“แกลเลนีน” วัสดุสองมิติตัวใหม่ทำจากโลหะหลอมเหลว คู่แข่งในอนาคตของกราฟีน

กราฟีนเป็นวัสดุสองมิติชนิดเดียวที่ถูกพาดหัวข่าว เป็นที่รู้จักและถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง แต่ตอนนี้มันเริ่มมีคู่แข่งแล้ว นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา และสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งอินเดีย (Indian Institute of Science) ประเทศอินเดีย ได้แยกวัสดุสองมิติจากแกลเลียมที่เป็นโลหะเนื้ออ่อนชนิดหนึ่ง เรียกวัสดุสองมิติใหม่นี้ว่า “แกลเลนีน (Gallenene)” ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย โดยเฉพาะในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การทำให้วัสดุสามมิติให้เป็นสองมิติส่งผลให้คุณสมบัติพื้นฐานทางไฟฟ้า แม่เหล็ก ฟิสิกส์ หรือเคมีของมันเปลี่ยนแปลงไป หากไม่นับกราฟีนที่เป็นวัสดุชนิดเดียวที่ยังคงรักษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กไว้ได้เมื่อเป็นวัสดุสองมิติ ในหลายปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ได้สร้างวัสดุสองมิติหลายตัว เช่น ฟอสฟอรัสดำ โมลิบดินั่มไดซัลไฟด์ และโครเมียมไตรไอโอไดด์

แกลเลียม (Gallium) เป็นธาตุที่มีหมายเลขอะตอมเท่ากับ 31 และมีสัญลักษณ์คือ Ga ในธรรมชาติเราจะพบแกลเลียมในแร่บอไซต์ (bauxite) และสังกะสี (zinc ores) สารประกอบแกลเลียมอาร์ซิไนด์ใช้ทำสารกึ่งตัวนำในหลอดไดโอดส์หรือที่เราเรียกกันว่าหลอดแอลอีดี แกลเลียมเป็นโลหะสีเงิน มีจุดหลอมเหลวต่ำที่ 30 °C เป็นของเหลวได้เมื่ออยู่บนฝ่ามือ

ปัญหาก็คือการแยกแกลเลียมให้เป็นสองมิติไม่สามารถใช้วิธีที่ใช้กันอยู่ได้ สำหรับกราฟีนมันสามารถลอกออกมาจากกราไฟท์โดยใช้เทปกาว แต่แกลเลียมมีพันธะเคมีระหว่างอะตอมสูงมากวิธีนี้จึงใช้ไม่ได้ผล และแกลเลียมมีจุดหลอมเหลวต่ำจึงไม่เหมาะที่จะใช้เทคนิคการเคลือบผิวด้วยไอ (Vapor phase deposition techniques)

ทีมวิจัยสร้างแกลเลนีนโดยเริ่มจากอุ่นแกลเลียมจนถึงอุณหภูมิ 29.7 °C ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวนิดเดียว จากนั้นปล่อยให้มันหยดลงบนแผ่นกระจก ขณะที่มันยังอุ่นอยู่นักวิจัยเอาแผ่นซิลิกอนไดออกไซด์กดลงบนมัน แยกเอาชั้นบางๆของมันออกมาได้ แผ่นบางนำไฟฟ้าที่ได้จากแกลเลียมนี้ก็คือวัสดุสองมิติ “แกลเลนีน” แบบเดียวกับกราฟีนที่ได้จากคาร์บอน

แกลเลนีนถูกพบว่าสามารถยึดติดได้ดีกับแผ่นรองวงจร (Substrates) รวมทั้งแกลเลียมไนไตรด์ แกลเลียมอาร์เซไนด์ ซิลิโคน และนิเกิล วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันไปซึ่งทำให้มีช่องทางมากมายในการนำไปใช้ประโยชน์ในอนาคต

“วิธีของเราใช้ความอ่อนแอของรอยต่อระหว่างของแข็งและของเหลวในการแยกแผ่นบางสองมิติของแกลเลียม” Chandra Sekhar Tiwary นักวิจัยหลักของโครงการกล่าว “วิธีเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับโลหะและสารประกอบที่มีจุดหลอมเหลวต่ำอื่นได้”

เนื่องจากแกลเลนีนยึดติดกับเซมิคอนดักเตอร์ได้ดีและตอนนี้เราสามารถสร้างมันได้ด้วยเทคนิคที่เรียบง่าย ดังนั้นมันจึงถูกใช้เป็นหน้าสัมผัสโลหะที่มีประสิทธิภาพสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโน ซึ่งปัจจุบันยังไม่มีวัสดุสองมิติให้เลือกใช้มากนัก

“การแยกโลหะให้เป็นวัสดุสองมิติเป็นเรื่องยากเพราะพวกมันมีความแข็งแรงสูง โครงสร้างไม่เป็นชั้น ดังนั้นแกลเลนีนจึงสามารถเป็นสะพานเชื่อมสำหรับความต้องการใช้โลหะสองมิติ” Pulickel Ajayan หัวหน้าทีมวิจัยกล่าว

 

ข้อมูลและภาพจาก rice.edu, tech2.org