សម្ភារៈថ្មីបដិវត្តន៍ - ស៊ីលីកុនខ្មៅ
ស៊ីលីកុនខ្មៅគឺជាប្រភេទថ្មីនៃសម្ភារៈស៊ីលីកុនដែលមានលក្ខណៈសម្បត្តិអុបតូអេឡិចត្រូនិចដ៏ល្អឥតខ្ចោះ។ អត្ថបទនេះសង្ខេបការងារស្រាវជ្រាវលើស៊ីលីកុនខ្មៅដោយលោក Eric Mazur និងអ្នកស្រាវជ្រាវដទៃទៀតក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ ដោយរៀបរាប់លម្អិតអំពីយន្តការរៀបចំ និងបង្កើតស៊ីលីកុនខ្មៅ ក៏ដូចជាលក្ខណៈសម្បត្តិរបស់វាដូចជាការស្រូបយក ពន្លឺ ការបញ្ចេញពន្លឺវាល និងការឆ្លើយតបវិសាលគម។ វាក៏ចង្អុលបង្ហាញពីការអនុវត្តសក្តានុពលសំខាន់ៗនៃស៊ីលីកុនខ្មៅនៅក្នុងឧបករណ៍ចាប់សញ្ញាអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដ កោសិកាពន្លឺព្រះអាទិត្យ និងអេក្រង់បន្ទះសំប៉ែតផងដែរ។
ស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ត្រូវបានគេប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងឧស្សាហកម្មស៊ីមីកុងដុកទ័រដោយសារតែគុណសម្បត្តិរបស់វាដូចជាភាពងាយស្រួលនៃការបន្សុទ្ធ ភាពងាយស្រួលនៃការបន្ថែមសារធាតុបន្ថែម និងភាពធន់នឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ វាក៏មានគុណវិបត្តិជាច្រើនផងដែរ ដូចជាការឆ្លុះបញ្ចាំងខ្ពស់នៃពន្លឺដែលអាចមើលឃើញ និងពន្លឺអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដនៅលើផ្ទៃរបស់វា។ លើសពីនេះ ដោយសារតែគម្លាតក្រុមធំរបស់វាស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់មិនអាចស្រូបយកពន្លឺដែលមានរលកពន្លឺធំជាង 1100 nm បានទេ។ នៅពេលដែលរលកពន្លឺចូលធំជាង 1100 nm អត្រាស្រូបយក និងឆ្លើយតបរបស់ឧបករណ៍ចាប់សញ្ញាស៊ីលីកុនត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងខ្លាំង។ សម្ភារៈផ្សេងទៀតដូចជា germanium និង indium gallium arsenide ត្រូវតែប្រើដើម្បីរកឃើញរលកពន្លឺទាំងនេះ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ តម្លៃខ្ពស់ លក្ខណៈសម្បត្តិទែរម៉ូឌីណាមិកមិនល្អ និងគុណភាពគ្រីស្តាល់ និងភាពមិនឆបគ្នាជាមួយដំណើរការស៊ីលីកុនចាស់ទុំដែលមានស្រាប់កំណត់ការអនុវត្តរបស់ពួកវានៅក្នុងឧបករណ៍ដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន។ ដូច្នេះ ការកាត់បន្ថយការឆ្លុះបញ្ចាំងនៃផ្ទៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ និងការពង្រីកជួររលកពន្លឺរកឃើញរបស់ឧបករណ៍ចាប់សញ្ញាពន្លឺដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន និងឆបគ្នាជាមួយស៊ីលីកុននៅតែជាប្រធានបទស្រាវជ្រាវដ៏ក្តៅគគុក។
ដើម្បីកាត់បន្ថយការឆ្លុះបញ្ចាំងនៃផ្ទៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ វិធីសាស្ត្រពិសោធន៍ និងបច្ចេកទេសជាច្រើនត្រូវបានប្រើប្រាស់ ដូចជា ហ្វូតូលីថូក្រាហ្វី ការឆ្លាក់អ៊ីយ៉ុងប្រតិកម្ម និងការឆ្លាក់អេឡិចត្រូគីមី។ បច្ចេកទេសទាំងនេះអាចផ្លាស់ប្តូរផ្ទៃ និងរូបរាងជិតផ្ទៃនៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ក្នុងកម្រិតខ្លះ ដោយហេតុនេះកាត់បន្ថយស៊ីលីកុន ការឆ្លុះបញ្ចាំងលើផ្ទៃ។ នៅក្នុងជួរពន្លឺដែលអាចមើលឃើញ ការកាត់បន្ថយការឆ្លុះបញ្ចាំងអាចបង្កើនការស្រូបយក និងបង្កើនប្រសិទ្ធភាពឧបករណ៍។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ នៅរលកពន្លឺលើសពី 1100 nm ប្រសិនបើគ្មានកម្រិតថាមពលស្រូបយកត្រូវបានបញ្ចូលទៅក្នុងគម្លាតក្រុមស៊ីលីកុនទេ ការថយចុះការឆ្លុះបញ្ចាំងនឹងនាំឱ្យមានការបញ្ជូនកើនឡើង ពីព្រោះគម្លាតក្រុមស៊ីលីកុននៅទីបំផុតកំណត់ការស្រូបយកពន្លឺរលកពន្លឺវែងរបស់វា។ ដូច្នេះ ដើម្បីពង្រីកជួររលកពន្លឺដែលងាយរងគ្រោះនៃឧបករណ៍ដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន និងឧបករណ៍ដែលឆបគ្នាជាមួយស៊ីលីកុន វាចាំបាច់ក្នុងការបង្កើនការស្រូបយកហ្វូតុងនៅក្នុងគម្លាតក្រុម ខណៈពេលដែលកាត់បន្ថយការឆ្លុះបញ្ចាំងលើផ្ទៃស៊ីលីកុនក្នុងពេលដំណាលគ្នា។
នៅចុងទសវត្សរ៍ឆ្នាំ 1990 សាស្ត្រាចារ្យ Eric Mazur និងអ្នកដទៃទៀតនៅសាកលវិទ្យាល័យហាវ៉ាដ បានទទួលសម្ភារៈថ្មីមួយគឺ ស៊ីលីកុនខ្មៅ ក្នុងអំឡុងពេលស្រាវជ្រាវរបស់ពួកគេលើអន្តរកម្មនៃឡាស៊ែរ femtosecond ជាមួយរូបធាតុ ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1។ ខណៈពេលកំពុងសិក្សាពីលក្ខណៈសម្បត្តិ photoelectric នៃស៊ីលីកុនខ្មៅ Eric Mazur និងសហការីរបស់គាត់មានការភ្ញាក់ផ្អើលនៅពេលដឹងថាសម្ភារៈស៊ីលីកុនមីក្រូស្ត្រុកទ័រនេះមានលក្ខណៈសម្បត្តិ photoelectric តែមួយគត់។ វាស្រូបយកពន្លឺស្ទើរតែទាំងអស់នៅក្នុងជួរជិតអ៊ុលត្រាវីយូឡេ និងជិតអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដ (0.25–2.5 μm) ដោយបង្ហាញពីលក្ខណៈពន្លឺដែលអាចមើលឃើញ និងជិតអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដដ៏ល្អឥតខ្ចោះ និងលក្ខណៈសម្បត្តិនៃការបំភាយដែនល្អ។ ការរកឃើញនេះបានបង្កឱ្យមានការចាប់អារម្មណ៍នៅក្នុងឧស្សាហកម្ម semiconductor ដោយទស្សនាវដ្តីធំៗប្រកួតប្រជែងដើម្បីរាយការណ៍អំពីវា។ នៅឆ្នាំ 1999 ទស្សនាវដ្តី Scientific American និង Discover នៅឆ្នាំ 2000 ផ្នែកវិទ្យាសាស្ត្រ Los Angeles Times និងនៅឆ្នាំ 2001 ទស្សនាវដ្តី New Scientist ទាំងអស់បានបោះពុម្ពផ្សាយអត្ថបទពិសេសៗដែលពិភាក្សាអំពីការរកឃើញស៊ីលីកុនខ្មៅ និងកម្មវិធីសក្តានុពលរបស់វា ដោយជឿថាវាមានតម្លៃសក្តានុពលយ៉ាងសំខាន់នៅក្នុងវិស័យដូចជាការចាប់សញ្ញាពីចម្ងាយ ការទំនាក់ទំនងអុបទិក និងមីក្រូអេឡិចត្រូនិច។
បច្ចុប្បន្ននេះ លោក T. Samet មកពីប្រទេសបារាំង លោក Anoife M. Moloney មកពីប្រទេសអៀរឡង់ លោក Zhao Li មកពីសាកលវិទ្យាល័យ Fudan ក្នុងប្រទេសចិន និងលោក Men Haining មកពីបណ្ឌិត្យសភាវិទ្យាសាស្ត្រចិន សុទ្ធតែបានធ្វើការស្រាវជ្រាវយ៉ាងទូលំទូលាយលើស៊ីលីកុនខ្មៅ និងសម្រេចបានលទ្ធផលបឋម។ ក្រុមហ៊ុន SiOnyx ដែលជាក្រុមហ៊ុនមួយនៅរដ្ឋ Massachusetts សហរដ្ឋអាមេរិក ថែមទាំងបានរៃអង្គាសប្រាក់ចំនួន ១១ លានដុល្លារជាទុនវិនិយោគ ដើម្បីបម្រើជាវេទិកាអភិវឌ្ឍន៍បច្ចេកវិទ្យាសម្រាប់ក្រុមហ៊ុនផ្សេងទៀត ហើយបានចាប់ផ្តើមផលិតពាណិជ្ជកម្មបន្ទះស៊ីលីកុនខ្មៅដែលមានមូលដ្ឋានលើឧបករណ៍ចាប់សញ្ញា ដោយរៀបចំប្រើប្រាស់ផលិតផលដែលបានបញ្ចប់នៅក្នុងប្រព័ន្ធថតរូបភាពអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដជំនាន់ក្រោយ។ លោក Stephen Saylor នាយកប្រតិបត្តិក្រុមហ៊ុន SiOnyx បានថ្លែងថា គុណសម្បត្តិតម្លៃទាប និងភាពរសើបខ្ពស់នៃបច្ចេកវិទ្យាស៊ីលីកុនខ្មៅ នឹងទាក់ទាញចំណាប់អារម្មណ៍របស់ក្រុមហ៊ុនដែលផ្តោតលើការស្រាវជ្រាវ និងទីផ្សារថតរូបភាពវេជ្ជសាស្ត្រជាមិនខាន។ នៅពេលអនាគត វាថែមទាំងអាចចូលទៅក្នុងទីផ្សារកាមេរ៉ាឌីជីថល និងម៉ាស៊ីនថតវីដេអូដែលមានតម្លៃរាប់ពាន់លានដុល្លារទៀតផង។ ក្រុមហ៊ុន SiOnyx ក៏កំពុងពិសោធន៍ជាមួយនឹងលក្ខណៈសម្បត្តិ photovoltaic នៃស៊ីលីកុនខ្មៅ ហើយវាទំនងជាខ្ពស់ដែល...ស៊ីលីកុនខ្មៅនឹងត្រូវបានប្រើប្រាស់នៅក្នុងកោសិកាពន្លឺព្រះអាទិត្យនាពេលអនាគត។ ១. ដំណើរការបង្កើតស៊ីលីកុនខ្មៅ
១.១ ដំណើរការរៀបចំ
បន្ទះស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់តែមួយត្រូវបានសម្អាតជាបន្តបន្ទាប់ជាមួយទ្រីក្លរ៉ូអេទីឡែន អាសេតូន និងមេតាណុល ហើយបន្ទាប់មកដាក់លើដំណាក់កាលគោលដៅដែលអាចចល័តបានបីវិមាត្រនៅក្នុងបន្ទប់សុញ្ញកាស។ សម្ពាធមូលដ្ឋាននៃបន្ទប់សុញ្ញកាសគឺតិចជាង 1.3 × 10⁻² Pa។ ឧស្ម័នការងារអាចជា SF₆, Cl₂, N₂, ខ្យល់, H₂S, H₂, SiH₄ ជាដើម ជាមួយនឹងសម្ពាធការងារ 6.7 × 10⁴ Pa។ ម៉្យាងទៀត បរិយាកាសសុញ្ញកាសអាចត្រូវបានប្រើ ឬម្សៅធាតុនៃ S, Se ឬ Te អាចត្រូវបានស្រោបលើផ្ទៃស៊ីលីកុននៅក្នុងសុញ្ញកាស។ ដំណាក់កាលគោលដៅក៏អាចត្រូវបានជ្រមុជក្នុងទឹកផងដែរ។ ជីពចរ Femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ដែលបង្កើតឡើងដោយឧបករណ៍ពង្រីកឡាស៊ែរ Ti:sapphire ត្រូវបានផ្តោតដោយកែវ ហើយត្រូវបានបញ្ចេញកាំរស្មីកាត់កែងទៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុន (ថាមពលទិន្នផលឡាស៊ែរត្រូវបានគ្រប់គ្រងដោយឧបករណ៍កាត់បន្ថយពន្លឺ ដែលមានបន្ទះពាក់កណ្តាលរលក និងប៉ូឡារីស័រ)។ តាមរយៈការផ្លាស់ទីដំណាក់កាលគោលដៅដើម្បីស្កេនផ្ទៃស៊ីលីកុនជាមួយនឹងចំណុចឡាស៊ែរ អាចទទួលបានសម្ភារៈស៊ីលីកុនខ្មៅលើផ្ទៃដីធំ។ ការផ្លាស់ប្តូរចម្ងាយរវាងកែវ និងបន្ទះស៊ីលីកុនអាចកែតម្រូវទំហំនៃចំណុចពន្លឺដែលបញ្ចេញកាំរស្មីលើផ្ទៃស៊ីលីកុន ដោយហេតុនេះផ្លាស់ប្តូរលំហូរឡាស៊ែរ។ នៅពេលដែលទំហំចំណុចថេរ ការផ្លាស់ប្តូរល្បឿនផ្លាស់ទីនៃដំណាក់កាលគោលដៅអាចកែតម្រូវចំនួនជីពចរដែលបញ្ចេញកាំរស្មីលើផ្ទៃឯកតានៃផ្ទៃស៊ីលីកុន។ ឧស្ម័នធ្វើការប៉ះពាល់យ៉ាងខ្លាំងដល់រូបរាងនៃមីក្រូស្ត្រុកទ័រផ្ទៃស៊ីលីកុន។ នៅពេលដែលឧស្ម័នធ្វើការថេរ ការផ្លាស់ប្តូរលំហូរឡាស៊ែរ និងចំនួនជីពចរដែលទទួលបានក្នុងមួយផ្ទៃដីឯកតាអាចគ្រប់គ្រងកម្ពស់ សមាមាត្រទិដ្ឋភាព និងចន្លោះនៃមីក្រូស្ត្រុកទ័រ។
១.២ លក្ខណៈមីក្រូទស្សន៍
បន្ទាប់ពីការបំភាយកាំរស្មីឡាស៊ែរ femtosecond ផ្ទៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់រលោងដើមឡើយបង្ហាញអារេនៃរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណតូចៗដែលរៀបចំយ៉ាងទៀងទាត់។ កំពូលកោណស្ថិតនៅលើប្លង់ដូចគ្នានឹងផ្ទៃស៊ីលីកុនជុំវិញដែលមិនបានបំភាយកាំរស្មី។ រូបរាងនៃរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណមានទំនាក់ទំនងទៅនឹងឧស្ម័នធ្វើការ ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 2 ដែលរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណដែលបង្ហាញក្នុង (ក), (ខ) និង (គ) ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅក្នុងបរិយាកាស SF₆, S និង N₂ រៀងៗខ្លួន។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ទិសដៅនៃកំពូលកោណគឺឯករាជ្យពីឧស្ម័ន ហើយតែងតែចង្អុលទៅទិសដៅនៃការចូលឡាស៊ែរ មិនរងផលប៉ះពាល់ដោយទំនាញផែនដី ហើយក៏ឯករាជ្យពីប្រភេទដូពីង ភាពធន់ និងទិសដៅគ្រីស្តាល់នៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ផងដែរ។ មូលដ្ឋានកោណគឺមិនស្មើគ្នា ជាមួយនឹងអ័ក្សខ្លីរបស់វាស្របទៅនឹងទិសដៅប៉ូឡារីសាស្យុងឡាស៊ែរ។ រចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណដែលបង្កើតឡើងនៅក្នុងខ្យល់គឺរដុបបំផុត ហើយផ្ទៃរបស់វាត្រូវបានគ្របដណ្ដប់ដោយរចនាសម្ព័ន្ធណាណូដេនឌ្រីតតូចជាង 10–100 nm។
លំហូរឡាស៊ែរកាន់តែខ្ពស់ និងចំនួនជីពចរកាន់តែច្រើន រចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណកាន់តែខ្ពស់ និងធំទូលាយ។ នៅក្នុងឧស្ម័ន SF6 កម្ពស់ h និងចន្លោះ d នៃរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណមានទំនាក់ទំនងមិនលីនេអ៊ែរ ដែលអាចត្រូវបានបង្ហាញជា h∝dp ដែល p=2.4±0.1; ទាំងកម្ពស់ h និងចន្លោះ d កើនឡើងគួរឱ្យកត់សម្គាល់ជាមួយនឹងការកើនឡើងនៃលំហូរឡាស៊ែរ។ នៅពេលដែលលំហូរកើនឡើងពី 5 kJ/m² ដល់ 10 kJ/m² ចន្លោះ d កើនឡើង 3 ដង ហើយរួមផ្សំជាមួយនឹងទំនាក់ទំនងរវាង h និង d កម្ពស់ h កើនឡើង 12 ដង។
បន្ទាប់ពីការដុតនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ (1200 K, 3 ម៉ោង) ក្នុងកន្លែងទំនេរ រចនាសម្ព័ន្ធរាងសាជីនៃស៊ីលីកុនខ្មៅមិនបានផ្លាស់ប្តូរគួរឱ្យកត់សម្គាល់ទេ ប៉ុន្តែរចនាសម្ព័ន្ធណាណូដង់ឌ្រីតទំហំ 10–100 nm នៅលើផ្ទៃត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងខ្លាំង។ វិសាលគមនៃការបង្កើតអ៊ីយ៉ុងបានបង្ហាញថា ភាពមិនប្រក្រតីនៅលើផ្ទៃរាងសាជីបានថយចុះបន្ទាប់ពីការធ្វើឱ្យក្តៅ ប៉ុន្តែរចនាសម្ព័ន្ធដែលមិនប្រក្រតីភាគច្រើនមិនបានផ្លាស់ប្តូរនៅក្រោមលក្ខខណ្ឌធ្វើឱ្យក្តៅទាំងនេះទេ។
១.៣ យន្តការបង្កើត
បច្ចុប្បន្ននេះ យន្តការបង្កើតស៊ីលីកុនខ្មៅមិនទាន់ច្បាស់លាស់នៅឡើយទេ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ Eric Mazur និងក្រុមការងារបានសន្និដ្ឋាន ដោយផ្អែកលើការផ្លាស់ប្តូររូបរាងនៃមីក្រូស្ត្រុកទ័រផ្ទៃស៊ីលីកុនជាមួយនឹងបរិយាកាសការងារថា ក្រោមការរំញោចនៃឡាស៊ែរ femtosecond ដែលមានអាំងតង់ស៊ីតេខ្ពស់ មានប្រតិកម្មគីមីរវាងឧស្ម័ន និងផ្ទៃស៊ីលីកុនគ្រីស្តាល់ ដែលអនុញ្ញាតឱ្យផ្ទៃស៊ីលីកុនត្រូវបានឆ្លាក់ដោយឧស្ម័នមួយចំនួន បង្កើតជាកោណមុតស្រួច។ Eric Mazur និងក្រុមការងារបានសន្មតថា យន្តការរូបវន្ត និងគីមីនៃការបង្កើតមីក្រូស្ត្រុកទ័រផ្ទៃស៊ីលីកុនគឺ៖ ការរលាយ និងការលុបបំបាត់ស្រទាប់ស៊ីលីកុនដែលបណ្តាលមកពីជីពចរឡាស៊ែរលំហូរខ្ពស់; ការលុបបំបាត់ស្រទាប់ស៊ីលីកុនដោយអ៊ីយ៉ុងប្រតិកម្ម និងភាគល្អិតដែលបង្កើតឡើងដោយវាលឡាស៊ែរខ្លាំង; និងការគ្រីស្តាល់ឡើងវិញនៃផ្នែកដែលត្រូវបានលុបចោលនៃស៊ីលីកុនស្រទាប់ស៊ីលីកុន។
រចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណនៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុនត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយឯកឯង ហើយអារេស្ទើរតែទៀងទាត់អាចត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយគ្មានរបាំង។ MY Shen និងក្រុមការងារ បានភ្ជាប់សំណាញ់ស្ពាន់មីក្រូទស្សន៍អេឡិចត្រុងបញ្ជូនកម្រាស់ 2 μm ទៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុនជារបាំង ហើយបន្ទាប់មកបានបញ្ចេញកាំរស្មីស៊ីលីកុនក្នុងឧស្ម័ន SF6 ដោយប្រើឡាស៊ែរ femtosecond។ ពួកគេទទួលបានអារេរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណដែលបានរៀបចំយ៉ាងទៀងទាត់នៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុន ស្របតាមលំនាំរបាំង (សូមមើលរូបភាពទី 4)។ ទំហំរន្ធនៃរបាំងប៉ះពាល់យ៉ាងខ្លាំងដល់ការរៀបចំរចនាសម្ព័ន្ធរាងកោណ។ ការឌីផ្រាក់ស្យុងនៃឡាស៊ែរដែលកើតឡើងដោយរន្ធរបាំងបណ្តាលឱ្យមានការចែកចាយថាមពលឡាស៊ែរមិនស្មើគ្នានៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុន ដែលបណ្តាលឱ្យមានការចែកចាយសីតុណ្ហភាពតាមកាលកំណត់នៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុន។ នៅទីបំផុត នេះបង្ខំឱ្យអារេរចនាសម្ព័ន្ធផ្ទៃស៊ីលីកុនក្លាយជាទៀងទាត់។