บ่อยครั้งคนเราค้นพบสิ่งใหม่ๆ จากการสังเกตสิ่งที่อยู่รอบตัวเราให้ละเอียดยิ่งขึ้น อย่างเช่น กากของเหลือจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่คนอื่นมองว่าไม่มีค่า ก็ถูกค้นพบว่าประกอบด้วยสารประกอบอินทรีย์ (hydrocarbon) ที่มีชื่อว่า Diamondoid  ที่มาของชื่อ Diamondoid นั้นมาจากลักษณะโครงสร้างทางอะตอมที่คล้ายกับเพชรขนาดจิ๋วระดับนาโนเมตร และคาดว่ามีคุณสมบัติหลายๆอย่างคล้ายกับเพชรด้วย  และเมื่อไม่นานนี้ก็ยังมีการค้นพบว่า Diamondoid  ที่คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกที่สามารถปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้เป็นจำนวนมากและมีพลังงานเกือบจะคงที่ค่าเดียว ประสิทธิภาพดีกว่าเพชรเองหรือสารประกอบอื่นๆที่เคยค้นพบมา จากคุณสมบัติดังกล่าวข้างต้น จึงมีความเป็นไปได้ว่าสารตัวนี้จะถูกพัฒนามาใช้ในการผลิตเครื่องมือเครื่องใช้ทางอิเล็กทรอนิกที่เราจะได้เห็นในอนาคตข้างหน้า

ก่อนจะพูดถึง Diamondoid นั้นเรามาพูดถึงเพชรกันก่อน เราทุกคนคงจะรู้จักเพชรกันดี เพชรเป็นอัญมณีที่มีความสวย ใส แข็ง และแน่นอนว่ามีราคาแพง นอกจากนั้นยังมีคุณค่าทางจิตใจด้วย เช่นแหวนเพชรที่ใช้เป็นแหวนหมั้น แต่นอกจากความสวยความงามของมันแล้ว เพชรก็ยังมีคุณสมบัติอื่นๆที่โดดเด่น เช่นเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยม มีการสาธิตโดยการนำมีดด้ามโลหะมาเคลือบด้วยชั้นเพชรบางๆและนำมาตัดน้ำแข็งได้ราวกับว่าน้ำแข็งนั้นเป็นก้อนเนย  นั่นเป็นเพราะว่า เพชรที่เคลือบมีดอยู่นั้นสามารถนำความร้อนจากตัวผู้จับไปละลายน้ำแข็งในจุดที่คมมีดไปแตะได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้เพชรเมื่อมีการผสมธาตุเช่นโบรมีน (bromine-doped) เข้าไป จะมีคุณสมบัติเป็นสารตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดหรือมีค่าความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 เคลวิน  อีกตัวอย่างหนึ่ง เพชรเมื่อมีธาตุไฮโดรเจน มาเกาะบริเวณผิวรอบนอก พื้นผิวนั้นจะมีคุณสมบัติที่เรียกว่า negative electron affinity ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของเพชรจะถูกปลด
ปล่อยออกมาข้างนอกที่พลังงานค่าหนึ่งเมื่อถูกกระตุ้น เราอาจลองนึกภาพน้ำตกที่ไหลลงมาจากหน้าผา ถ้าเราเอาแผ่นสังกะสี มาคั่น


กลางน้ำตก  น้ำนั้นก็จะไหลออกจากเส้นทางเดิม แล้วไปตามแนวร่องสังกะสีแทน  โครงสร้างอิเล็กทรอนิกที่มีคุณสมบัติ negative electron affinity ก็เหมือนกับการที่มีแผ่นสังกะสีมากั้นน้ำตกของอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกเป็นจำนวนมากตามแผ่นสังกะสีนั้นและยังมีพลังงานที่ค่อนข้างคงที่  คุณสมบัติดังกล่าวนี้ ทำให้สามารถนำมาใช้เป็นสารปลดปล่อยอิเล็กตรอนของจอทีวีที่มีความสว่างสูง เป็นต้น เพชรก็เป็นหนึ่งในสารที่มีคุณสมบัติดังกล่าว แต่เพชรก็ยังเป็นเพชร ราคาของเพชรนั้นสูงมาก คงจะไม่ต้องสงสัยว่า ทีวีจอเพชรจะมีราคาสูงเพียงใด จึงเกิดคำถามว่าจะมีสารตัวอื่นไหม ที่จะมีคุณสมบัติคล้ายกับเพชร แต่ราคาไม่แพง และสิ่งที่อาจจะมาเป็นคำตอบก็คือ สารประกอบ Diamondoid ซึ่งถูกค้นพบไม่นานมานี้เอง

รูปที่ 1 โครงสร้างทางอะตอมของ Diamondoid ชนิดต่างๆ  (รูปจากเอกสารอ้างอิงที่ 1)

 

Diamondoid เป็น สารประกอบอินทรีย์ ที่มีโครงสร้างที่มีอะตอมของคาร์บอน เกาะกันคล้ายกับเพชรขนาดจิ๋วระดับนาโนเมตร และมีอะตอมของไฮโดรเจนเกาะอยู่รอบนอก ดังรูปที่ 1 ขนาดโมเลกุลที่เล็กที่สุดของ Diamondoid นั้นชื่อ adamantane ประกอบด้วยคาร์บอน 10 อะตอมเกาะกันเป็นรูปคล้ายกรง เรียกว่า 1 หน่วย ตามรูป ถ้ามี 2 หน่วย เรียกว่า diamantane หรือ 3 หน่วย ก็เรียกว่า triamantane ถ้าเกาะกันเป็นจำนวนมหาศาลก็จะกลายเป็นเพชรนั่นเอง  adamantane นั้นเป็นที่รู้จักกันมานานแล้วและเป็นสารที่สามารถสังเคราะห์ได้ แต่ว่าโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นไปกว่านั้นไม่มีการถูกค้นพบ จนกระทั่ง ปี พ.ศ. 2546 ที่บริษัทน้ำมัน Chevron  สามารถสกัด Diamondoid ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้นได้ จากกากน้ำมันปิโตรเลียม [1] ที่เป็นกากของเสียที่คนคิดว่าไม่มีประโยชน์ซึ่งเกาะอุดตันท่อลำเลียงน้ำมัน อาจเรียกได้ว่า Diamondoidนั้นจึงเป็นเพชรขนาดจิ๋วในตมของกากน้ำมันนั่นเอง  หลังจากนั้น Diamondoid ได้ถูกนำมาศึกษาวิจัยเพื่อหาคุณสมบัติต่างๆของมัน และไม่นานมานี้  Wanli Yang (Stanford University, USA)  ค้นพบว่า Diamondoid เป็นสารที่มีคุณสมบัติเป็น negative electron affinity [2] และอาจจะดีกว่าเพชรในแง่ของประสิทธิภาพของการปลดปล่อยอิเล็กตรอน (quantum yield) และ ความคงที่ของพลังงาน

รูปที่ 2 รูปของ tetramantane-Thiol หรือ Diamondoid แบบ 4 หน่วยที่มีอะตอมซัลเฟอร์เป็นตัวช่วยเกาะบนแผ่นทองคำ (รูปจากเอกสารอ้างอิงที่ 2)

สำหรับการทดสอบคุณสมบัติ negative electron affinity เริ่มจากการเตรียม tetramantane ซึ่งเป็นโมเลกุลของ Diamondoid แบบ 4 หน่วย นำมาจัดเรียงบนแผ่นฟิล์มทอง (Au) โดยใช้ อะตอมซัลเฟอร์ (S) เป็นตัวเชื่อมต่อระหว่าง tetramantane กับแผ่นฟิล์มทอง โมเลกุล tetramantane ที่มีอะตอมซัลเฟอร์เกาะอยู่นี้อาจเรียกอีกอย่างว่า tetramantane-thiol ซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกที่เชื่อมต่อกับแผ่นทอง ดังรูปที่ 2 เป็นอันเสร็จสิ้นขั้นตอนการเตรียมสาร ส่วนเทคนิคที่ใช้มาดูโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกของสารที่เตรียมมานี้ ใช้เทคนิคสเปกโตรสโคปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (x-ray absorption spectroscopy)  เพื่อศึกษาโครงสร้างของ conduction band และ เทคนิคโฟโตอิมิชชัน (photoemission spectroscopy) เพื่อศึกษาโครงสร้างของ valence band

ก่อนจะอธิบายถึงการทดสอบคุณสมบัติ negative electron affinity จะขอกล่าวถึงความแตกต่างของคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิก ระหว่างสารกึ่งตัวนำ (เช่น Diamondoid) กับโลหะ (เช่นทอง) ในเชิงเปรียบเทียบก็อาจจะกล่าวได้ว่า หากน้ำคืออิเล็กตรอนโดยสารกึ่งตัวนำและโลหะเหมือนกับแจกันใส่น้ำคนละแบบ โดยสารที่เป็นโลหะก็จะเปรียบเหมือนแจกันทรงสูงมากๆ ดังรูปที่ 3(c)  ที่มีน้ำอยู่จำนวนหนึ่ง ระดับน้ำในแจกันเปรียบได้กับ Fermi level (ระดับพลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนในวัสดุที่จะมีได้เมื่อไม่มีการกระตุ้นใดๆจากภายนอก) แจกันมีรูอยู่ที่ตำแหน่งสูงจากระดับน้ำไปอีกหน่อยซึ่งทำให้น้ำสามารถกระเด็นออกจากรูนี้ไปได้ ซึ่งระดับความสูง ณ ตำแหน่งนี้เปรียบได้กับ vacuum level  (ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของอิเล็กตรอนเพื่อจะหลุดออกมาจากวัสดุนั้นๆ) ส่วนสารกึ่งตัวนำก็อาจจะเหมือนแจกันแบบไม้ไผ่ที่เป็น 3 ปล่องดังรูปที่ 3 (a) หรือ 3(b) ปล่องตรงกลางปิดไว้ไม่สามารถใส่น้ำได้ เปรียบเหมือน band gap ส่วนปล่องล่างใส่น้ำอยู่เต็มเป็นเหมือน valence band และปล่องบนไม่มีน้ำอยู่ แต่ใส่น้ำเพิ่มได้ เป็นเหมือน conduction band  ส่วน Fermi level นั้นจะอยู่ในระดับหนึ่งของปล่องกลาง ซึ่งความจริงระดับน้ำต้องการขึ้นมาที่ Fermi level นี้แต่มีปล่องกลางน้ำเข้าไม่ได้ และสุดท้าย vacuum level ก็จะเป็นเหมือนรูที่น้ำจะออกมากได้ซึ่งเชื่อมต่อกับปล่องบน

รูปที่ 3 การเปรียบเทียบคร่าวๆระหว่าง โครงสร้างอิเล็กทรอนิกของโลหะและสารกึ่งตัวนำ กับ น้ำในแจกันรูปทรงต่างๆ

 

ตามโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกในรูปที่ 4  Diamondoid บริสุทธิ์นั้นไม่นำไฟฟ้าและเป็นสารกึ่งตัวนำที่มี band gap ที่ถือว่ากว้าง (ประมาณ 6-8 eV) อิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ได้ในช่วงระดับพลังงานระหว่าง band gap แต่สามารถอยู่ได้ในช่วงระดับพลังงานของ conduction band (unoccupied state ด้านบน band gap) และ valence band (occupied state ด้านล่าง band gap)   ส่วนโลหะทองที่นำไฟฟ้าได้นั้น ไม่มี band gap ขั้นกลาง  อิเล็กตรอนจึงเดินทางไประดับพลังงานต่างๆได้ทุกระดับขึ้นอยู่กับการถูกกระตุ้น 

สารกึ่งตัวนำทั่วไปนั้นมีมากมายแต่ว่าน้อยมากที่จะมีคุณสมบัติเป็น negative electron affinity สารกึ่งตัวนำส่วนมากมีband gapที่ไม่กว้าง(เช่นของซิลิกอนมีค่า 1.12 eV) และมี vacuum level อยู่สูงกว่า ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของ conduction band ซึ่งเรียกว่ามี electron affinity เป็นบวก ดังรูปที่ 3 (b) แต่เนื่องจาก Diamondoid เป็นสารที่มี band gapกว้าง  จึงมีส่วนช่วยให้ vacuum level อยู่ต่ำกว่าระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของ conduction band ซึ่งก็เรียกว่ามี electron affinity เป็นลบหรือ negative electron affinity นั่นเอง ดังรูปที่ 3 (a)  ลักษณะที่ว่านี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่ เมื่อใด อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นเพิ่มพลังงานจาก valence band ให้ไปอยู่ conduction band ได้  อิเล็กตรอนก็จะไหลจากผิวของวัสดุ ออกมาตาม vacuum level ซึ่งมีระดับต่ำกว่าconduction band แทนที่จะกลับไป valence band เหมือนเดิม เหมือนกับการที่เอาแผ่นสังกะสีมาคั่นกลางน้ำตกที่กล่าวไว้ข้างต้น และที่ดีกว่านั้นก็คืออิเล็กตรอนที่ไหลออกมายังมีจะมีพลังงานที่ค่อนข้างคงที่

รูปที่ 4 โครงสร้างอิเล็กทรอนิกของ tetramantane-thiol บนแผ่นทองคำ และสเปคตรัมของการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากการ กระตุ้นด้วยแสง (รูปจากเอกสารอ้างอิงที่ 2)

แต่อย่างไรก็ตาม Diamondoid นั้นไม่นำไฟฟ้า  อิเล็กตรอนก็มีจำกัด ถ้าต้องการให้ Diamondoid ปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาได้ตลอดก็ต้องหาแหล่งอิเล็กตรอน ในที่นี้ก็คือแผ่นทองที่นำไฟฟ้าซึ่ง Diamondoid เรียงตัวกันอยู่ดังรูปที่ 2 นั่นเอง  โดยโครงสร้างอิเล็กทรอนิกที่เชื่อมต่อกันก็ทำให้อิเล็กตรอนไหลเข้าออกจากกันได้    
การศึกษาคุณสมบัติ negative electron affinity สามารถทดสอบโดยเทคนิคโฟโตอิมิชชัน กระบวนการการเดินทางของอิเล็กตรอนในสารที่เตรียมไว้นั้น มีลำดับขั้นตอนตามเส้นปะสีแดงในรูปที่ 4 คือ
1) อิเล็กตรอนจากแผ่นทองจะถูกกระตุ้นโดยแสงทำให้มีพลังงานสูงกว่า Fermi level 
2)   อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นและมีพลังงานสูงนั้นก็จะกระตุ้นให้ทองร้อนขึ้น และผลิตอิเล็กตรอนตัวอื่นๆที่มีพลังงานรองลงมา
3)  อิเล็กตรอนเหล่านี้ก็จะถูกย้ายจากทองมาเก็บสะสมใน conduction band ของ Diamondoid และ
4)  อิเล็กตรอนที่ถูกเก็บสะสมจำนวนมากเหล่านี้ก็จะถูกปลดปล่อยออกมา และวัดได้เป็นสเปคตรัมทางด้านซ้ายของรูปที่ 3

ทฤษฎีดังกล่าวยังต้องมีการศึกษาเพิ่มในเชิงปริมาณเพื่อเปรียบเทียบความถูกต้องของทฤษฎีนี้ต่อไป สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างก็คือ หน้าที่ของอะตอมไฮโดรเจนที่เกาะรอบนอกโมเลกุลของ Diamondoid การศึกษาในสารชนิดอื่นที่มีความใกล้เคียงกับ Diamondoid พบว่าอะตอมไฮโดรเจนมีผลกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิก โดยเป็นตัวยกระดับของ conduction band ให้สูงขึ้น ถ้าเกิดเป็นธาตุตัวอื่นเช่น ออกซิเจนมาเกาะแทนก็อาจจะเป็นว่าทำให้ conduction band ต่ำลงมาและอาจจะทำให้สารนั้นสูญเสียสภาพ negative electron affinityไป
ที่กล่าวมา คุณสมบัติ negative electron affinity ก็คือคุณสมบัติอย่างหนึ่งที่น่าสนใจของ Diamondoid ซึ่งก็อาจจะนำ Diamondoid มาเป็นสารกำเนิดอิเล็กตรอนและนำมาใช้สำหรับเครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆ เช่น จอขนาดบางของคอมพิวเตอร์หรือทีวี (field-emission flat panel)  กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน หรือ เครื่องกัดเซาะอิเล็กตรอน (electron beam lithography) เป็นต้น ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ Diamondoid ในอุตสาหกรรม เช่น เมื่อจะใช้ทำจอทีวีขนาดบาง ก็จะนำ Diamondoid มาเคลือบแผ่นโลหะและใช้สนามไฟฟ้า(electric field) แทนแสง เป็นตัวกระตุ้นอิเล็กตรอน ให้ออกมาวิ่งไปชนกับจอที่เคลือบสารเรืองแสง เกิดเป็นจุดสีและหลายๆจุดรวมกันก็เกิดเป็นภาพบนจอทีวี ยิ่งไปกว่านั้น ด้วยคุณสมบัติของ Diamondoid ที่ปลดอิเล็กตรอนที่พลังงานที่ค่อนข้างคงที่ จึงทำให้สามารถควบคุมคุณภาพได้ดี และพลังงานที่ปลดปล่อยได้เป็นจำนวนมากทำให้จอทีวีมีความสว่างมากแต่ประหยัดไฟ ต่างจากจอทีวีแบบหลอด (CRT)  อย่างไรก็ตามเรื่องของ Diamondoid ก็ยังอยู่ในช่วงของการวิจัย อย่างเช่นปัญหาเรื่อง การเปลี่ยนระดับของ Fermi Level หรือที่เรียกว่า การ dope ซึ่งเป็นไปได้ยาก หากแต่ถ้าสามารถทำได้สำเร็จ ก็จะสามารถปรับคุณสมบัติให้เหมาะสมมากขึ้น เช่น ถ้าเราสามารถเปลี่ยนเพิ่มระดับของ Fermi level ให้เข้าใกล้ conduction band มากขึ้น สนามไฟฟ้าที่จะใช้ในการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้หลุดออกมาจาก Diamondoid ก็จะลดลง

ในประเทศไทยนั้น ปัจจุบันยังไม่มีการศึกษาเรื่อง Diamondoid  แต่ก็มีเครื่องโฟโตอิมิชชั่นที่สามารถใช้ศึกษาได้ ณ ศูนย์ปฎิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ จังหวัดนครราชสีมา และก็มีการศึกษาและสังเคราะห์สารที่ชื่อว่า คาร์บอนคล้ายเพชร (Diamond-like carbon) ที่ ภาควิชาฟิสิกส์  จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย คาร์บอนคล้ายเพชรเป็นสารที่ถูกค้นพบก่อนDiamondoid คาร์บอนคล้ายเพชรนั้นมีลักษณะทางกายภาพเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงคล้ายกับเพชรสมชื่อ การสังเคราะห์ก็เป็นไปได้ที่อุณหภูมิห้องและราคาไม่สูงจึงเหมาะกับงานอุตสาหกรรม ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ ได้แก่การนำไปใช้เคลือบวัสดุต่างๆเพื่อป้องกันการขีดข่วน ซึ่งนำมาใช้เคลือบ harddisk ที่เราใช้เก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์ เป็นต้น ถึงแม้คาร์บอนคล้ายเพชรจะไม่มีสมบัติ negative electron affinity เหมือนกับเพชร  แต่ก็มีค่า electron affinity ที่ต่ำ และอาจจะนำมาใช้ประโยชน์เป็นสารกำเนิดอิเล็กตรอนสำหรับจอทีวีขนาดบางได้เช่นกัน

เอกสารอ้างอิง
[1] J. E. Dahl, S. G. Liu and R. M. K. Carlson, “Isolation and Structure of Higher Diamondoid”, Nanometer-Sized Diamond Molecules, Science 299, 96 (2003).
[2] W. L. Yang, et al., “Monochromatic Electron Photoemission from Diamondoid Monolayers”, Science 316, 1460 (2007).