [8] และ (ค) TEM (กรอบเล็กคือภาพวาดแสดงภาพ
ตัดขวางของท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น) [9]
มกราคม - มีนาคม 2557
53
ภาพที่ 4: (ก) ภาพ OM แสดงสีต่างๆ ของอนุภาคนาโนของทอง [10] (ข) ภาพ AFM แสดงอนุภาคนาโนทอง [11]
(ค) ภาพ SEM แสดงอนุภาคนาโนทองบนฐานรองที่เป็นวัสดุ Si3N
4 [12] (ง) ภาพ TEM แสดงอนุภาคนาโนทอง [13]
ภ�พที่ 4แสดงข้อมูลเกี่ยวกับอนุภ�คน�โนของทองที่ได้จ�กกล้องจุลทรรศน์ชนิดต่�งๆ เช่นอนุภ�ค
น�โนทองทีม่ขีน�ดแตกต�่งกนัจะมสีแีตกต�่งกนั(ถ�่ยดว้ยOMในภ�พ4(ก))และอนภุ�คทองมขีน�ดเลก็กว�่
10น�โนเมตร(ถ่�ยด้วยTEMในภ�พ4(ง))เป็นต้น
จะเห็นว่� กล้องจุลทรรศน์แต่ละชนิดจะให้ภ�พและข้อมูลที่แตกต่�งกัน ดังนั้น ผู้ ใช้จึงต้องให้คว�ม
สำ�คญักับคว�มรู้ ในก�รถ่�ยภ�พและก�รตคีว�มภ�พที่ได้ในว�รส�รเทคโนโลยวีสัดเุลม่ตอ่ๆไปหอ้งปฏบิตักิ�ร
วิเคร�ะห์เชิงฟิสิกส์หน่วยวิเคร�ะห์ลักษณะเฉพ�ะของวัสดุศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งช�ติจะทยอย
นำ�เสนอร�ยละเอียดก�รทำ�ง�นและก�รประยุกต์ใช้ง�นเทคนิคชนิดต่�งๆเช่นOM,TEM,SEMและSPM
โดยเน้นง�นท�งด้�นวัสดุศ�สตร์เป็นหลัก
(ก) (ข) (ค) (ง)
เอกสารอ้างอิง
1. https://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2412&idcategory=0
2. http://cnx.org/content/m22963/latest/
3. http://www.lpdlabservices.co.uk/analytical_techniques/sem/sem_instrument.php
4. http://userhome.brooklyn.cuny.edu/mlnakarmi/facility/AFM.html
5. http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php
6. http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/nearfield/nearfieldintro.html
7. http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2003/navy-scientists-discover-new-approach-to-use-carbon-
nanotubes-inelectronics-and-biochemical-sensors
8. http://www.intechopen.com/books/carbon-nanotubes-polymer-nanocomposites/the-application-of-carbon-
nanotube-to-bone-cement
9. http://endomoribu.shinshu-u.ac.jp/research/cnt/composit.html
10. http://www.malvern.com
11. https://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2412&idcategory=0
12. http://www.esrf.eu/news/spotlight/spotlight68
13. http://www.chem.umn.edu/microscopycamp/MC2008_work.html
มกราคม - มีนาคม 255754