อุปกรณ์พลาสมอนที่ทำจากกราฟีนเพื่อการพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านรังสีเอ็กซ์

การพัฒนาแหล่งกำเนิดแสง (light sources) โดยใช้อิเล็กตรอนอิสระ (free electrons) เป็นประเด็นที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง เนื่องจากแสงที่เปล่งออกมาจากแหล่งกำเนิดประเภทนี้นั้นสามารถปรับความยาวคลื่นได้ ตั้งแต่ย่านความถี่ microwaves จนถึง ย่านความถี่ X-rays แต่อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันแหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้ก็ยังมีข้อจำกัดอยู่ ซึ่งก็คือ มีขนาดที่ใหญ่และราคาสูง ทั้งนี้เนื่องมาจากมีหลักการทำงานมาจากการยิงลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงผ่าน magnetostatic undulator ซึ่งเป็นแม่เหล็กขั้วคู่ (dipole magnets) ที่มีโครงสร้างแบบ periodic โดยสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจาก undulator (wiggler field) จะเหนี่ยวนำให้อิเล็กตรอนเกิดการแกว่ง (oscillation) ในทิศที่ตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และทำให้เกิดการเปล่งคลื่นแสงออกมา โดยความยาวคลื่น (หรือพลังงาน) ของแสงที่เปล่งออกมานั้นจะขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและขนาดคาบของ wiggler field ซึ่งโดยปกติแล้วจะอยู่ในระดับเซนติเมตร ทำให้ wiggler magnets ที่ใช้ในแหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้มีขนาดใหญ่มาก (ในระดับหลายๆ เมตร จนถึงระดับ 100 เมตร) ตลอดระยะเวลาที่ผ่านมา จึงได้มีความพยายามอย่างต่อเนื่องที่จะพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงให้มีขนาดที่เล็กลง และได้มีการเสนอแนวทางต่างๆ ขึ้นมา เช่น การใช้ electromagnetic wigglers [1] ที่สร้างจาก laser ที่มีความเข้มสูง แทน magnetic wigglers เนื่องจากมีขนาดคาบอยู่ในระดับไมครอน ซึ่งสั้นกว่าขนาดคาบของ magnetic wigglers มาก โดยเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าที่เกิดจาก electromagnetic wigglers นี้แล้ว จะเกิดการกระเจิงแบบ Thompson หรือแบบ Compton ขึ้น และทำให้มีการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นสั้นออกมา นอกจาก electromagnetic wigglers แล้ว ก็ยังมี wigglers ประเภทอื่นๆ เช่น plasma wigglers (ซึ่งสร้างมาจาก density wave ในพลาสมา) [2] และ crystal wigglers (ซึ่งสร้างมาจากผลึกที่ผิดรูปร่างเป็นระยะๆ) [3] ที่มีขนาดคาบสั้นกว่า magnetic wigglers และสามารถใช้แทน magnetic wigglers ได้เช่นกัน แต่อย่างไรก็ตาม งานวิจัยในช่วงระยะหลังๆนี้ ได้มีการมุ่งเน้นไปที่การพัฒนา undulators ที่มีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรมากขึ้น เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็ก ซึ่ง underlators ประเภทนี้ ได้แก่ dielectric-based undulators [4],  light-wells [5] และ plasmonic undulators ซึ่ง undulators ประเภทหลังนี้สามารถทำได้โดยการสร้างโครงสร้าง naonogratings ลงบนพื้นผิวโลหะ (เช่น เงิน เป็นต้น) [6] หรือบนวัสดุสองมิติที่เพิ่งค้นพบขึ้นใหม่อย่างกราฟีน [7]

กราฟีน เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอน 1 ชั้นที่เรียงตัวต่อกันเป็นวงหกเหลี่ยม และมีสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ เช่น มีความแข็งแรงสูง นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดี และยอมให้แสงผ่านได้ ที่สำคัญ พลาสมอนในกราฟีนยังแสดงสมบัติที่พิเศษกว่าพลาสมอนในวัสดุอื่นๆ อีกด้วย ซึ่งสมบัติต่างๆ เหล่านั้น ประกอบด้วย  (1) มีความถี่ที่ปรับค่าได้ตามต้องการ (dynamic tunability) (2) มีอายุอยู่ได้นาน (long lifetimes) และ (3) มีพันธนาการกับสนามไฟฟ้าที่แข็งแรง (strong field confinement) โดยสมบัติประการสุดท้ายนั้นมีความสำคัญอย่างมากต่อการนำกราฟีนไปพัฒนาเป็น free-electron light sources ทั้งนี้เนื่องมาจากพลาสมอนที่มี field confinement สูงนั้น จะมีโมเมนตัมที่สูงมาก และเมื่อมีอันตรกิริยา (interaction) กับอิเล็กตรอน จะทำให้มีการเปล่งแสงที่มีพลังงานสูงออกมา (ดังแสดงในรูปที่ 1) โดยที่อิเล็กตรอนดังกล่าวไม่จำเป็นต้องมีพลังงานเริ่มต้นที่สูงมาก กล่าวคือ อยู่ในระดับที่ต่ำกว่า 10 MeV ซึ่งสามารถหาได้ง่ายๆ โดยใช้อิเล็กตรอนจาก RF gun ที่มีขนาดเล็ก ข้อดีของการใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานในระดับนี้คือ ไม่จำเป็นต้องใช้ acceleration stage และ neutron shielding ที่มีขนาดใหญ่ ซับซ้อนและราคาสูง เหมือนกับในกรณีที่อิเล็กตรอนที่ใช้มีพลังงานสูงกว่า 10 MeV โดยคลื่นแสงที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับพลาสมอนในกราฟีนนั้น จะถูกเปล่งออกมาในทิศทางเดียว (directional) และมีเพียงความถี่เดียว (monochromatic) เท่านั้น แต่ความถี่นี้สามารถปรับได้ตั้งแต่ย่าน infrared จนถึง X-rays ด้วย 3 วิธี คือ (1) เปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอน (2) เปลี่ยนความถี่ของพลาสมอนในกราฟีน หรือ (3) เปลี่ยนระดับพลังงานเฟอร์มีของกราฟีน (โดยการ dope กราฟีนในปริมาณที่ต่างกัน) ซึ่งแนวคิดนี้ได้รับการยืนยันด้วยผลจากการ simulation [7] แล้ว แต่ยังคงขาดผลจากการทดลองอยู่ ซึ่งถ้ามีงานวิจัยเชิงการทดลองที่สามารถยืนยันแนวคิดนี้ได้และพิสูจน์ให้เห็นว่าสามารถนำกราฟีนมาใช้ในการพัฒนา free-electron X-rays ขนาดเล็กได้สำเร็จ งานวิจัยนั้นก็จะเป็นประโยชน์อย่างมหาศาลต่อวงการวิทยาศาสตร์ การแพทย์ และวิศวกรรมศาสตร์

รูปที่ 1: แผนภาพแสดงหลักการทำงานของ free-electron source ที่สร้างมาจากกราฟีน โดยอิเล็กตรอนอิสระ (เส้นประสีขาว) มีอันตรกิริกยากับพลาสมอนในกราฟีน (แท่งสีแดงและสีน้ำเงิน) และให้กำเนิดคลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นออกมา (เส้นทึบสีม่วง) ภาพนำมาจากเอกสารอ้างอิง [6]

โครงการวิจัยนี้ที่ได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์นั้น จึงมีวัตถุประสงค์ที่จะพัฒนาอุปกรณ์พลาสมอนิกส์ขึ้นจากวัสดุกราฟีน โดยจะเน้นที่การสร้างโครงสร้างบนแผ่นกราฟีนให้มีลักษณะเป็นริบบิ้นขนาดนาโนเรียงต่อกันเป็นแถว (nanoribbon array)  ด้วยเทคนิค electron-beam lithography (EBL) และ plasma etching เพื่อให้เกิดพลาสมอนขึ้นในกราฟีนและมีความถี่อยู่ในย่านเทระเฮิร์ตซ์ และจะสาธิตให้เห็นว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถนำมาใช้พัฒนาเป็นแหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็กที่ให้กำเนิดแสงที่มีพลังงานสูง เช่น ultraviolet และ X-rays ได้ ซึ่งในส่วนของผลการดำเนินงานที่ผ่านมานั้น คณะผู้วิจัยได้ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์แผ่นกราฟีนขนาดใหญ่ (1 ซม. × 1 ซม.) ด้วยเทคนิค chemical vapor deposition หรือ CVD โดยกราฟีนที่สังเคราะห์ได้ด้วยวิธีนี้นั้นจะอยู่บน Cu foil ก่อน หลังจากนั้นจึงทำการ ย้ายแผ่นกราฟีนจาก Cu foil มาอยู่บน hBN/SiO₂/Si substrate ด้วยวิธี wet transfer ตัวอย่างของกราฟีนที่เตรียมได้ด้วยวิธีการดังกล่าว แสดงดังรูปที่ 2 นอกจากนั้น คณะผู้วิจัยยังได้สร้างโครงสร้าง nanoribbon array ขึ้นบนแผ่นกราฟีนที่สังเคราะห์ได้สำเร็จ โดยใช้เทคนิค EBL และ plasma etching โดยขนาดของ ribbon ที่สร้างได้นั้น มีขนาดตั้งแต่ 2 ìm, 1 ìm และ 0.5 ìm ดังแสดงเป็นตัวอย่างในรูปที่ 3 ซึ่งจะเห็นได้ว่า ribbon ที่สร้างได้นั้นมีขนาดที่สม่ำเสมอและมีขอบที่ชัดเจน หลังจากนี้คณะผู้วิจัยก็จะทำการทดลองวัดการส่งผ่านแสง (optical transmission) ของตัวอย่างกราฟีนที่สร้างขึ้น โดยใช้ Fourier transform infrared (FTIR) microscope ซึ่งผลที่ได้จากการวัดนี้ จะทำให้เราทราบความถี่ของพลาสมอนที่เกิดขึ้นในตัวอย่างเหล่านี้

รูปที่ 2 กราฟีนที่สังเคราะห์ได้ด้วยเทคนิค CVD และถูกย้ายมาอยู่บน hBN/SiO₂/Si substrate

รูปที่ 3 แผนภาพจำลองและภาพจริงที่ถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์ของโครงสร้าง nanoribbon array ที่สร้างขึ้นบนแผ่นกราฟีน โดยแต่ละตัวอย่างมีขนาดความกว้างของ ribbon ต่างกัน คือ 2 ìm, 1 ìm และ 0.5 ìm

ในขณะเดียวกัน คณะผู้วิจัยก็ได้คำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านแสง (transmission coefficient) ของ โครงสร้าง graphene nanoribbon array โดยใช้ COMSOL Multiphysics (Wave optics module) โดยในการ simulation นั้น ได้ใช้ระเบียบวิธี finite element ในการคำนวณ ร่วมกับเงื่อนไขขอบ Floquet periodic และได้กำหนดโครงสร้างที่ใช้ในการ simulation ให้ประกอบด้วยชั้นของ graphene nanoribbon array ที่วางอยู่บน SiO₂ (å_SiO2 = 3.9) และมีชั้นของอากาศ (å_air = 1) อยู่บนชั้นของ nanoribbon array อีกที โดยในส่วนของกราฟีนนั้นได้กำหนดให้เป็นวัสดุที่มีสองมิติและสามารถคำนวณค่าสภาพนำไฟฟ้าพื้นผิวเชิงซ้อนได้จาก Drude Model:  ผลที่ได้จากการ simulation นี้แสดงดังรูปที่ 4 ซึ่งแสดงให้เห็นถึง resonance peak ของพลาสมอนในกราฟีน (GP peak) ที่เกิดขึ้นที่ความถี่ (หรือพลังงาน) ต่างกัน  ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของกราฟีน โดยพบว่า เมื่อความกว้างของ ribbon ลดลง GP peak จะมีพลังงานสูงขึ้น โดยมีพลังงานเพิ่มขึ้นจาก 2 meV (0.5 THz) เป็น 56 meV (13.5 THz) เมื่อความกว้างของ ribbon ลดลงจาก 1500 nm เป็น 100 nm แต่ในขณะเดียวกัน GP peak ก็จะมีลักษณะที่กว้างขึ้นและมีความสูงที่ลดลง นอกจากขนาดของ ribbon แล้ว จำนวนชั้นของ nanoribbon array ก็ยังมีผลต่อการเกิด GP peak อีกด้วย โดยพบว่า เมื่อจำนวนชั้นของ nanoribbon array เพิ่มขึ้น พลังงานของ GP peak ก็จะเพิ่มตาม โดยเพิ่มขึ้นเป็น 156 meV (37.5 THz) หรือประมาณ 3 เท่า เมื่อจำนวนชั้นเพิ่มขึ้นเป็น 6 ชั้น อีกทั้ง ความสูงของ peak ก็ยังเพิ่มขึ้นตามจำนวนชั้นของ nanoribbon array ที่เพิ่มขึ้นด้วยเหมือนกัน

รูปที่ 4 กราฟแสดง plasmonic resonance ของโครงสร้าง graphene nanoribbon array ที่คำนวณได้จาก COMSOL simulation (ซ้าย) เมื่อความกว้างของ ribbon มีขนาดต่างกัน ตั้งแต่ 100 – 1500 nm โดยมีระยะห่างระหว่างแต่ละ ribbon เท่ากันคือ 100 nm  และ (ขวา) เมื่อจำนวนชั้นของ nanoribbon array  เพิ่มขึ้นจาก 1 ชั้นเป็น 6 ชั้น โดยแต่ละชั้นมีขนาดของ ribbon เป็น 100 nm และมีระยะห่างระหว่างแต่ละ ribbon เป็น100 nm เท่ากัน ค่า extinction ซึ่งแสดงอยู่บนแกน y สามารถคำนวณได้จาก 1 – T/T₀ เมื่อ T และ T₀ คือค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านแสงของกราฟีนที่มีโครงสร้างแบบ nanoribbon array และของกราฟีนที่ไม่มีการสร้างโครงสร้างใดๆ ตามลำดับ 

 เอกสารอ้างอิง

• Esarey, E., Ride, S. K. & Sprangle, P. Rev. E 48, 3003–3021 (1993).
• Joshi, C., Katsouleas, T., Dawson, J. M., Yan, Y. T. & Slater, J. M. IEEE J. Quantum Electron. 23, 1571–1577 (1987).
• Bellucci, S. et al. Rev. Lett. 90, 034801 (2003).
• Plettner, T., & Byer, R. L. Rev. ST Accel. Beams 11, 030704 (2008).
• Adamo, G. et al. Rev. Lett. 104, 024801 (2010).
• Rosolen, G. et al. Light: Sci. Appl. 7, 64 (2018)
• Wong, L. J., Kaminer, I., Ilic, O., Joannopoulos, J .D. & Soljac¡ic´, M. Photonics 10, 46 (2016)

รายงานโดย

ผศ. ดร. รัชนก สมพรเสน่ห์

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์

สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

Email: ratchanok.so@kmitl.ac.th