รายงานผลการวจย

เร�อง

การสงเคราะหซงคออกไซดโดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟ

Synthesis of Zinc Oxide by Microwave Technique

โดย

ศภรตน นาคสทธพนธ

มหาวทยาลยแมโจ

2556

รหสโครงการวจย มจ. 1-55-043

รายงานผลการวจย

เร�อง การสงเคราะหซงคออกไซดโดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟ

Synthesis of Zinc Oxide by Microwave Technique

ไดรบการจดสรรงบประมาณวจย ประจาป 2555

จานวน 267,800 บาท

หวหนาโครงการ นางสาวศภรตน นาคสทธพนธ

งานวจยเสรจส�นสมบรณ

28 / สงหาคม / 2556

กตตกรรมประกาศ

โครงการวจยเร� อง การสงเคราะหฟลมซงคออกไซดโดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟ

(Synthesis of Zinc Oxide by Microwave technique) ไดสาเรจลลวงดวยดโดยไดรบการสนบสนน

งบประมาณสาหรบทาวจยจากสานกวจยและสงเสรมวชาการการเกษตร มหาวทยาลยแมโจ จงหวด

เชยงใหม ประจาปงบประมาณ 2555 ผวจยขอขอบคณสาขาวชาวสดศาสตร และคณะวทยาศาสตร

มหาวทยาลยแมโจ ท�อนเคราะหเร� องสถานท�และอปกรณท�ใชในการดาเนนการวจยใหสาเรจ

สมบรณ

ผวจย

คานา

ในงานวจยน� เราไดใหความสาคญเก�ยวกบซงกออกไซด เน�องจากซงคออกไซด (ZnO) เปนหน�งในวสดหลายชนดท�ไดรบการศกษาและการวจยเปนอยางมากในยคปจจบนน�ท�งท�อยในรปของฟลมบางและผงท�มความละเอยดหรอผงท�มขนาดเลกในระดบนาโนเมตร เน�องจากซงคออกไซดมสมบตท�เปนลกษณะเฉพาะตวหลายอยางน�นเอง ซงกออกไซดจดเปนสารก�งตวนาท�มชองวางของแถบพลงงาน (Energy band gap) คอนขางกวาง อยท� 3.37 อเลกตรอนโวลต ณ อณหภมหอง [1] ซงคออกไซดมโครงสรางผลกเปนแบบเฮกซะโกนอล และมความโปรงแสงสง จงมการนาซงกออกไซดไปประยกตใชในงานดานอเลกทรอนกส ไมโครอเลกทรอนกส แผงโซลาเซลล กาซเซนเซอร และอปกรณทางแสง เน�องจากมสมบตท�ดในดานการดดซบแสง และสมบตดานการเรงปฏกรยาดวยแสง[2] และนาประยกตใชงานในภาคอตสาหกรรมมากข�น

ปจจบนการสงเคราะหฟลมบางสามารถจาแนกไดเปน 2 กลมใหญ ๆ วธแรก คอ การระเหยกลายเปนไอดวยวธทางเคม (Chemical vapor deposition; CVD) หลกการโดยอาศยการแตกตวของสารต�งตนใหอยในสภาพของไอระเหยหรอกาซและเกดปฏกรยาเคมเปนสารใหมเคลอบบนผววสด เ ชน กระบวนการโซลเจล (Sol-gel) กระบวนการไฮโดรเทอรมอล (Hydrothermal) และกระบวนการผสมสารละลาย และ วธท�สอง คอ การระเหยกลายเปนไอดวยวธทางกายภาพ (Physical vapor deposition; PVD) มหลกการโดยอาศยทาใหสารต�งตนกลายเปนไอระเหยในสภาวะกาซหรอเปนอะตอม จากอาศยแหลงกระตนจากภายนอก เชน ความรอน กระแสไฟฟา ลาของไอออนเพ�อใหมถายเทโมเมนตมแลวฟงกระจายเขาจบและยดตดกบผววสดรองรบ เชน เทคนคสปตเตอร� ง (Sputtering) การเคลอบดวยไอจากการอารก และการทาใหเปนไอโดยความรอนดวยวธการแผกระจายรงสไมโครเวฟ [3]

โครงการวจยน� เปนการสงเคราะหซงคออกไซดโดยอาศยพลงงานจากคล�นไมโครเวฟเพ�อการกระตนใหเกดสารประกอบซงคออกไซด การสงเคราะหโดยอาศยคล�นไมโครเวฟ มขอดหลายประการ เชน ใหความรอนอยางรวดเรวใชเวลาคอนขางส� นในการสงเคราะห เปนวธท�งาย ใชพลงงานคอนขางต�า และทาใหไดสารประกอบท�มความบรสทธb สง

ดงน�นขอบเขตของงานโครงการวจยน� คอ การสรางเคร�องสงเคราะหฟลมบางของโลหะออกไซดจากการประยกตใชเคร�องไมโครเวฟ และหาสภาวะท�เหมาะสมในการสงเคราะหเพ�อใหไดประสทธภาพของฟลมโลหะออกไซดสงสดโดยวเคราะหลกษณะเฉพาะทางพ�นผวของฟลมดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning electron microscope; SEM) เฟสและ

4

โครงสรางผลกดวยเทคนคการเล� ยวเบนของรงสเอกซ (X-ray diffraction; XRD) และศกษาสมบตทางแสงดวยเคร�อง UV-VIS spectrophotometer เปนตน

การตรวจเอกสาร

สวนน� กลาวถง หลกการของคล�นไมโครเวฟ โครงสรางผลกของซงกออกไซด และหลกการของเคร�องมอท�ใชในการศกษาวเคราะหลกษณะเฉพาะตาง อาทเชน ลกษณะทางสณฐานวทยาของพ�นผวฟลมดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) เฟสและโครงสรางผลกของฟลมดวยเทคนคการเล� ยวเบนของรงสเอกซ (XRD) และศกษาสมบตทางดานแสงดวยเคร�องศกษาสมบตทางแสง (UV-VIS spectrophotometer; UV-VIS)

1. คล�นไมโครเวฟ

ไมโครเวฟเปนคล�นแมเหลกไฟฟาท�มความถ�สงมากถง 2,450 ลานรอบตอวนาท มลกษณะคลายกบคล�นวทยแตมความถ� ท�ส� นกวา หวใจสาคญของเตาไมโครเวฟ คอ ตวแมกนตรอน(Magnetron) ท�จะเปนตวเปล�ยนพลงงานไฟฟาเปนคล�นไมโครเวฟ ซ� งไมเปนอนตรายตอมนษย เพราะคล�นไมโครเวฟเปนคล�นความถ�สงมใชรงส จงไมกระจายและสะสมในรางกายมนษย

การใหความรอนโดยคล�นไมโครเวฟมหลกการท�แตกตางจากการใหความรอนโดยวธธรรมดาท�วไป คอ ความรอนท�วสดท�ไดรบคล�นไมโครเวฟน�นจะเปนความรอนท�เกดจากการถายเทมาจากแหลงกา เนดความรอนภายนอก เชน ลวดความรอนจากแทงความรอน หรอจากลาแสงเลเซอร ความรอนท�เกดข�นโดยคล�นไมโครเวฟน�จะเรยกวา เปนความรอนภายในท�เกดข�นท�วท�งช�นวสด

ลกษณะเฉพาะของการใหความรอนดวยคล�นไมโครเวฟ คอ การทะลผานของคล�น จะทาใหอณหภมภายในสงกวาท�พ�นผวช�นงาน ซ� งจะชวยใหเกดความรอนภายในช�นงานอยางรวดเรวและไมทาใหอณหภมท�ผวสงเกนไป และการควบคมการกระจายตวของสนามไฟฟาได ชวยในงานท�ตองการความรอนเฉพาะท�

คล�นไมโครเวฟ มลกษณะเดน 3 ประการ

1. การสะทอนกลบ (Reflection) คล�นไมโครเวฟเม�อไปกระทบกบภาชนะท�เปนโลหะหรอมสวนผสมของโลหะ คล�นไมโครเวฟไมสามารถทะลผานภาชนะดงกลาวได จะสะทอนกลบหมด

2. การสงผาน (Transmission) คล�นไมโครเวฟสามารถทะลผานภาชนะท�ทาดวยแกว กระดาษ ไม เซรามกและพลาสตกได เพราะภาชนะดงกลาวไมมสวนผสมของโลหะ จงเปนภาชนะท�ใชไดดในเตาไมโครเวฟ

8

3. การดดซม (Absorption) ปกตอาหารโดยท�วไป จะประกอบดวยโมเลกลของน� าในอาหาร ซ� งจะดดซมคล�นไมโครเวฟ ทาใหอาหารรอนอยางรวดเรว และอกนยหน�งเม�อโมเลกลของน� าดดซมคล�นไมโครเวฟแลวจะสลายตวในทนท ไมเกดการสะสม [4]

2. ซงกออกไซด (Zinc oxide; ZnO)

ซงกออกไซด (Zinc Oxide; ZnO) เปนสารก�งตวนา มชองวางแถบพลงงานประมาณ 3.37 อเลกตรอนโวลต (eV) โครงสรางผลกของ ซงกออกไซดเปนแบบเฮกซะโกนอล (Hexagonal) ภายในโครงสรางมออกซเจนไอออน (Oxygen ions : O2-) แทรกอยตรงตาแหนงก�งกลางระหวางซงคไอออน (Zinc ions : Zn2+) ซ� งทาพนธะกนแบบเตตระฮดรอล (Tetrahedral) เรยกวาเวทธไซท (Wurtzite structure) ดงภาพท� 1 ซงกออกไซดมคาคงท�ผลก (Lattice constants) a = 3.24 องสตรอม และ c = 5.19 องสตรอม

ภาพท� 1 โครงสรางแบบเวทธไซทของซงกออกไซด

เน�องจากซงกออกไซค (Zinc oxide; ZnO) มชองวางแถบพลงงานท�กวางจงสามารถประยกตใชในอณหภมท�สงๆดกวาสารก� งตวนา ท�ไมใชแถบพลงงานกวาง (Wide band gap) คาชองวางแถบพลงงานของสารก�งตวนามความสมพนธกบคาความยาวคล�น ( ) ตามสมการดงน�

9

= หรอ ( in eV ) = (1 )

เม�อ Eg = พลงงานของชองวางแถบพลงงาน (Band gap energy)

C = ความเรวของแสง (Velocity of light) มคาเทากบ 2.998 x 108 เมตรตอวนาท (m/s)

h = คาคงท�ของแพงค (Plank constant) มคาเทากบ 6.6 x 1034 จลวนาท (J.S)

= คาความยาวคล�นท�ปลอยออกมา (Emitted wavelength) มหนวยเปนเมตร (m)

3. สารก�งตวนา (Semiconductor)

สารก� งตวนาเปนวสดท�มสภาพนาไฟฟาสงกวาไดอเลกทรก แตต�ากวาตวนา ลกษณะแถบพลงงาน (Energy band) โดยท�วไปจะประกอบดวยแถบวาเลนซ (Valence band) และแถบการนาไฟฟา (Conduction band) มชองวางพลงงาน (Energy gap; Eg) ซ� งมความกวางไมเกน 4 eV ก�นระหวางแถบท�งสองน� แสดงดงภาพท� 2 หนวยของพลงงานคอ อเลกตรอนโวลต (Electron volt; eV) ซ� ง หมายถง พลงงานท�ใชงานในการทาใหอเลกตรอนหน�งตวว�งผานสนามศกยไฟฟา 1 โวลต เม�ออเลกตรอนท�อยในแถบวาเลนซไดรบพลงงานมากพอกจะสามารถขามชองวางพลงงานไปยงแถบการนาและทาใหเกดการนากระแสได

ภาพท� 2 แสดงชองวางแถบพลงงานของสารท�เปนไดอเลกทรก ก�งตวนาและโลหะ [6]

10

4. การศกษาลกษณะเฉพาะ

4.1 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด Scanning Electron Microscope

(SEM)

ภาพท� 3 เคร�อง Scanning Electron Microscope (SEM)

กลองจลทรรศนอเลกตรอนเปนการศกษาท�ผวหรอบรเวณสวนลกใกลผว โดยจะมสวนประกอบสาคญ คอ ปนอเลกตรอนซ� งจะมการเรงอเลกตรอนใหมพลงงานประมาณ 20 กโลอเลกตรอนโวลต ถง 40 กโลอเลกตรอนโวลต จากน�นจะมเลนสคอนเดนเซอร เลนสใกลวตถ และท�สาคญมสวนท�เรยกวา ขดลวดแสกน (Scanning coil) ซ� งคอยสองกราดลาอเลกตรอนลงบนช�นงาน และเม�ออเลกตรอนตกกระทบพ�นผวของช�นงาน จะทาใหเกดอเลกตรอนทตยภม อเลกตรอนสะทอนกลบหรอรงสอ�นๆ ท�ปลดปลอยอออกมาจากผว ซ� งจะถกตรวจจบดวยหววดแบบตางๆ โดยจะทาการวดแตละจดท�มการสแกน ซ� งหลกการของกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด จะมบางสวนท�มลกษณะการทางานคลายการสแกนภาพในโทรทศน สาหรบกาลงขยายภาพน�นจะพจารณาจากกรอบส� เหล�ยม ซ� งประกอบดวยกลมของเสนตรงท�เรยกวาเรสเตอร (Raster) จะพบวา เรสเตอรท�ถกสแกนดวยอเลกตรอนจะเลกกวาเรสเตอรท�ปรากฏบนจอภาพ

11

รปท� 4 สวนประกอบของเคร�อง SEM

ในการสรางภาพในกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด จะใชการตรวจจบอเลกตรอนท�หลดออกจากผว ซ� งกไดจากการทาอนตรกรยาของลาอเลกตรอนปฐมภมตอช�นงานดงปรากฏในภาพท� 5 ซ� งแสดงแผนภาพของส�งท�เกดข�น หรอลาอเลกตรอนตกกระทบช�นงาน โดยแปรเปนสญญาณตางๆ ในกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด

ภาพท� 5 แสดงอนตรกรยาท�สาคญท�เกดข�นบนช�นงานท�จะนามาใชในการแปรสญญาณในกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด

12

สาหรบการสรางภาพสวนใหญแลว ในกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราดจะใชสญญาณจากอเลกตรอนทตยภม และอเลกตรอนสะทอนกลบ นอกจากน�นแลวสญญาณของรงสเอกซท�ถกปลดปลอยสามารถนามาวเคราะหหาองคประกอบทางเคมได [6]

4.2 การวเคราะหธาตดวยรงสเอกซ (Energy dispersive x – ray spectrometer)

ในระบบวเคราะหธาตดวยรงสเอกซสาหรบเคร�อง SEM น� ใชระบบวเคราะหแบบ EDS ซ� งเปนท�นยมใชกนมากในกลองจลทรรศนอเลกตรอนท�งแบบสองกราด และกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน เน�องจากสามารถวเคราะหธาตท�มอยไดและใชเวลาเพยงไมนานไมก�นาท โดยในแบบ EDS มหลกการวเคราะหคอ เม�อลาอเลกตรอนพลงงานสงเคล�อนท�เขาชนอเลกตรอนในวงโคจรช�นในของอะตอมเชน ช�น K หรอ L แลวเกดการถายโอนพลงงานใหแกอเลกตรอน ทาใหอเลกตรอนในช�นท�ไดรบพลงงานดงกลาวมพลงงานสงข�นเกน พลงงานยดเหน�ยว (Binding energy) ของช�นโคจรจงหลดออกจากวงโคจรและทาใหเกดท�วางของอเลกตรอนในช�นโคจร จากน�นอะตอมท�อยในสภาวะถกกระตนลดระดบพลงงานลงสสภาวะปกตในชวงเวลาอนส�น โดยอเลกตรอนของวงโคจรช�นถดออกไปจะลดระดบพลงงานลงมาใหเทากบพลงงานยดเหน�ยวของวงโคจรท�เกดท�วางของอเลกตรอน ดวยการปลอยพลงงานสวนเกนในรปของรงสเอกซ แลวอเลกตรอนจะเขามาแทนท�พลงงานสวนเกนน� มพลงงานเทากบความตางของระดบพลงงานยดเหน�ยวเฉพาะช�นโคจรของอเลกตรอน และเฉพาะของธาตน�นๆ จงมคาพลงงานเฉพาะคา เราเรยกรงสเอกซชนดน�วา “ รงสเอกซเฉพาะตว ” [7]

4.3 การเลNยวเบนของรงสเอกซ (X-ray diffraction; XRD)

รงสเอกซ (X-ray) [6] จดเปนคล�นแมเหลกไฟฟาท�มอานาจทะลทะลวงสง มความยาวคล�นส�นจดอยในชวงระหวาง 0.1-100 องสตรอม หรอ 0.01 ถง 10 นาโนเมตร ถกคนพบคร� งแรกในป ค.ศ. 1895 โดยเรนตเกน (W.C. Rontgen) ตอมาไดมการศกษาเก�ยวกบสมบตและการเกดอนตรกรยาของรงสตอสาร ซ� งเปนประโยชนตอวงการวทยาศาสตรอยางมากมาย การเกดอนตรกรยาของรงสเอกซกบสารน�นกอใหเกดปรากฏการณตาง ๆ เชน การเปลงแสง (Emission) การดดก ล น (Absorbance) กา รก ระ เ จ ง (Scattering) ห รอก า ร เ ล� ย ว เบน (Diffraction) เ ป นตน ปรากฏการณเหลาน� ลวนเปนลกษณะเฉพาะของสารแตละชนดซ� งหลกการดงกลาว สามารถนามาใชวเคราะหสารไดดงน�

1. ใชวเคราะหหาองคประกอบของธาตตาง ๆ ในสารท�งในเชงปรมาณและคณภาพ

13

2. ใชศกษาหาโครงสรางอเลกทรอนกส (Electronic structure) ซ� งสามารถใหขอมลเก�ยวกบการเกดพนธะเคม (Chemical bonding)

3. ใชศกษาเก�ยวกบโครงสรางผลก (Crystal structure) หรอโมเลกลของสาร ดวยการใชเทคนคการเล�ยวเบนของรงสเอกซ

แหลงกาเนดรงสเอกซ

แหลงกาเนดรงสเอกซมท�งท�เกดข�นเองตามธรรมชาตจากการสลายตวของนวเคลยสธาตกมมนตรงส และมนษยผลตข�นจากกลไกอเลกทรอนกส กลาวคอ เม�ออะตอมไดรบการกระตน (Excite) ดวยอเลกตรอนท�มพลงงานสงว�งชนอะตอมทาใหเกดอนตรกรยา ระดบพลงงานของอเลกตรอนช� นวงโคจรตาง ๆ ของอะตอมมคาสงข� นเกดภาวะไมเสถยร (Unstable) ดงน� นอเลกตรอนช�นวงโคจรดงกลาวจาเปนตองลดระดบพลงงานเขาสภาวะปกต โดยมวลของอะตอมไมเปล�ยนแปลงปรากฏการณดงกลาวเปนพลงงานปลดปลอยพลงงานสวนเกนในรปแมเหลกไฟฟาโฟตอนออกมาในลกษณะพลส (Pulse) จากอะตอมทกคร� งท�ไดรบการกระตน คล�นแมเหลกไฟฟาปลดปลอยออกมาน� เรยกวา “รงสเอกซ”

ภาพท� 6 สวนประกอบของรงสเอกซ

14

การเล� ยวเบนของรงสเอกซ ( X-ray diffraction ) เปนการวเคราะหวสดพ�นฐานชนดการวเคราะหแบบไมทาลาย (Non-destructive analysis) เพ�อศกษาเก�ยวกบโครงสรางของผลก (Crystal Sturcture) การจดเรยงตวของโมเลกลในสารประกอบตางๆ ท�งในเชงคณภาพ (Qualitative) ปรมาณ (Quantitative) โดยอาศยหลกการเล� ยวเบนของรงสเอกซและความรเก�ยวกบวชาระบบโครงสรางผลก (Crystallography) เคร�องมอชนดน� มความสาคญมากในกระบวนการควบคมคณภาพการผลตสาหรบการตรวจสอบสมบตวตถดบ และผลตภณฑในกระบวนการผลตข�นตอนตางๆ

ภาพท� 7 หลกการทางานของการเล�ยวเบนของรงสเอกซ

จากภาพท� 7 แสดงแผนผงการทางานของการเล�ยวเบนของรงสเอกซโดยเร�มจากหมอแปลงกระแสไฟฟาแรงดนสง (High-tension transformer) ทาหนาท�ปลอยกระแสไฟฟาเขาไปยงข�วแคโทดทาใหเสนลวดฟลาเมนทรอนข�น และกอใหเกดการปลดปลอยอเลกตรอนออกจากเสนลวด ดงน�น คาความตางศกย ระหวางข�วแคโทดและแอโนดเพ�มสงข�น ทาใหอเลกตรอนว�งเขาชนเปา (Target) ท�ข �วแอโนด มการปลอยรงสเอกซออกมาผานหนาตางท�ทาดวยเบอรลเลยม (Be window) หลอดรงสเอกซ มหลายชนด เรยกช�อตามชนดของโลหะท�ใชทาแอโนด เชน Mo W Cr Cu Co Ag และ Fe ซ� งจะทาใหรงสเอกซมคาความยาวคล�นตางๆ กน ดงน�นจงควรเลอกใชใหเหมาะสมกบสารท�ตองการวเคราะห แตโดยท�วไปมกนยมใช Cu ซ� งใหคาความยาวคล�น (�) เทากบ 1.542 องสตรอม จะมท�ง Kα และ Kβ สาหรบการวเคราะหน� มความจาเปนตองใชรงสเอกซความยาวคล�นเดยว (Monochromatic x-ray) ดงน�นจงตองใชแผนกรองเบตาเพ�อกาจด Kβ เพ�อใหเหลอเพยง Kα อยาง

15

เดยว การเลอกแผนกรองเบตาควรเลอกใหเหมาะสมกบชนดของหลอดรงสเอกซ โดยดจากคาสมประสทธ� การดดซบมวล (Mass absorption coefficient) จากน�นรงสเอกซ Kα จะถกบบใหเปนลาแคบลงโดยไดเวอรเจนสลต ลารงสเอกซท�ผานไดเวอรเจนสลตจะตกกระทบลงบนตวอยางซ� งตดไวกบแกนของโกนโอมเตอร (Goniometer) รงสท�สะทอนกลบจากสารตวอยางจะผานไปยงรซฟวงสลตและเขาไปย งหนวยระบบสญญาณเพ�อแปลงสญญาณออกมาในรปดฟเฟรกโตแกรม (Diffractogram) แสดงความสมพนธระหวางมม 2θ และคาความเขมของรงส

การเลNยวเบนของรงสเอกซ

เม�อลารงสเอกซตกกระทบผวหนาของผลกโดยทามม θ บางสวนของรงสเอกซจะเกดการกระเจงดวยช�นของอะตอมท�ผวหนา อกสวนหน�งของลารงสเอกซจะผานไปยงช�นท� 2 ของอะตอมซ�งบางสวนจะเกดการกระเจง และสวนท�เหลอจะผานเขาไปยงช�นท� 3 ของอะตอมแสดงดงภาพท� 8

ภาพท� 8 แสดงการเล�ยวเบนของรงสเอกซ

ถาอะตอมผลกจดเรยงตวอยางเปนระเบยบและมระยะหางระหวางอะตอมเทา ๆ กน ลารงสเอกซผานเขาไปในแตละช�นของอะตอมจะเกดการเล� ยวเบนเปนลาขนานกน การเล� ยวเบนน� กมลกษณะคลายกบการเล�ยวเบนแบบเกรตต�งแบบสะทอน (Reflection greating) ส�งสาคญในการเกดการเล�ยวเบนของรงสเอกซข�นอยกบภาวะสองประการ คอ

16

1. รงสท�ตกกระทบ รงสเล�ยวเบน และเสนต�งฉากกบผวหนาจะตองอยในระนาบเดยวกน

2. ระยะหางระหวางช�นของอะตอมควรมคาใกลเคยงกบความยาวคล�นของรงสเอกซ

จากรปท� 8 จะพบวารงสขนานตกลงบนผลกท�จด P และ Q ตามลาดบ โดยทามมกบระนาบของผลก การเล�ยวเบนของรงสจะเกดข�นเม�อระยะทางท�รงสเอกซ 1 และ 2 เดนทางตางกนเปนจานวนเทาของความยาวคล�น จะไดวา

( 2 )

โดยท� n = 1, 2, 3,…,

λ = คาความยาวคล�นของรงสเอกซ (นาโนเมตร)

d = ระยะหางระหวางระนาบผลก (นาโนเมตร)

θ = มมตกกระทบของรงสเอกซกบระนาบผลก (องศา)

4.4 เทคนค UV-VIS Spectrophotometer

งานวจยน� ไดวเคราะหสมบตทางแสงจากการวดรอยละของการสองผาน (% Transmission)ของแสงบนฟลมซงคออกไซดท�สงเคราะหข�น

ธรรมชาตของแสง

แสงเปนคล�นแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic wave) แสงมความเรวในสญญากาศเทากบผลคณของความยาวคล�น และความถ� แตความเรวในการเดนทางจะเปล�ยนไปเม�อเดนทางผานตวกลางอ�นๆ โดยมความเรวในการเดนทางเทากบ 2.9979 x 10-16 เซนตเมตร/วนาท/n (n = ดรรชนหกเหของตวกลาง; Refractive index) แสงตางชนดกนจะมความยาวคล�นตางกนและเคล�อนท�ดวยความเรวแตกตางกน ความเขมของแสงนยมวดในหนวยกาลงเทยน (Candle power) หรอ ลเมน (Lumen) ปรมาณแสงแปรผนโดยตรงกบความเขม (Intensity) ของแสง ดงน�นการวดความเขมของแสงจงเปนการวดปรมาณแสงทางออม ความยาวคล�นแสงนยมแทนดวยอกษรกรกคอ (แลมบดา; Lambda) แสงแตละชวงความยาวคล�นถกกาหนดใหมช�อเรยกตางกนตามขอกาหนดของ The Joint Committee on Nomenclature in Applied Spectroscopy ดงน�

2d sin = n

17

• แสงท�มองเหน (Visible light) เปนแสงสขาวท�เกดจากการรวมกนของแสงสตางๆ มสหลกอย 7 ส คอ สมวง สคราม สน�าเงน สเขยว สเหลอง สแสด และสแดง มความยาวคล�นต�งแต 400 - 700 นาโนเมตร เม�อแสงสขาวตกกระทบวตถแลวทาใหมองเหนวตถเปนสใดแสดงวาวตถดดกลนแสงสอ�นหมดแตสะทอนแสงสท�ตามองเหนออกมา แตถาวตถน�นๆ ดดกลนแสงทกสไวไดหมดจะมองเหนวตถเปนสดา

• แสงอลตราไวโอเลต (Ultraviolet light) มความยาวคล�นต�งแต 210 - 380 นาโนเมตร เปนแสงท�มคณสมบตในการทาใหอเลกตรอนของอะตอมเกดการสองผาน (Electronic transmission) เม�อรางกายถกแสงน� เปนเวลานานอาจเกดอนตราย ตวอยางเชน ผวหนงไหมเกรยม เย�อบลกตาถกทาลาย และอาจทาใหเกดเปนมะเรงของผวหนงได เน�องจากแสงอลตราไวโอเลตทาใหไธมนเบส (Thymine base) ในนวเคลยสของเซลลรวมตวกน

• แสงอนฟราเรด (Infrared light) เปนแสงท�มองไมเหนดวยตาเปลา สามารถทาใหโมเลกลของวตถตาง ๆ เกดการส�นสะเทอนอยางรนแรงจนเกดความรอนข�นมาก เน�องจากวตถสวนใหญดดกลนแสงในชวงความยาวคล�นในชวง 3,000 - 100,000 นาโนเมตร ไดด ดงน�นจงนยมใชรงสอนฟราเรดในการทาใหวตถตางๆ แหง เพราะมประสทธภาพในการทาใหแหงสงกวาการใชความรอนแบบธรรมดา [7]

ภาพท� 9 คล�นแมเหลกไฟฟา

18

ปฏกรยาระหวางแสงและของแขง เม�อแสงผานจากตวกลางหน�งไปสอกตวกลางหน�ง เชน จากอากาศไปในเน�อของแขง จะมหลายปรากฏการณเกดข�น แสงบางสวนอาจสองผานเน�อของแขงน�นไป ในขณะท�บางสวนถกดดซบเอาไว และบางสวนถกสะทอนท�พ�นท�ผวระหวางตวกลางท�งสอง ความเขมของแสงท�ตกกระทบ (I0) จะตองเทากบผลบวกของความเขมของแสงท�สองผาน (IT) ถกดบซบ (IA) และสะทอนออก (IR) ดงสมการ

I0= IT + IA + IR ( 3 )

เม�อ I0= ความเขมของแสงท�ตกกระทบ

IT = ความเขมของแสงท�สองผาน

IA = แสงท�ถกดบซบ

IR = แสงท�สะทอนออก

ความเขมของแสงมหนวยเปนวตตตอตารางเมตร หมายถง คาพลงงานแสงตอหน� งหนวยเวลาในหน�งหนวยพ�นท�ต�งฉากกบทศทางการเคล�อนตว สมการขางตนอาจเขยนไดอกแบบหน�งคอ

T + A + R =1 ( 4 )

เม�อ T = สภาพสองผาน

A = สภาพดดซบ

R = สภาพสะทอน

โดยท� T คอสภาพสองผาน (Transmittivity) เทากบ (IT/I0) A คอสภาพดดซบ (Absorptivity) เทากบ (IA /I0) และ R คอสภาพสะทอน (Reflectivity) เทากบ (IR/I0) คออตราสวนของแสงท�สองผาน ถกดบซบและสะทอนโดยวสด ผลบวกของคาท�งสามเทากบหน�ง

วสดท�ปลอยใหแสงสองผานไดเปนปรมาณมาก มการดดซบและสะทอนออกเปนปรมาณนอยเรยกวาเปนวสดโปรงใส (Transparent) สามารถมองทะลวสดชนดน� ได วสดโปรงแสง (Translucent) เปนวสดท�ใหแสงสองผานได แตเกดการกระจายตวของแสงในเน�อวสด ทาใหไม

19

สามารถเหนวตถท�อยขางหลงวสดประเภทน�อยางชดเจน สาหรบวสดท�ไมยอมใหแสงสองผานเลย คอ วสดทบแสง (Opaque)

ชนดของเคร�องวดการดดกลนแสง

1. ชนดลาแสงเด�ยว (Single beam type) ใชลาแสงลาเดยวกนสาหรบวดสารอางอง (Reference หรอ Blank) และสารตวอยาง (Sample) การวดความเขมแสงกระทาโดยปรบ 0 %T แลวปรบ 0A หรอ 100 %T ดวยสารอางอง หลงจากน�นวดคาของสารตวอยางในหนวย A หรอ %T ชนดลาแสงเด�ยวมขอดตรงท�มองคประกอบนอย และมแสงผานไปยงสารตวอยางมากกวาแบบอ�น ๆ แตมขอเสยตรงท�มเสถยรภาพในการอานคาต�าและคาเปล�ยนแปลงไดงาย นอกจากน� ยงไมสามารถกวาด (Scan) ดการดดกลนของแสงตางๆ อยางตอเน�องได

ภาพท� 10 องคประกอบท�สาคญของเคร�องวดการดดกลนแสงแบบ single beam

2. ชนดลาแสงค (Double beam type) วดความเขมของแสงโดยการสะทอนแสงท�ผานออกมาจากตวแยกแสงใหผานสารอางองและสารตวอยางสลบกน ทาใหความเขมแสงท�ผานตวอยางลดลงคร� งหน� ง วงจรจะขยายสญญาณท�ไดจากการเปรยบเทยบสญลกษณท�ไดรบจากสารตวอยางกบสารอางองอยตลอดเวลา ดงน�นจงมเสถยรภาพในการวดความเขมของแสงดมาก แตเคร� องวดชนดน� มองคประกอบซบซอน เน�องจากใชตวไวแสงอนเดยวจงตองมวงจรเลอกวดสญญาณ และใชหลอดไฟฟากาเนดแสงมกาลงสองสวางสง จงทาใหมราคาแพงกวาเคร�องมอชนดลาแสงเด�ยว [8]

20

ภาพท� 11 องคประกอบท�สาคญของเคร�องวดการดดกลนแสงแบบ double beam

การทบทวนวรรณกรรม

Seungho C. และคณะ [9] ศกษาการสงเคราะหอนภาคนาโนซงกออกไซดท�มรปรางคลายเขมขนาดเลก โดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟโดยตรงลงบนแผนรองรบท�เปนซงกภายใตบรรยากาศของออกซเจนและอารกอน (ความดนรวม 1 เอทเอม) ซ� งคล�นไมโครเวฟท�ใชมพลงงานคอนขางต�า (300 วตต) และใชเวลาในการเกดปฏกรยาท�เรว (3 นาท) โดยไมจาเปนตองใชตวเรงปฏกรยาใด ๆ จากการวเคราะหการเล�ยวเบนของรงสเอกซ พบวาซงกออกไซดท�สงเคราะหได โครงสรางเปนแบบเฮกซะโกนอล และถกเคลอบบนแผนรองรบท�เปนซงก การวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศน พบซงกออกไซดท�มลกษณะคลายเขมมความยาวประมาณ 500 นาโนเมตร และมขนาดเสนผาศนยกลางบรเวณปลายเขมเฉล�ยเทากบ 50 นาโนเมตร และบรเวณโคนมขนาดเฉล�ยประมาณ 100 นาโนเมตร จากผลการวจยน� ชวยใหเขาใจกลไกการเกดอนภาคนาโนซงกออกไซดท�มรปรางคลายเขมขนาดเลกบนแผนรองรบท�เปนซงกโดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟโดยตรง

Hongbin C. และคณะ [10] ศกษาการเกดโครงสรางของซงกออกไซดท�เกดข�นโดยการใชความรอนจากพลงงานไมโครเวฟและสามารถควบคมการเจรญเตบโตของอนภาคนาโนซงกออกไซดท�มรปรางคลายเขมบนพ�นผวแผนรองรบได โดยข�นอยกบสารต�งตนและอณหภมเปนตวเรงปฏกรยา หลงจากน�นนาไปวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศน

21

อเลกตรอนแบบสองผาน และตรวจหาเฟสองคประกอบของสารโดยเทคนคการเล�ยวเบนของรงสเอกซ พบวาโครงสรางเปนแบบเฮกซะโกลนอล

Seungho C. และคณะ [11] ศกษาการสงเคราะหและควบคมความหนาแนนของอนภาคซงกออกไซดในระดบนาโนท�มรปรางคลายเขมบนพ�นผวเทฟลอน โดยผลความเขมขนของอลมเนยมคลอไรด มผลตอความหนาแนนของซงกออกไซด ท�ผานการสงเคราะหดวยวธไมโครเวฟท�อณหภม 95 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท หลงจากน�นนาไปวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (SEM) กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน (TEM) และตรวจหาเฟสองคประกอบของสารโดยเทคนคการเล�ยวเบนของรงสเอกซ (XRD)พบช�นของซงกอลมเนยมท�มดบเบ�ลไฮดรอกไซด (ZnAl:LDH) เปนส� งสาคญท�เปนตวควบคมความหนาแนนของซงกออกไซดบนแผนเทฟลอน

Yonghong N. และคณะ [12] ศกษาการเตรยมซงกออกไซดท�มโครงสรางแบบเฮกซะโกลนอลโดยวธไมโครเวฟ ใชพลงงาน 700 วตต ความถ� 2.45 จกกะเฮรต เปนเวลา 8 นาท สารต�งตนท�ใชคอ ซงกอะซเตรทไดไฮเดรต เอคลลาไมด 2,20-azo-bis-iso-butyronitrile(AIBN)และเมททวลนเตะตระไมด เปนตวกาหนดการเจรญเตบโตของซงกออกไซด บนพ�นผวของแผนรองรบตางๆ หลงจากน�นนาไปวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศนพบวาซงกออกไซดท�สงเคราะหไดมโครงสรางผลกแบบเฮกซะโกนอล

Farid S. และคณะ [13] ศกษาหาลกษณะเฉพาะของฟลมซงกออกไซดมรปรางแบบเสนขนาดเลกในระดบนาโน ไดมการเตรยมบนแผนซงกบรสทธ� โดยมการตกเคลอบของทองโดยมการกลายเปนไอในระบบสญญากาศ หลงจากน�นนาไปอบท�อณหภม 400 องศาเซลเซยส เปนเวลา 4 ช�วโมง เม�อวเคราะหดวยการเล�ยวเบนของรงสเอกซ พบวาซงกออกไซดท�สงเคราะหไดมโครงสรางเวรตไซทแบบเฮกซะโกนอล พรอมกบเฟสของ AuZn3 เม�อวเคราะหดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนพบวาซงกออกไซดท�มลกษณะเปนเสน มเสนผาศนยกลางอยในระดบนาโนเมตรและมความยาวอยในระดบไมโครเมตร และเม�อนาไปวเคราะหดวยสมบตทางแสง พบวาฟลมท�ผานการอบออนมผลกสง สงผลตอการตอบสนองในชวงความยาวคล�นแสงท�ตามองเหน หลงจากน�นนามาวเคราะหการเปยกผว พบวาฟลมท�ผานการอบออนมมมสมผสเพ�มสงข�น

Chih L. และคณะ [14] ศกษาการสงเคราะหของซงกออกไซดท�มลษณะแบบเสนลวดขนาดนาโนดวยวธการแตกตวทางความรอนโดยใชซงกอะซเตทไดไฮเดรท 0.5 กรมใสในถวยอลมนาแลวปดฝา นาไปเขาเตาใหความรอนท�อณหภม 300 องศาเซลเซยส เปนเวลา 1-12 ช�วโมง หลงจากน�นนาไปวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสอง

22

กราด กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน และตรวจหาเฟสองคประกอบของสารโดยเทคนคการเล�ยวเบนของรงสเอกซ พบวา ไดซงกออกไซดท�มลกษณะแบบเสนลวดขนาดเลก มโครงสรางเปนแบบเฮกซะโกนอล และมเสนผาศนยกลางประมาณ 40 นาโนเมตร

Liang L. และคณะ [15] ศกษาผลของการอบออนท�มผลตอสมบตของฟลมซงกออกไซดท�ถกเตรยมโดยวธทางเคม ดวยซลคอนเวเฟอรชนด พไทด เปนแผนรองรบ นาไปทาความสะอาดดวยอะซโตนและน� าท�ปราศจากไอออนตามลาดบ นาไปเขาเตา อบออนท�อณหภม 500 องศาเซลเซยส โดยใชอตราการเพ�มของอณหภมท� 50 องศาตอนาท ทาใหซงกอะซเตทท�เตรมไวกลายเปนไอข� นไปเกาะบนแผนรองรบท�เปนซลคอนเวเฟอร ท�วางขนานกน ดวยระยะหาง 10 เซนตเมตร ภายใตบรรยากาศ อารกอนและออกซเจน เปนเวลา 3 นาท และปดทกอยาง และลดอณหภมจนถงอณหภมหอง หลงจากน�นนาไปวเคราะหหาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยาโดยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด และตรวจหาเฟสของสารโดยเทคนคการเล�ยวเบนของรงสเอกซ พบวา ไดซงกออกไซดท�มโครงสรางเปนแบบเฮกซะโกนอล

วตถประสงคของการวจย

วตถประสงคของโครงการวจยเร� อง การสงเคราะหซงคออกไซดโดยใชเทคนคคล�น

ไมโครเวฟ ดงน&

1. เพ�อประยกตใชเคร�องไมโครเวฟในการสงเคราะหฟลมซงคออกไซด

2. เพ�อศกษาเทคนคการสงเคราะหฟลมบางดวยเทคนคคล�นไมโครเวฟซ� งเปนเทคนคท�

สรางข&นไดงายไมยงยากซบซอนและตนทนในการสรางเคร�องต�า

3. เพ�อหาเง�อนไขท�เหมาะสมในการสงเคราะหฟลมโลหะออกไซด

4. เพ�อศกษาลกษณะเฉพาะทางสณฐานวทยา องคประกอบของโครงสรางผลกและเฟส

และสมบตทางแสงของฟลมบางท�สงเคราะหข&น

ประโยชนท�คาดวาจะไดรบ

ประโยชนท�คาดวาจะไดรบจากโครงการวจยเร� องการสงเคราะหซงคออกไซดโดยใชเทคนคคล�นไมโครเวฟน# ดงน#

1. กอใหเกดการองคความรและความเขาใจเก�ยวกบการสงเคราะหซงคออกไซดท� ซ� งจะมตวแปรอ�นๆ เก�ยวกบมากมาย ดงน#นจงตองใชความรและความเขาใจอยางมากในการสงเคราะหฟลมเพ�อใหมประสทธภาพสงสด

2. กอใหเกดการพฒนาเทคนคและการประยกตใชเคร�องไมโครเวฟในการสงเคราะหฟลมข#นได

3. กอใหเกดการพฒนาศกยภาพและบรณาการสาหรบการเรยนการสอนได เชน รายวชา วท 498 การเรยนรอสระ

4. เผยแพรผลงานวจยจากโครงการวจยน# ในท�การประชมทางวชาการท#งในระดบชาตและนานาชาตได นอกจากน#ผวจยยงคาดหวงวาจะตพมพผลงานวจยน# ในวารสารทางวชาการระดบชาตและนานาชาตได

สรปผลการวจย

งานวจยโครงการการสงเคราะหฟลมของซงคออกไซดโดยเทคนคไมโครเวฟไดสรปผลการวจยไดดงน

1. การศกษาเฟสและโครงสรางผลกดวยเทคนค XRD ฟลมทถกเตรยมดวยวธทางกายภาพ พบเฟสของซงค (Zn) ซงมโครงสรางผลกแบบเฮกซะโกนอล อาจเนองจากฟลมท เตรยมคอนขางบาง สวนฟลมทเตรยมดวยวธทางเคมพบเฟสของซงคออกไซด (ZnO) ทมโครงสรางผลกแบบเฮกซะโกนอล ซงตรงกบ JCPDS หมายเลข 79-0208

2. ฟลมทเตรยมทงสองวธนนพบองคประกอบธาตของซงค (Zn) และ ออกซเจน (O) จากการวเคราะหดวยเทคนค EDS

3. ลกษณะสณฐานวทยาบนพนผวของฟลมทเตรยมดวยวธทางกายภาพพบซงคออกไซดมลกษณะเปนเสนลวดขนาดเลกมทศทางพงออกจากแผนรองรบทเปนแผนสงกะสและใหคลนไมโครเวฟกระทบโดยตรง โดยพลงงานทเพมขนของไมโครเวฟสงผลตอความยาวและความหนาแนนของเสนลวดซงคออกไซด และฟลมทเตรยมดวยวธทางเคมพนผวของฟลมคอนขางเรยบ ไมมรพรน พลงงานและเวลาไมมผลตอการสงเคราะหดวยวธทางเคม

4. วเคราะหสมบตทางแสงดวยเครอง UV-VIS spectrophotometer พบวา ฟลมมการตอบสนองตอแสงทความยาวคลนแสงประมาณ 370-375 นาโนเมตร ซงเปนความยาวคลนแสงในชวงของแสงอลตราไวโอเลต โดยมการสองผานเพมขนเมอใชเวลาเพมมากขน อกทงเมอคานวณคาพลงงานตองหาม (Energy band gap) มคาประมาณ 3.31-3.35 อเลกตรอนโวลต

ขอเสนอแนะ

1. การศกษาลกษณะทางสณฐานวทยาดวยกลองจลทรรศนแบบสองกราดอาจจะเคลอบทองบางๆ และใชกาลงขยายนอยกวาหาหมนเทา เนองจากอาจจะทาใหเหนอนภาคของทองได ซงตองใชประสบการณในการวเคราะหความแตกตางระหวางอนภาคทองและอนภาคของสารทสงเคราะห

2. การวเคราะหเฟสและโครงสรางผลกดวยเทคนค XRD สาหรบฟลมบางมากๆ อาจจะกาหนดมมตกกระทบทตามากๆ เพอสะทอนเฟสของฟลมบางไดดยงขน

ภาคผนวก

ผลงานวจยในโครงการน� ไดถกนาเสนอในท�ประชมทางวชาการระดบชาตและนานาชาต รวมท�งส�น 2 คร� ง ไดแก

1. การประชมทางวชาการจลทรรศนแหงประเทศไทย คร� งท� 30 (MST 30) ซ� งจดข�นระหวางวนท� 23 – 25 ตลาคม พ.ศ. 2556 ณ จงหวดจนทบร ซ� งนาเสนอเร�อง “preparation of zinc oxide films by using microwave technique”

2. การประชมทางวชาการ The 7th International Conference on Materials Advanced Technologies ระหวางวนท� 30 มถนายน พ.ศ. 2556 – 5 กรกฎาคม พ.ศ. 2556 ณ สาธารณรฐสงคโปร ซ� งนาเสนอเร�อง “The effect of preparative parameter on the structure and properties of zinc oxide thin films prepared by microwave technique”

66

67

68