บทที่ 2 ทฤษฎี - archive.lib.cmu.ac.tharchive.lib.cmu.ac.th/full/T/2552/aphys1052sc_ch2.pdf · บทที่ 2 ทฤษฎี 2.1 สมบัติของสารซ

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]

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

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

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

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)

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

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

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]

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

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

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]

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

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

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

23

2.9.1.6 อุปกรณสรางภาพและถายภาพ (Imaging Photographic Devices) ทําหนาท่ีในการประมวลผลสัญญาณท่ีไดจากอุปกรณรวมสัญญาณ แลวทําการสรางภาพ

ออกมา ซ่ึงภาพท่ีไดจะเปนภาพท่ีเกดิจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจงิกลับเปนหลักนอกจากนี้ภาพท่ีไดยังเปนภาพท่ีมีกําลังขยายสูง ซ่ึงองคประกอบของ SEM ดังแสดงในรูปท่ี 2.13

รูปท่ี 2.13 แสดงองคประกอบภายในของ SEM [23]

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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)

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]

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]

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

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

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]