ดร.ชัญชณา ธนชยานนท์

ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์เชิงฟิสิกส์

หน่วยวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของวัสดุ

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

e-mail: chanchm@mtec.or.th

aterials CharacterizationMM

กลอ้งจลุทรรศนเ์ปน็อปุกรณส์ำ�คญัในง�นท�งด�้นวิทย�ศ�สตร์และอ�จใชเ้กณฑ์2แบบจัดแบง่ไดแ้ก่

หนึ่ง–แบ่งต�มลักษณะสัญญ�ณ:กล้องในกลุ่มนี้เช่นOpticalMicroscope(OM)และElectron

Microscope(EM)เป็นต้น

สอง–แบ่งต�มหัววัดสัญญ�ณซึ่งเรียกโดยรวมว่�ProbeMicroscope(PM):กล้องในกลุ่มนี้เช่น

AtomicForceMicroscope(AFM)และScanningTunnelingMicroscope(STM)เป็นต้น

กล้องจุลทรรศน์ในทั้งสองกลุ่มนี้ยังอ�จแบ่งย่อยต่อไปได้อีกต�มลักษณะก�รวิเคร�ะห์ชิ้นง�นเช่น

-วิเคร�ะห์ทีละจุดโดยใช้หัววัดเช่นConfocalOpticalMicroscope(COM)

-ใช้ลำ�อิเล็กตรอนส่องกร�ดบนชิ้นง�นเช่นScanningElectronMicroscope(SEM)

-ใช้หัววัดกร�ดบนชิ้นง�นเช่นScanningProbeMicroscope(SPM)

-ใช้ลำ�อิเล็กตรอนส่องผ่�นชิ้นง�นทีละตำ�แหน่งเช่นTransmissionElectronMicroscope(TEM)

-ฉ�ยแสงลงบนบริเวณที่จะวิเคร�ะห์โดยจุดต่�งๆในบริเวณนี้ได้รับแสงพร้อมกันทั้งหมดเช่นWide

FieldOpticalMicroscope(WFOM)

ภาพที่ 1 ภาพแสดงหลักการทำางานของกล้องจุลทรรศน์บางชนิด [1]

จุลทรรศนศาสตร์

ตอนที่ 1 : ภาพรวม

กลอ้งOMประกอบดว้ยเลนสน์นูสำ�หรบัรวมแสงสอ่งลงบนชิน้ง�นโดยใตช้ิน้ง�นมเีลนสน์นูอย่�งน้อย

2ตัวทำ�หน้�ที่ขย�ยขน�ดของวัตถุต่อเนื่องกันเลนส์ตัวแรกจะสร้�งภ�พขย�ยวัตถุที่กำ�ลังศึกษ�ส่วนเลนส์ตัว

ที่สองถือว่�ภ�พที่ถูกขย�ยเสมือนเป็นวัตถุและขย�ยภ�พนั้นอีกต่อหนึ่งผลลัพธ์ที่ได้จึงเป็นภ�พที่มีกำ�ลังขย�ย

สูงกว่�ก�รใช้เลนส์เพียงตัวเดียว

กล้องTEMใช้หลักก�รสร้�งภ�พขย�ยในลักษณะเดียวกันกับกล้องOMแต่ใช้อิเล็กตรอนและเลนส์

แม่เหล็กไฟฟ้�แทนแสงและเลนส์กระจกต�มลำ�ดับ

กล้องSEMใชเ้ลนส์แมเ่หล็กไฟฟ�้ในก�รรวมลำ�อเิลก็ตรอนให้โฟกสับนผวิของชิน้ง�นและใชก้�รกร�ด

อิเล็กตรอนบนชิ้นง�นในลักษณะคล้�ยก�รกร�ดลำ�อิเล็กตรอนบนจอโทรทัศน์ที่ใชห้ลอดรังสีแคโทด(Cathode

RayTube,CRT)สญัญ�ณทีเ่กดิจ�กอนัตรกริยิ�ระหว�่งชิน้ง�นกบัลำ�อเิลก็ตรอนทีแ่ตล่ะตำ�แหนง่จะเกบ็รวบรวม

โดยตัวรับสัญญ�ณ(สัญญ�ณนี้อ�จเป็นอิเล็กตรอนแสงหรือรังสีเอกซ์ที่จะเกิดพร้อมกัน)จ�กนั้นจะนำ�ไปผ่�น

กระบวนก�รวิเคร�ะห์และแสดงผลต่อไป

กล้องในกลุ่มSPMใช้ก�รกร�ดหัววัดและวัดค่�อันตรกิริย�ระหว่�งหัววัดกับอะตอมของวัสดุ(ได้แก่

AFM)กระแสไฟฟ้�(ได้แก่STM)และแสงเลเซอร์(ได้แก่SNOM)

(ก)OM (ข)TEM (ค)SEM

(ง)AFM (จ)STM (ฉ)SNOM

ภาพที่ 2: ภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์ชนิดต่างๆ ได้แก่

(ก) OM [1] (ข) TEM [2] (ค) SEM [3] (ง) AFM [4] (จ) STM [5] (ฉ) SNOM [6]

มกราคม - มีนาคม 255752

ประเดน็สำ�คญัในวิช�จลุทรรศนศ�สตร์(microscopy)ซึง่เกีย่วขอ้งกบัก�รถ�่ยภ�พขย�ยให้มีคุณภ�พ

ดีและมีคว�มถูกต้องในเชิงวิทย�ศ�สตร์ได้แก่คว�มส�ม�รถในก�รแยกแยะหรือค่�กำ�ลังแยกแยะ(resolu-

tion)ซึ่งหม�ยถึงคว�มส�ม�รถในก�รแยกจุด2จุดที่อยู่ใกล้กันณกำ�ลังขย�ยต่�งๆดังนั้นกล้องจุลทรรศน์

ที่ดีจะต้องส�ม�รถแยกแยะจุด2จุดที่อยู่ใกล้กันเมื่อใช้กำ�ลังขย�ย(magnification)สูงสุดเช่นแยกภ�พของ

อะตอมที่อยู่ติดกันออกให้ได้อย่�งชัดเจนเป็นต้น

ในกรณีของOMและTEMคว�มส�ม�รถในก�รแยกแยะจะขึ้นอยู่กับคว�มย�วคลื่นของสัญญ�ณที่

ใช้โดยคว�มย�วคลื่นสั้นจะให้ค่�กำ�ลังแยกแยะที่ละเอียดกว่�(ค่�กำ�ลังแยกแยะที่ละเอียดกว่�ณกำ�ลังขย�ย

เท่�กันจะให้ภ�พที่คมชัดกว่�)ส่วนกล้องที่ใช้ก�รกร�ดสัญญ�ณค่�กำ�ลังขย�ยและกำ�ลังแยกแยะจะขึ้นอยู่กับ

ขน�ดของจุดโฟกัสของลำ�อิเล็กตรอน(สำ�หรับSEM)และขน�ดของหัววัด(สำ�หรับSPM)

กลอ้งจลุทรรศนแ์ตล่ะชนดิมจีดุเดน่-จุดดอ้ยทีแ่ตกต�่งกนัไปซึง่ผู้ ใชจ้ำ�เป็นตอ้งเข�้ใจหลกัก�รทำ�ง�น

เทคนิคก�รถ่�ยภ�พรวมทั้งก�รตีคว�มภ�พและขอ้มูลที่ไดจ้�กกล้องชนิดต่�งๆที่ใช้เพื่อให้ได้ขอ้สรปุที่ถกูต้อง

ตัวอย�่งเชน่ภ�พที่3แสดงภ�พขย�ยทอ่น�โนค�รบ์อนที่ไดจ้�กกลอ้งOM,AFM,SEMและTEMต�มลำ�ดบั

จะเห็นได้ว่�ไม่มีภ�พใดที่คล้�ยกันเช่นกล้องOMไม่ส�ม�รถถ่�ยภ�พท่อน�โนค�ร์บอนได้เพร�ะกำ�ลังขย�ย

ไม่สูงพอกล้องAFMให้ภ�พท่อน�โนค�ร์บอนด้�นบนที่เก�ะติดอยู่บนวัสดุฐ�นรองกล้องSEMให้ภ�พข�ว

ดำ�และเห็นเฉพ�ะด้�นบนของชิ้นง�นเท่�นั้น ส่วนกล้อง TEM จะถ่�ยภ�พข�วดำ�ได้ที่กำ�ลังขย�ยสูง และค่�

กำ�ลังแยกแยะละเอียดแต่จะมีพื้นที่เก็บข้อมูลที่เล็กกว่�พื้นที่ที่ได้จ�กกล้องจุลทรรศน์ชนิดอื่น

(ข)

(ก)

(ค)

ภาพที่ 3 แสดงภาพท่อนาโนคาร์บอนที่ได้จากเทคนิคต่างๆ (ก) OM (อยู่ในบริเวณกรอบสีแดง แต่มองไม่เห็นเนื่องจากกำาลัง

ขยายไม่สูงพอ) และ AFM (ที่ขยายบริเวณกรอบสีแดง) [7], (ข) SEM [8] และ (ค) TEM (กรอบเล็กคือภาพวาดแสดงภาพ

ตัดขวางของท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น) [9]

มกราคม - มีนาคม 2557

53

ภาพที่ 4: (ก) ภาพ OM แสดงสีต่างๆ ของอนุภาคนาโนของทอง [10] (ข) ภาพ AFM แสดงอนุภาคนาโนทอง [11]

(ค) ภาพ SEM แสดงอนุภาคนาโนทองบนฐานรองที่เป็นวัสดุ Si3N

4 [12] (ง) ภาพ TEM แสดงอนุภาคนาโนทอง [13]

ภ�พที่ 4แสดงข้อมูลเกี่ยวกับอนุภ�คน�โนของทองที่ได้จ�กกล้องจุลทรรศน์ชนิดต่�งๆ เช่นอนุภ�ค

น�โนทองทีม่ขีน�ดแตกต�่งกนัจะมสีแีตกต�่งกนั(ถ�่ยดว้ยOMในภ�พ4(ก))และอนภุ�คทองมขีน�ดเลก็กว�่

10น�โนเมตร(ถ่�ยด้วยTEMในภ�พ4(ง))เป็นต้น

จะเห็นว่� กล้องจุลทรรศน์แต่ละชนิดจะให้ภ�พและข้อมูลที่แตกต่�งกัน ดังนั้น ผู้ ใช้จึงต้องให้คว�ม

สำ�คญักับคว�มรู้ ในก�รถ่�ยภ�พและก�รตคีว�มภ�พที่ได้ในว�รส�รเทคโนโลยวีสัดเุลม่ตอ่ๆไปหอ้งปฏบิตักิ�ร

วิเคร�ะห์เชิงฟิสิกส์หน่วยวิเคร�ะห์ลักษณะเฉพ�ะของวัสดุศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งช�ติจะทยอย

นำ�เสนอร�ยละเอียดก�รทำ�ง�นและก�รประยุกต์ใช้ง�นเทคนิคชนิดต่�งๆเช่นOM,TEM,SEMและSPM

โดยเน้นง�นท�งด้�นวัสดุศ�สตร์เป็นหลัก

(ก) (ข) (ค) (ง)

เอกสารอ้างอิง

1. https://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2412&idcategory=0

2. http://cnx.org/content/m22963/latest/

3. http://www.lpdlabservices.co.uk/analytical_techniques/sem/sem_instrument.php

4. http://userhome.brooklyn.cuny.edu/mlnakarmi/facility/AFM.html

5. http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php

6. http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/nearfield/nearfieldintro.html

7. http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2003/navy-scientists-discover-new-approach-to-use-carbon-

nanotubes-inelectronics-and-biochemical-sensors

8. http://www.intechopen.com/books/carbon-nanotubes-polymer-nanocomposites/the-application-of-carbon-

nanotube-to-bone-cement

9. http://endomoribu.shinshu-u.ac.jp/research/cnt/composit.html

10. http://www.malvern.com

11. https://store.nanoscience.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=2412&idcategory=0

12. http://www.esrf.eu/news/spotlight/spotlight68

13. http://www.chem.umn.edu/microscopycamp/MC2008_work.html

มกราคม - มีนาคม 255754