เราหลายคนคงไม่รู้ว่าสมบัติทางกายภาพของวัสดุทุกชนิดขึ้นกับขนาดของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องสภาพนำความร้อน สภาพนำไฟฟ้า จุดหลอมเหลว สภาพยอมรับแม่เหล็ก ฯลฯ และนั่นก็หมายความว่า ถ้ามีการวัดค่าเหล่านี้ในกรณีที่วัสดุเป็นก้อนขนาดใหญ่ กับในกรณีที่วัสดุเป็นเม็ดขนาดเล็กมาก ค่าที่ได้จะแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด เพราะในกรณีวัสดุที่มีขนาดเล็กมาก (ระดับนาโนเมตร = 10^-9 เมตร) หรือเล็กกว่า สมบัติของวัสดุจะถูกควบคุมโดยปรากฏการณ์ควอนตัม
ยกตัวอย่างเช่น ทองคำที่เวลานำมาทำเป็นสร้อยคอ แหวน ฯลฯ ซึ่งมีขนาดใหญ่ สีของเครื่องประดับดังกล่าว จะปรากฏเป็นสีเหลืองทองคำ แต่ถ้าเราแปลงทองคำชิ้นนั้นให้มีสภาพเป็นละอองขนาดเล็กเท่าฝุ่นหรือเล็กกว่า เราจะเห็นฝุ่น “ทองคำ” เป็นสีแดง เพราะฝุ่นได้ดูดกลืนแสงสีม่วง สีคราม สีน้ำเงินในแสงอาทิตย์ แล้วปล่อยแสงสีแดงออกมา
โลกของอนุภาคขนาดนาโนเมตร จึงเป็นโลกที่น่าตื่นเต้นอย่างคาดไม่ถึง เพราะเป็นโลกควอนตัมที่มีอะไรๆ ที่แปลกประหลาด และอนุภาคนาโนกำลังจะเปลี่ยนโลกปัจจุบันให้ก้าวหน้า และมีสีสันด้วยเทคโนโลยีควอนตัมดอท (quantum dot technology) ตลอดช่วงเวลา 30 ปีที่ผ่านมานี้ และกำลังจะทำให้เกิดการเปลี่ยนไปอีกมากในอนาคต
การยอมรับในวงวิชาการและในสังคมทั่วไปเกี่ยวกับความสำคัญอย่างมากของควอนตัมดอท (quantum dot) ได้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 4 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ เมื่อคณะกรรมการพิจารณารางวัลโนเบลสาขาเคมี ได้ประกาศมอบรางวัลโนเบลเคมีให้แก่นักเคมีสามท่าน ซึ่งได้พบปรากฏการณ์นี้ และสามารถสังเคราะห์ QD ที่มีคุณภาพสูงได้ ในปริมาณมาก จึงมีประโยชน์ในการนำไปใช้ทำจอทีวีแบนที่ให้ภาพคมชัด ทำหลอดไฟ LED ที่ให้แสงสว่างอย่างสม่ำเสมอ พัฒนาคุณภาพหลอดไดโอด (diode) และเซลล์แสงอาทิตย์ (photovoltaic cell) ช่วยแพทย์ในการวิเคราะห์และวินิจฉัยโรค โดยใช้ QD ติดตามเซลล์ที่ต้องสงสัยว่าเป็นเซลล์ร้ายในร่างกายคน ตลอดจนถึงช่วยถ่ายภาพเซลล์เหล่านั้น สำหรับความสำคัญในเทคโนโลยีอื่น ๆ QD ก็ยังมีบทบาทในการประดิษฐ์ทรานส์ซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว (single-electron transistor), โฟโตคะตะไลซิส (photocatalysis), คอมพิวเตอร์ควอนตัม (quantum computer), อุปกรณ์ตรวจจับ (sensor) และอุปกรณ์ optoelectronics ชนิดต่างๆ ด้วย
นักวิจัยทั้งสามคน คือ Moungi G. Bawendi (1961-ปัจจุบัน) จากสถาบัน Massachusetts Institute of Technology คนที่สอง คือ Louis E. Brus (1943-ปัจจุบัน) แห่งมหาวิทยาลัย Columbia และ Alexei I. Ekimov (1945-ปัจจุบัน) ซึ่งเคยทำงานอยู่ที่บริษัท Nanocrystals Technology ในสหรัฐอเมริกา
การสืบค้นประวัติความเป็นมาของเทคโนโลยี QD แสดงให้เห็นว่า เมื่อประมาณ 40 ปีก่อนนี้ A. Ekimov ได้ทดลองพบว่า สมบัติเชิงแสงของกระจกสีต่าง ๆ เป็นผลลัพธ์ที่เกิดขึ้น เพราะกระจกนั้นมีอนุภาคขนาดเล็กแฝงอยู่ภายในมากมาย โดยอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ระดับนาโนเมตรเหล่านั้นเป็นสารประกอบ copper chloride และการเปลี่ยนขนาดของอนุภาคมีผลทำให้สีของกระจกเปลี่ยนตาม
อีก 3 ปีต่อมา L. Brus ก็ได้พบว่า ถ้าสารละลาย toluene มีอนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรลอยอยู่อย่างอิสระ การมีขนาดต่าง ๆ กันของอนุภาคจะทำให้สารละลายนั้นมีสีเขียว เหลือง ส้ม และแดงที่มีความหลากหลายเหมือนสีรุ้งได้
กระนั้นการวิจัยหาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของอนุภาคกับสมบัติทางกายภาพของมันเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ยังทำไม่ได้ เพราะการสังเคราะห์อนุภาคจำนวนมากให้มีขนาดเท่ากันอย่างสม่ำเสมอเป็นเรื่องที่ทำได้ยาก จนกระทั่งปี 1993 เมื่อ M. Bawendi ได้พบวิธีทางเคมีในการสังเคราะห์ QD ให้มีขนาดสม่ำเสมอเป็นจำนวนมากได้
วิทยาการเรื่อง QD จึงเกิดขึ้นตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา และมีผลทำให้อุตสาหกรรม QD เจริญก้าวหน้าจนมีมูลค่าเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด เช่น ในปี 2008 มีมูลค่า 28.6 ล้านดอลลาร์ อีก 14 ปีต่อมามูลค่าของตลาด QD ได้เพิ่มขึ้นถึง 812.6 ล้านดอลลาร์ และในปี 2028 ก็มีการคาดการณ์ว่า ตลาด QD จะมีมูลค่าถึง 8230 ล้านดอลลาร์
สาเหตุสำคัญที่ทำให้วิทยาการ QD เจริญเติบโตเร็วมาก เพราะได้มีการพบว่าเมื่อนำ QD ไปเสริมในอุปกรณ์ธรรมดา ประสิทธิภาพเชิงแสงและเชิงไฟฟ้าของอุปกรณ์นั้นจะสูงขึ้น นอกจากต้นทุนการผลิต QD จะต่ำ เพราะวัสดุที่ใช้ในการผลิตมีมูลค่าน้อยแล้ว อุปกรณ์ที่มี QD เป็นองค์ประกอบมักจะประหยัดพลังงานด้วย
ตามปกติ QD เป็นวัสดุประดิษฐ์ที่ทำด้วยสารกึ่งตัวนำ ซึ่งมีขนาดเล็กมาก คือ ตั้งแต่ระดับ 1 ถึง 10 นาโนเมตร จึงมีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า ผลึกนาโน (nanocrystal) อิเล็กตรอนที่อยู่ภายในผลึกนี้จะมีพลังงานที่ถูกแยกเป็นชั้น ๆ (discrete) คือ มีค่าที่ไม่ต่อเนื่อง (เป็นหน่วย ๆ แบบ quantum) ที่สามารถคำนวณหาค่าพลังงานได้ โดยใช้วิชากลศาสตร์ควอนตัมศึกษาอนุภาคอิสระในกล่องที่มีลักษณะเป็นรูปลูกบาศก์ ซึ่งมีความยาวด้านละ L
ประเด็นที่น่าสนใจสำหรับเรื่องนี้ คือ พลังงาน E ของอิเล็กตรอนแปรผกผันกับขนาดของกล่อง ยกกำลังสอง (L^2) ซึ่งหมายความว่า ถ้ากล่องมีขนาดยิ่งเล็ก พลังงานของอิเล็กตรอนในกล่องจะมีค่ายิ่งมาก หรือในทำนองเดียวกัน ถ้ารัศมีของ QD ยิ่งน้อย คือ QD มีขนาดเล็ก พลังงานของอิเล็กตรอนใน QD ก็จะยิ่งมาก
นี่คือเหตุผลที่ใช้อธิบายว่า เหตุใดเราจึงเห็นผงทองคำ มิได้มีสีเป็นสีเหลืองเสมอไป แต่จะเห็นเป็นสีอะไรก็ขึ้นอยู่กับขนาดของผงเป็นตัวกำหนด นี่จึงเป็นเหตุการณ์ที่แสดงความสำคัญของ quantum size effect หรือปรากฏการณ์ควอนตัมที่ขึ้นกับขนาด
ณ วันนี้เทคโนโลยีการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นเรื่องที่กำลังได้รับความสนใจจากสังคมมาก เพราะมีคุณค่าทางเศรษฐกิจ อีกทั้งเป็นเทคโนโลยีสะอาด คือ ไม่ได้ผลิตแก๊สเรือนกระจก ไม่ผลิตขยะอิเล็กทรอนิกส์ ไม่สร้างปฏิกูลกัมมันตรังสี อีกทั้งมีเชื้อเพลิงเป็นแสงอาทิตย์ที่ธรรมชาติมีให้ใช้ในปริมาณที่ไม่มีวันหมด ทว่าความฝันของนักประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ก็ยังไม่บรรลุเป้าหมายสูงสุด เพราะประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่นักประดิษฐ์ทำได้มีค่าสูงสุดอยู่ที่ 47% เท่านั้นเอง
ทั้งนี้เพราะเวลาอนุภาคแสง (photon) ตกกระทบอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนตัวนั้นจะถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้น และอาจเคลื่อนที่หลุดจากอะตอมและเลื่อนลอยไปในลักษณะของกระแสไฟฟ้า แต่ก็ไปได้ไม่ไกล เพราะอิเล็กตรอนตัวนั้นมักพุ่งชนอะตอมตัวอื่น ๆ ในสารกึ่งตัวนำ หรือชนกับอิเล็กตรอนด้วยกันเอง จนทำให้มันต้องสูญเสียพลังงานจลน์ไปจนหมดในที่สุด และนั่นก็หมายความว่า กระแสไฟฟ้าหยุดไหล
ดังนั้นความพยายามของนักเทคโนโลยีในปัจจุบัน คือ พยายามทำให้อนุภาคแสง 1 อนุภาคปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมได้มากกว่า 1 อนุภาค โดยใช้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอน (electron mobility) ค่อนข้างสูง และถ้าให้สารกึ่งตัวนำชนิดนี้มีการเสริมด้วย QD ที่ทำด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด lead telluride หรือ lead selenide หรือ cadmium telluride หรือ copper indium gallium selenide โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของดอท ยาวประมาณ 8 นาโนเมตร เพื่อรับแสงอาทิตย์ที่มีรังสี UV เป็นองค์ประกอบ แม้รังสีดังกล่าวจะไม่มีในปริมาณมาก แต่อนุภาคแสง UV ก็สามารถปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากอะตอมได้มากถึง 7 อนุภาค เป็นต้น
แต่การใช้ตะกั่ว (lead) เป็นองค์ประกอบเพื่อสร้าง QD ก็มีข้อควรสังวรประการหนึ่ง คือ ตะกั่วเป็นธาตุที่เป็นพิษต่อร่างกายและต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการกำจัดเซลล์แสงอาทิตย์ที่มี QD เป็นตะกั่วหลังจากที่มันหมดสภาพแล้ว จึงต้องกระทำอย่างระมัดระวัง
ตามปกติผลึกสารกึ่งตัวนำที่เป็นก้อนขนาดใหญ่ (bulk) อะตอมต่าง ๆ ในสารจะเรียงตัวกันเป็นระเบียบ คือ ผลึกมีสมบัติของความเป็นคาบ (period) และอิเล็กตรอนทั้งหลายในสารกึ่งตัวนำนี้ จะมีพลังงานที่มีค่าต่าง ๆ กัน จนสามารถจัดเรียงได้เป็นแถบ ๆ เรียกว่าแถบพลังงาน (energy band) และแถบพลังงานที่สำคัญมีอยู่สองแถบ คือ แถบนำ (conduction band) กับแถบเวเลนซ์ (valence band) ซึ่งทั้งสองแถบอยู่แยกจากกัน โดยมีช่องว่างพลังงาน (energy gap) คั่น และความกว้างของช่องว่างพลังงานนี้เองที่เป็นตัวกำหนดสมบัติความเป็นโลหะ และอโลหะของสารทุกชนิด
ครั้นเมื่อสารกึ่งตัวนำที่มีขนาดใหญ่ถูกนำมาทำเป็น QD จากเดิมที่อิเล็กตรอนในสารเคยมีค่าพลังงานเรียงต่อเนื่องกัน (continuous) ก็กลับเป็นว่าอิเล็กตรอนใน QD มีพลังงานที่มีค่าแยกจากกัน (discrete) ทำให้ช่องว่างพลังงาน ซึ่งเดิมมีค่าน้อยก็จะขยายกว้างขึ้น ดังนั้นเวลาอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบเวเลนซ์ถูกกระตุ้นด้วยแสงอาทิตย์ มันจะกระโจนขึ้นไปอยู่ในแถบนำ จึงทำให้เกิด hole ในแถบวาเลนซ์ โดยที่ hole มีประจุบวกตรงข้ามกับประจุลบของอิเล็กตรอน คู่อนุภาคใหม่ที่เกิดขึ้น คือ อิเล็กตรอนกับ hole มีชื่อเรียกว่า exciton ในสารกึ่งตัวนำขนาดใหญ่ พลังงานของ exciton จะมีค่าต่อเนื่อง แต่ใน QD พลังงานของ exciton จะแยกเป็นชั้น ๆ ดังนั้นเวลาอิเล็กตรอนรวมกับ hole จะมีแสงเกิดขึ้น ซึ่งถ้า QD มีขนาดเล็ก แสงที่ได้จะเป็นแสงสีฟ้า ดังนั้นถ้าช่องว่าง
ในระยะแรกของการผลิต QD ในปริมาณมาก นักฟิสิกส์ นักเคมีเชิงฟิสิกส์ และวิศวกรวัสดุมักใช้เทคนิคเดียวกับที่ผลิต computer chip แต่ปัจจุบันนิยมใช้เทคนิคเคมีเปียก (wet chemistry) ด้วยการฉีดสารละลายโลหะอินทรีย์ (organometallic) เข้าไปในตัวทำละลายที่มีอุณหภูมิสูง เพราะอุณหภูมิเป็นตัวแปรที่สำคัญในการควบคุมขนาดของ QD ให้มีความสม่ำเสมอ ดังนั้นถ้าใช้ภาชนะที่มีขนาดใหญ่ เพื่อสังเคราะห์ QD ความใหญ่ของภาชนะจะทำให้การควบคุมความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเป็นเรื่องที่ทำได้ยาก
นอกจากนี้ เราจะสังเคราะห์ QD ได้โดยวิธีทางเคมีแล้ว เรายังพบอีกว่า QD มักจะเปล่งแสงออกมาอย่างไม่สม่ำเสมอ คือ ปิด-เปิดแสงอย่างไม่เป็นจังหวะ ในเวลาต่อมานักวิจัยก็ได้พบว่า เขาสามารถกำจัดข้อเสียนี้ได้ โดยการหุ้ม QD ด้วยสารประกอบที่ประกอบด้วย selenium กับ zinc ถ้า QD ที่ใช้นั้นทำด้วยสาร cadmium selenide เป็นต้น
เพราะเหตุว่า QD สามารถเปล่งแสงเอกรงค์ได้ดี ดังนั้นถ้ามีการนำ QD มาแตะติดกับโมเลกุล หรือกับเซลล์สิ่งมีชีวิต แล้วนำเซลล์ไปส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ เวลา QD เปล่งแสงเราก็สามารถจะถ่ายภาพของโมเลกุลและเซลล์นั้นได้ ดังนั้นคุณสมบัตินี้ทำให้เราสามารถใช้ QD เป็นตัวรับรู้ทางชีวภาพ (biosensor) ได้ด้วย QD จึงมีบทบาทพอสมควรในการทำให้โลกชีววิทยาของเซลล์มีสีสันเหมือนกับที่เทคโนโลยี technicolor ได้ทำให้ภาพยนตร์ Hollywood น่าดูเหมือนในทุกวันนี้ และเวลา QD ขนาดต่าง ๆ กันถูกกระตุ้นด้วยแสง มันจะสามารถปล่อยแสงออกมาได้หลายสีให้กล้องจุลทรรศน์ธรรมดา ๆ ก็ถ่ายภาพโมเลกุลได้
QD ยังสามารถใช้ตรวจเซลล์ของคนที่เสพยาเสพติด หรือบอกชนิดของโปรตีนที่มีพบในเซลล์ หรือในเนื้อเยื่อที่ต้องสงสัยก็ได้ด้วย โดยการปรับผิวของ QD ให้ไปเกาะยึดติดกับอวัยวะที่แพทย์ต้องการตรวจสภาพโรค โดยใช้วิธีการปล่อยแสงวาว (fluorescence) การเปล่งแสงในลักษณะนี้ จึงดีกว่าการใช้สีย้อม (dye) ซึ่งมักให้แสงหลายความยาวคลื่นปะปนกัน จนทำให้การติดตามชีวโมเลกุลแต่ละโมเลกุลไม่ได้ผล แต่ QD ที่มีขนาดต่าง ๆ กันสามารถให้แสงที่มีหลายความยาวคลื่นได้ ด้วยการใช้แสงเลเซอร์กระตุ้นเพียงแสงเดียว
ทุกวันนี้ มนุษย์เราใช้พลังงานทุกรูปแบบประมาณปีละ 5x10^20 จูล ในขณะที่ดวงอาทิตย์ปล่อยพลังงานแสง และพลังงานความร้อนออกมาปีละ 10^34 จูล ตัวเลขนี้ จึงแสดงให้เห็นว่า มนุษย์ทั้งโลกได้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพียงน้อยนิดเท่านั้นเอง แต่ก็มากพอที่จะสามารถดำรงชีพอยู่ได้
ดังนั้นจึงได้มีความพยายามจะนำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ให้เป็นประโยชน์มากยิ่งขึ้น โดยการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ดี แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้จะมีข้อจำกัดในการทำงานบ้าง เพราะในเวลาที่ท้องฟ้ามืดสลัว เซลล์แสงอาทิตย์จะทำงานไม่ได้ก็ตาม แต่นักเทคโนโลยีก็สามารถจะเก็บกักพลังงานไฟฟ้าไว้ เพื่อนำออกใช้ในเวลากลางคืนได้ และข้อจำกัดอีกประการหนึ่งก็คือ ประสิทธิภาพของเซลล์ไฟฟ้าที่ทำได้ในปัจจุบันยังไม่สูงมาก จึงจำต้องได้รับการพัฒนาอีกมาก
ในอดีตเรานิยมใช้แผ่นฟิล์มบางของ silicon, cadmium telluride, cadmium sulfide ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงไม่เกิน 20% ดังนั้นจึงได้มีการนำผลึก perovskite มาใช้ทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์ดีขึ้นถึง 25% ซึ่งเทคนิคนี้ก็มีข้อดี คือ เซลล์ไฟฟ้าจะมีราคาถูกลงและสร้างง่าย แต่ perovskite เป็นสารที่ความเปราะสูง เพราะความชื้นและความร้อนจะทำให้มันแตกสลายได้ง่าย ด้วยเหตุนี้จึงมีการเติม cesium ลงไป เพื่อทำให้ผลึกมีเสถียรภาพยิ่งขึ้น และทำงานได้รวดเร็วขึ้น
ในอนาคตเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์จะเป็นการผสมผสานเทคโนโลยีเก่ากับเทคโนโลยีใหม่ โดยมีจุดประสงค์หลัก คือ ทำให้เซลล์มีประสิทธิภาพสูง สร้างง่าย คือ เทียบเคียงได้กับการพิมพ์ธนบัตร อีกทั้งควรมีราคาถูก และไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม
จากเซลล์แสงอาทิตย์เซลล์แรกที่สร้างขึ้นโดย C.E. Fritts เมื่อปี 1883 โดยใช้แผ่น selenium รับแสง และต่อมาได้พัฒนามาใช้แผ่น silicon แล้วเปลี่ยนมาเป็น GaAs (gallium arsenide) ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มถึง 29%
มาถึงวันนี้ ก็ได้มีความพยายามจะใช้ QD มาเป็นองค์ประกอบหนึ่งในการทำเซลล์แสงอาทิตย์ โดย QD นี้อาจจะมีรูปทรงเป็นทรงกลม กรวย โดม แท่งตรง แท่งปริซึม ฯลฯ ซึ่งรูปลักษณ์ของ QD จะปรับเปลี่ยนช่องว่างพลังงาน band gap ให้สามารถรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีทุกความยาวคลื่น
ความพยายามทั้งหลายทั้งปวงนี้ ต่างก็มีจุดหมายปลายทาง คือ จะสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่สมบูรณ์พร้อม โดยมีเทคโนโลยี QD อันเป็นผลงานร่วมกันของนักเคมีรางวัลโนเบลปี 2023 เป็นตัวเสริมที่สำคัญ
อ่านเพิ่มเติมจาก Wang, Y., Kavanagh, S.R., Burgués-Ceballos, I. et al. Cation disorder engineering yields AgBiS2 nanocrystals with enhanced optical absorption for efficient ultrathin solar cells. Nat. Photon. 14 February 2022
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
