อนาคตของตัวนำยิ่งยวดในวัสดุสองมิติ: การคัปปลิงของอิเล็กตรอน-โฟนอนที่แข็งแกร่งใน 2H-Mo2N ภายใต้ความเค้นในสองแนวแกน

ในการศึกษานี้ ได้ใช้การคำนวณแบบเฟริสปรินซิเปิล (First-principles calculations) โดยอาศัยทฤษฎีความหนาแน่นฟังก์ชันนัล (Density functional theory, DFT) เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และคุณสมบัติทางกลของวัสดุ 2H-Mo₂N วิธีการคำนวณนี้ช่วยให้สามารถทำนายโครงสร้างแถบพลังงานและความหนาแน่นของสถานะ (density of states) ของวัสดุได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อพฤติกรรมตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ ทั้งนี้ ทฤษฎี DFT ทำงานโดยการแก้สมการชเรอดิงเงอร์เชิงตัวเลขสำหรับอิเล็กตรอนในวัสดุ ทำให้สามารถศึกษาความเสถียรและปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมได้ วิธีการนี้จึงเป็นที่นิยมในการวิจัยทางเคมี ฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ และสาขาอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากสามารถคาดการณ์คุณสมบัติที่กว้างขวางของวัสดุ

งานวิจัยนี้ ได้วิเคราะห์การกระจายของโฟนอน (Phonon dispersion) เพื่อศึกษาความเสถียรทางพลศาสตร์ของ 2H-Mo₂N ภายใต้ระดับความเครียดแบบสองแนวแกน (biaxial strain, ε_b) ที่แตกต่างกัน เพื่อศึกษาคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดของ 2H-Mo₂N อย่างละเอียด ได้ทำการคำนวณการคัปปลิงของอิเล็กตรอนและโฟนอน (Electron-Phonon Coupling, EPC) ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญที่เชื่อมโยงกับของอุณหภูมิวิกฤติทางทฤษฎี (T_c) วิธีนี้ช่วยให้สามารถประเมินความแข็งแกร่งของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับการสั่นของแลตทิซได้ โดยอาศัยทฤษฎี Migdal-Eliashberg ในการคำนวณค่าคงที่ EPC (λ) ซึ่งค่าที่สูงขึ้นหมายถึงปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งขึ้น และมักส่งผลให้อุณหภูมิ T_c เพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ผลจากงานวิจัยนี้ แสดงให้เห็นว่า 2H-Mo₂N มีสมบัติตัวนำยิ่งยวด โดยมีค่าอุณหภูมิวิกฤติทางทฤษฎี (T_c) ประมาณ 22.7 K ซึ่งสูงกว่าวัสดุ MXenes อื่น ๆ เช่น 2H-Mo₂C (4.3 K) และ 1T-Mo₂N (16.8 K) อย่างมีนัยสำคัญ ปัจจัยหลักที่ส่งเสริมสมบัติตัวนำยิ่งยวดของวัสดุนี้ คือ การมีการคัปปลิงระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนอนที่แข็งแกร่ง (strong electron-phonon coupling, EPC) ซึ่งสะท้อนผ่านค่าคงที่ EPC (λ) ที่ค่อนข้างสูง

อีกหนึ่งผลการคำนวณที่สำคัญ คือ ความเครียดแบบสองแนวแกน (biaxial strain, ε_b) ส่งผลกับสภาพนำยิ่งยวดอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อมีค่า ε_b ที่ -4%, -2.5%, และ 5% ค่า λ จะมีค่าเพิ่มขึ้นเกิน 2.0 ทำให้ค่า T_c เพิ่มขึ้นเป็น 37.8 K, 35.4 K และ 28.9 K ตามลำดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการทำให้วัสดุนี้เกิดความเครียด เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับเปลี่ยนสมบัติตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างผลึกที่เกิดจากความเครียด และทำให้เกิดการเพิ่มความหนาแน่นของประจุพาหะที่ระดับพลังงานเฟอร์มี (Fermi energy) นั่นเอง

นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังพบว่า การเติมหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวมีผลต่อสมบัติตัวนำยิ่งยวด เมื่อมีการเติมหมู่ฟังก์ชัน ได้แก่ ไฮโดรเจน (H) และออกซิเจน (O) บนพื้นผิวของ 2H-Mo₂N ทำให้ค่า λ ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ค่า T_c ลดลงด้วย โดยที่  Mo₂NH₂ มีค่า T_c ประมาณ 20.0 เคลวิน ในขณะที่ Mo₂NO₂ มีค่า T_c เพียง 0.9 เคลวิน ผลลัพธ์นี้บ่งชี้ว่า แม้ว่าการควบคุมความเครียดสามารถเพิ่มสมบัติตัวนำยิ่งยวดได้ แต่การเติมหมู่ฟังก์ชันอาจทำให้สมบัติดังกล่าวลดลง ซึ่งเน้นให้เห็นถึงปัจจัยและแนวทางการออกแบบวัสดุสองมิติ เพื่อการใช้งานในเทคโนโลยีตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดในอนาคต

ผลที่ค้นพบจากงานวิจัยนี้ ทำให้เข้าใจถึงการคับปลิงของอิเล็กตรอนและโฟนอนที่แข็งแกร่ง (strong electron-phonon coupling) ในวัสดุ Mo₂N ซึ่งเป็นวัสดุสองมิติในกลุ่มแมกซีน (MXene) ภายใต้ความเค้นในสองแนวแกน (Biaxial stress) ส่งผลให้มีค่าอุณหภูมิวิกฤติทางทฤษฎี  (T_c) สูงถึง 38 เคลวิน ที่ความเครียดอัด เท่ากับ -4% ทั้งนี้ เป็นงานวิจัยนี้สามารถเป็นส่วนเติมเต็มการค้นพบความนำไฟฟ้ายิ่งยวดในวัสดุสองมิติ และอาจนำไฟสู่การค้นพบตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดสองมิติ ที่มีเสถียรภาพและอุณหภูมิวิกฤติสูง เหมาะแก่การใช้งานในเทคโนโลยีขั้นสูงในอนาคต

การอ้างอิงของงานวิจัย

Kotmool, K., Tsuppayakorn-aek, P., Bovornratanaraks, T., Kaewmaraya, T., Sakdanuphab, R., Sakulkalavek, A., Ahuja, R. and Luo, W. (2024). Strong electron–phonon coupling and predicted high superconducting transition temperature of MXenes revealed in 2H-Mo₂N under biaxial stress. Physica B: Condensed Matter, 695, 416551.

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร Physica B: Condensed Matter (Q2 ISI/SCOPUS, Impact Factor 2.8)

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่

https://doi.org/10.1016/j.physb.2024.416551

รายชื่อนักวิจัย

รศ.ดร.คมศิลป์ โคตมูล และ รศ.ดร.ราชศักดิ์ ศักดานุภาพ สังกัดวิทยาลัยนวัตกรรมการผลิตขั้นสูง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง,   ดร.พฤทธิพงษ์ ทรัพยากรเอก และ รศ.ดร. ธิติ บวรรัตนารักษ์ สังกัดภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, รศ.ดร.ธนายุทธ แก้วมารยา สังกัดภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น, รศ.ดร.อาภาภรณ์ สกุลการะเวก สังกัดภาควิชาฟิสิกส์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, Dr. Wei Luo และ Prof. Dr. Rajeev Ahuja สังกัด Department of Physics and Astronomy, Uppsala University ประเทศสวีเดน