อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง และนั่นทำให้เกิดปัญหาใหญ่

โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ของคุณจะไม่ทำงานหากไม่สามารถส่งประจุไฟฟ้าไปรอบๆ วงจรไฟฟ้าได้ แต่เมื่ออุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบแต่ละชิ้นก็เล็กลงเรื่อยๆ จนถึงระดับนาโน จึงยากขึ้นเรื่อยๆ ที่จะกำหนดทิศทางของประจุไฟฟ้าเหล่านี้ไปยังจุดที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ ในความเป็นจริงแล้ว ในระดับนาโน ส่วนประกอบเหล่านี้บางส่วนมีพฤติกรรมที่แปลกมาก จนถึงจุดที่แม้แต่อะตอมเดียวก็สามารถมีอิทธิพลหรือขัดขวางการไหลของอิเล็กตรอนได้ 

ความเข้าใจที่ดีขึ้นและการควบคุมไดนามิกระดับนาโนเหล่านี้จึงมี

ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงการทำงานของมัน ทรานซิสเตอร์เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของไมโครชิป และพบได้ในทุกสิ่งตั้งแต่คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน และเครื่องขยายเสียง หน้าที่โดยพื้นฐานขึ้นอยู่กับว่าอิเล็กตรอนไหลเข้าใกล้หรือที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโลหะ ฉนวน และสารกึ่งตัวนำอย่างไร

ทรานซิสเตอร์ในปัจจุบันอาจมีขนาดกว้างได้ถึง 10 นาโนเมตร และมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ หากคุณมีสมาร์ทโฟนอยู่ในกระเป๋า สมาร์ทโฟนน่าจะมีทรานซิสเตอร์มากกว่าพันล้านตัวอยู่ภายใน

ในขณะที่แนวโน้มการย่อส่วนนี้ยังคงดำเนินต่อไป ประสิทธิภาพของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้รับอิทธิพลมากขึ้นเรื่อยๆ จากสิ่งที่เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนที่ขอบเขตของวัสดุ เนื่องจากโอกาสที่อิเล็กตรอนจะอยู่ใกล้กับส่วนต่อประสานจะเพิ่มขึ้นตามขนาดที่ลดลง

เหมือนกับว่าคุณพบว่าตัวเองอยู่ในห้อง ยิ่งห้องเล็กเท่าไหร่ โอกาสที่คุณจะยืนอยู่ข้างกำแพงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันยังส่งผลต่อเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อประจุบวกและประจุลบถูกแยกออกจากกันภายในไม่กี่นาโนเมตรที่ขอบเขตระหว่างวัสดุที่ให้อิเล็กตรอนและวัสดุที่รับอิเล็กตรอน

ไดโอดเปล่งแสงสามารถทำงานได้ในทางกลับกัน: พวกมันสามารถสร้างแสงได้เมื่อประจุบวกและลบรวมกันอีกครั้งที่ขอบเขตเหล่านี้

โมเลกุลอินทรีย์ – คล้ายกับการสังเคราะห์ด้วยแสงในสิ่งมีชีวิตชีวภาพ – ที่มีคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มสูงสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ และไดโอดเปล่งแสง

ประหยัดต้นทุน เบา ยืดหยุ่น และอเนกประสงค์ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์สามารถปรับได้ และการผลิตใช้พลังงานน้อยกว่าซิลิคอน

เมื่อเร็ว ๆ นี้ เราได้ตรวจสอบกลุ่มนาโนสองมิติหรือ “เกาะนาโน” 

ที่มีขนาดและรูปร่างต่างกัน ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลสารกึ่งตัวนำอินทรีย์บนฉนวนบาง ๆ เพื่อดูว่าคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์แตกต่างกันอย่างไรในตำแหน่งต่างๆ กัน

เราใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องอุโมงค์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างระดับอะตอมและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของเกาะนาโนอินทรีย์

การวัดกระแสเหล่านี้ช่วยให้เราสร้างภาพพื้นผิวของวัสดุเพื่อทำความเข้าใจว่าอะตอมและอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหน การวัดเหล่านี้มีความละเอียดอ่อนมากจนเราต้องดำเนินการในห้องปฏิบัติการที่มีการสั่นสะเทือนต่ำมากที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในแคนาดา

การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนของโมเลกุลที่ขอบของเกาะนาโนมีพฤติกรรมแตกต่างจากที่อยู่ตรงกลางอย่างมาก ที่สำคัญ ความแตกต่างในพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของตำแหน่งและทิศทางของโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง

เราพบว่าเมื่ออิเล็กตรอนถูกดึงออก ณ ตำแหน่งเฉพาะในใจกลางของเกาะนาโน อิเล็กตรอนของวัสดุรอบๆ จะทำปฏิกิริยาและเคลื่อนที่ไปยังประจุบวกที่เกิดจากการดึงอิเล็กตรอนออก

ในทำนองเดียวกัน หากมีการเติมอิเล็กตรอนเข้าไป อิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ จะเคลื่อนออกจากประจุลบที่เกิดจากการเติมอิเล็กตรอน การเคลื่อนที่แบบรวมของอิเล็กตรอนนี้ทำให้ สภาพแวดล้อมโดยรอบมีขั้วและทำให้ประจุที่สร้างขึ้นมีความเสถียร: ประจุจะถูกกรอง

ในทางตรงกันข้าม เมื่ออิเล็กตรอนถูกดึงออกหรือเพิ่มที่ขอบเขตของเกาะนาโน ซึ่งการถ่ายโอนอิเล็กตรอนมีความสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยี ประจุที่สร้างขึ้นจะถูกคัดกรองอย่างมีประสิทธิภาพน้อยกว่ามาก

ลองนึกถึงงานปาร์ตี้ที่มีคนแน่นขนัด ซึ่งจู่ ๆ ก็มีใครบางคนออกจากใจกลางห้อง ทำให้เกิดพื้นที่ว่างเปล่า ผู้คนที่เต้นรำไปรอบๆ จะค่อยๆ ครอบครองจุดนี้เร็วกว่าที่คนๆ นั้นออกจากขอบห้องไปแล้ว

สิ่งนี้ไม่น่าแปลกใจเลย สิ่งที่น่าแปลกใจคือขนาดของเอฟเฟกต์ การค้นพบของเราแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสิ่งนี้มีขนาดใหญ่มาก

งานของเราชี้ให้เห็นถึงปัญหาในการออกแบบอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ คุณสมบัติที่ละเอียดอ่อนของโครงสร้างระดับนาโนของส่วนประกอบต่างๆ ไม่เพียงแต่ทำให้เกิดผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ที่รุนแรงที่อินเทอร์เฟซเท่านั้น แต่อิทธิพลของผลกระทบเหล่านี้ยังมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อขนาดของส่วนประกอบลดลง

ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องควบคุมการจัดเรียงอะตอมและโมเลกุลที่ส่วนต่อประสานระหว่างส่วนประกอบเหล่านี้ และทำสิ่งนี้ด้วยความแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ เพื่อออกแบบเทคโนโลยีใหม่ที่มีประสิทธิภาพและการทำงานที่เหมาะสมที่สุด

การค้นพบของเราเปิดประตูสู่แนวทางใหม่ทางวิศวกรรม ซึ่งคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของอุปกรณ์นาโนสามารถปรับได้ด้วยโครงสร้างระดับอะตอมที่แปรผันเพียงเล็กน้อยและแม่นยำ

สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเคลื่อนย้ายอะตอมและโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุในลักษณะที่มีการควบคุม อีกวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้คือการใช้การประกอบตัวเองของซูปราโมเลกุล โดยที่อะตอมและโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์และจัดเรียงตัวเองโดยอัตโนมัติในรูปแบบที่ต้องการในระดับนาโน

ดังนั้น แม้ว่าผลกระทบที่เราค้นพบจะเป็นความท้าทายสำหรับอนาคตของอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ แต่ผลกระทบเหล่านี้ยังนำเสนอโอกาสอันยอดเยี่ยมในการพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสาร ข้อมูล และเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

Credit : จํานํารถ