โครงการวิจัย 4: การพัฒนาแม่เหล็กถาวรขั้นสูง สำหรับตู้เย็นแม่เหล็ก

โครงการวิจัย 4: การพัฒนาแม่เหล็กถาวรขั้นสูง สำหรับตู้เย็นแม่เหล็ก

แม่เหล็กถาวร (permanent magnet) มีบทบาทที่สำคัญในสังคมยุคใหม่เนื่องจากคุณสมบัติที่เด่นของแม่เหล็กถาวรที่สามารถให้กำเนิดสนามแม่เหล็กได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน จากแหล่งใดๆแม่เหล็กถาวรจึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายอุปกรณ์ในชีวิตประจำวัน ความหลากหลายของการประยุกต์ใช้แม่เหล็กถาวรทำให้เกิดความต้องการวัสดุแม่เหล็กถาวรที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้ ข้อพิจารณาหลักในการเลือกชนิดแม่เหล็กถาวรคือความแรงของสนามแม่เหล็ก และความสามารถของสารแม่เหล็กที่จะคงสภาพความเป็นแม่เหล็กเมื่อใช้งานในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศตรงกันข้ามหรือเมื่ออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตร เช่น ที่อุณหภูมิสูง นอกเหนือจากนั้นข้อพิจารณาที่สำคัญคือราคา ตัวอย่างชนิดของแม่เหล็กถาวร เช่น แม่เหล็กถาวรที่ทำจากสตรอนเตียมเฟอร์ไรต์ราคาถูก (strontium ferrite, SrFe¹² O¹⁹ หรือ SrO⁶ Fe² O³) นิยมนำมาใช้เป็นสติกเกอร์แม่เหล็กติดบนผนังตู้เย็น แม่เหล็กถาวรขนิดสารเฟอร์ไรต์ผ่านการถูกอบร้อนที่ใช้ในแมกเนตรอน  (magnetron) ช่วยในการสร้างคลื่นไมโครเวฟในเตาอบไมโครเวฟ แม่เหล็กถาวรที่เป็นที่รู้จักในชื่อของอัลนิโค (Alnico ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือ Fe, Al, Ni และ Co โดยมีการเจือสาร Cu, Ti และ/หรือ Si) เป็นแม่เหล็กที่ใช้เป็นเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น ในอุปกรณ์ป้องกันขโมยและในระบบย่อยของยานพาหนะอีกมากมายแม่เหล็กถาวรที่แพงขึ้นมาอีกระดับหนึ่งคือแม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงซึ่งเป็นแม่เหล็กถาวรที่มีค่าสนามแม่เหล็กค่อนข้างสูงและเป็นที่รู้จักในชื่อแม่เหล็กนีโอ (neo magnet, Nd² Fe¹⁴ B โดย Nd คือธาตุ Neodymium, Fe คือธาตุเหล็ก และ B คือธาตุโบรอน) แม่เหล็กนีโอที่ขึ้นรูปด้วยการอัดด้วยความดันพบการใช้งานในมอเตอร์เพื่อหมุนแผ่น CDs DVDs และ แผ่น Blue ray ส่วนแม่เหล็กนีโอที่ผ่านการอบร้อนถูกใช้เป็นตัวขับเคลื่อนหัวอ่าน-เขียนของฮาร์ดดิสค์ ณ ปัจจุบัน แม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเทคโนโลยีหลายด้าน เช่น เทคโนโลยีขับเคลื่อนรถไฟฟ้าด้วยมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง และเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้ไดนาโมประสิทธิภาพสูงในการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานธรรมชาติ (เช่น พลังงานลม และพลังงานคลื่นน้ำ) ความต้องการใช้แม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงทั้งในแง่ของปริมาณและประสิทธิภาพมีแนวโน้มที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ

ณ ปัจจุบัน แม่เหล็กนีโอจัดเป็นวัสดุที่มีการใช้มากที่สุดในการผลิตแม่เหล็กถาวรที่มีประสิทธิภาพสูง ทั้งนี้เนื่องจากว่าแม่เหล็กนีโอมีค่าความหนาแน่นพลังงานสูงมากกว่าวัสดุแม่เหล็กอื่นที่ผลิตเพื่อการค้า การพัฒนาวัสดุแม่เหล็กถาวร ณ ปัจจุบันเน้นการเติมสารเพื่อปรับแต่งคุณสมบัติบางอย่างเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งาน เช่น การเติม Dy (Dysprosium) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเมื่ออุณหภูมิการทำงานของแม่เหล็กมีค่าเพิ่มขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม การเพิ่มการใช้ธาตุที่หายาก (rare earth elements) ในวัสดุแม่เหล็กจะส่งผลต่อราคาที่เพิ่มสูงขึ้นตามปริมาณความต้องการการใช้งานแม่เหล็กถาวรเนื่องจากธาตุหายากเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่มีจำกัด ดังนั้นการพัฒนาแม่เหล็กถาวรสำหรับการใช้งานระยะกลางซึ่งเป็นในช่วงระยะเวลาไม่เกิน 10 ปีจากปัจจุบัน ต้องมุ่งเน้นการลดปริมาณการใช้ธาตุที่หายากที่มีราคาสูง ส่วนวัสดุแม่เหล็กถาวรสำหรับการใช้งานในระยะยาวจะต้องเลี่ยงการใช้ธาตุหายากเป็นส่วนประกอบ (rare earth free permanent magnet) สำหรับงานวิจัยและพัฒนาสารแม่เหล็กถาวรในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มุ่งเน้นการนำเอาวิทยาการความก้าวหน้าด้านวัสดุนาโนไปใช้ในการสังเคราะห์วัสดุแม่เหล็กนาโนที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง โดยเลี่ยงการใช้ธาตุหายากที่มีปริมาณจำกัดเป็นองค์ประกอบ ซึ่งได้มีรายงานความสำเร็จเบื้องต้นในการสังเคราะห์วัสดุแม่เหล็กนาโนที่ไม่มีธาตุหายากเป็นองค์ประกอบ เช่นวัสดุแม่เหล็กนาโน Fe¹⁶ N², MnBi และ FePt โดยพบว่าวัสดุแม่เหล็กนาโนดังกล่าวมีค่าความหนาแน่นพลังงานที่สูง แต่อย่างไรก็ตาม ด้วยข้อจำกัดหลายประการเช่นบิสมัท (Bi) เป็นธาตุที่มีอยู่ในปริมาณน้อย และการที่พลาตินัม (Pt) เป็นธาตุที่มีราคาค่อนข้างสูง ในทางตรงกันข้ามธาตุเหล็กและไนโตรเจนเป็นธาตุที่มีอยู่ในธรรมชาติอย่างมากมาย จึงทำให้วัสดุนาโน Fe¹⁶ N² ได้รับความสนใจไม่น้อยเลยทีเดียว  ในขณะเดียวกันได้มีงานคำนวณทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าวัสดุนาโน Fe¹⁶ N² มีค่าความหนาแน่นพลังงานทางทฤษฎีค่าสูงถึง 130 เมกะเกาส์-เออร์สเต็ด (MGOe) ซึ่งเป็นค่าที่มากกว่าสองเท่าของค่าสูงสุดที่วัดจากสารแม่เหล็ก Nd² Fe¹⁴ B เท่าที่เคยมีการรายงานไว้

ในความเป็นจริง สารประกอบ Fe-N มีโครงสร้างเคมีหลากหลายจึงถูกคาดหมายที่จะนำไปประยุกต์ใช้งานหลายด้าน สำหรับสารประกอบ Fe-N ที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ดี ได้มีการรายงานแผ่นฟิล์มบางผลึกเชิงเดี่ยว Fe¹⁶ N²  ที่มีค่าความอิ่มตัวของแมกเนไตเซชัน (M^s , saturation magnetization) สูงที่สุดในบรรดาสารประกอบโลหะทั้งหมด การที่ค่า Ms มีค่าสูงนั้น ทำให้มีความปรารถนาที่จะนำเอา Fe¹⁶ N² ไปใช้เป็นวัสดุสำหรับแผ่นบันทึกข้อมูลของฮาร์ดดิสค์ความจุสูง และใช้เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ในช่วงเวลาที่ผ่านมาได้มีความพยายามที่จะสังเคราะห์ Fe¹⁶ N² โดยเทคนิคต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำฟิล์มบางโดยเทคนิคแมกเนตรอนสปัตเตอร์ริง (magnetron sputtering) และการผลิตอนุภาคนาโน Fe¹⁶ N² โดยวิธีการทางเคมีที่เรียกว่าเทคนิคการทำให้เป็นไนไตรด์โดยความร้อน (thermal nitridation)แต่อย่างไรก็ตาม ได้มีการรายงานว่าสารแม่เหล็ก Fe¹⁶ N² ที่สังเคราะห์ได้นั้นมีความไม่เสถียรสามารถถูกทำให้เปลี่ยนโครงสร้างได้ในบรรยากาศปกติโดยความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 200 เซลเซียส ดังนั้นความท้าทายของงานวิจัยเกี่ยวกับตัวสารแม่เหล็กชนิดนี้ น่าจะเป็นเรื่องการที่จะทำให้ระบบสารประกอบแม่เหล็ก Fe-N มีความเสถียรทางโครงสร้างเคมีในบรรยากาศการใช้งานของแม่เหล็ก ล่าสุดได้มีรายงานวิจัยด้านทฤษฎีคำนวณได้แสดงถึงความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดความเสถียรทางโครงสร้างโดยการเติมธาตุแทรนซิชันทำให้ได้สารประกอบ Fe¹⁵ TMN² และ Fe¹⁴ TM² N² (TM คือธาตุแทรนซิชัน) และยังคงทำให้สารประกอบดังกล่าวแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก นอกเหนือจากความพยายามที่จะหาสารประกอบแม่เหล็กชนิดใหม่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง  ได้มีรายงานเกี่ยวกับพัฒนาการด้านคอมโพสิตของวัสดุแม่เหล็กนาโนระหว่างสารที่มีค่าความอิ่มตัวของแมกเนไตเซชันที่สูงกับสารแม่เหล็กที่ความสามารถที่จะคงสภาพความเป็นแม่เหล็กเมื่ออยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กทิศตรงกันข้ามมีค่า (มีค่า coercivity ที่สูง) เพื่อที่จะเพิ่มค่าความหนาแน่นพลังงานสูงยิ่งขึ้นและ/หรือเพิ่มความเสถียรภาพทางเคมีให้มากขึ้น ตราบใดที่แม่เหล็กยังเป็นชิ้นส่วนสำคัญที่ทำให้มีการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าและในทางกลับกัน และที่สำคัญยิ่งคือการขยายขอบเขตการใช้งานแม่เหล็กในระบบทำความเย็นในอนาคต เช่น ตู้เย็นแม่เหล็ก จะทำให้ความต้องการแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงมีมากเพิ่มยิ่งขึ้น

เป้าหมายหลักของโครงการวิจัยนี้คือการหาสารแม่เหล็กที่มีค่าความหนาแน่นพลังงานสูงและมีความเสถียรทางโครงสร้าง โดยเริ่มจากการศึกษาโครงสร้างต่างๆของสารประกอบเหล็กไนไตรด์ที่เตรียมในรูปของฟิล์มบางโดยเทคนิคแมกเนตรอนสปัตเตอร์ริง การใช้ฟิล์มเป็นรูปแบบสารในการศึกษาเพราะใช้ปริมาณวัสดุที่น้อยและสามารถนำไปศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอันเนื่องมาจากความร้อนโดยเทคนิค LEEM/PEEM ซึ่งเป็นเทคนิคที่สามารถถ่ายภาพในระดับจุลภาคในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสารตัวอย่าง กล้องจุลทรรศน์ที่ใช้งานดังกล่าวสามารถควบคุมอุณหภูมิสารตัวอย่างได้สูงมากกว่า 1,200 เซลเซียส คาดว่าข้อมูลที่ได้จากเทคนิค LEEM/PEEM จะเป็นประโยชน์ยิ่งในการที่กำหนดเงื่อนไขที่จะเตรียมสารแม่เหล็กนาโนที่มีธาตุเหล็กและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลักที่จะสังเคราะห์โดยอาศัยเทคนิคที่มีศักยภาพในการผลิตสารเป็นจำนวนมากที่จะเพียงพอสำหรับการใช้งานที่ทำเป็นแม่เหล็กถาวรในระดับอุตสาหกรรม เทคนิคดังกล่าวคือการทำให้เป็นไนไตรด์โดยความร้อน ในงานวิจัยนี้จะมีการติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในขณะที่เกิดขึ้น (real time) ด้วยเทคนิค  time resolved X-ray absorption spectroscopy (XAS) ซึ่งจะเป็นการที่จะได้ข้อมูลที่จะนำไปสู่ความสำเร็จในการสังเคราะห์แม่เหล็กนาโนที่มีธาตุเหล็กและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก

เอกสารอ้างอิง

[1] J.-S. Chen, C. Yu and H. Lu, “Phase Stability, Magnetism, Elastic Properties and Hardness of Binary Iron Nitrides from First Principles”, J. Magn. Magn. Mater. 625 (2015) 230.

[2] J. Huang, W. Xie and X. Li, “The Stability, Magnetism and Electronic Structure of Fe¹⁵ TMN²  and Fe¹⁴ TM² N² (TM = Cr, Mn, Co, and Ni)”, J. Magn. Magn. Mater. 364 (2014) 1.

[3] T. Ogawa et. al., “Challenge to the Synthesis of α”-Fe¹⁶ N² Compound Nanoparticle with High Saturation Magnetization for Rare Earth Free New Permanent Magnetic Material”, Appl. Phys. Express 6 (2013) 073007.

[4] S. Yamamoto et. al., “Quantitative Understanding of Thermal Stability of α”-Fe¹⁶ N²”, Chem. Commun. 49 (2013) 7708.

[5] N. Ji et.al., “N site ordering effect on partially ordered Fe¹⁶ N²”, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 092506.

[6] S. Kikkawaet. al., “Fine Fe¹⁶ N² Powder Prepared by Low-temperature Nitridation”, Mater. Res. Bull. 43 (2008) 3352.

[7] E. Kitaet. al., “Magnetic Properties of Core–shell Type Fe¹⁶ N² Nanoparticles”, J. Magn. Magn. Mater. 310 (2007) 2411.

หัวหน้าโครงการ: รองศาสตราจารย์ ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล¹⁾

นักวิจัยสมทบ: ดร.มติ ห่อประทุม²⁾, รศ. ดร.สุปรีดิ์ พินิจสุนทร³⁾, ดร.ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์⁴⁾

หน่วยงานต้นสังกัด: 1) สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, 2) ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ, 3) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น,  4) สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน