กราฟีน วัสดุแห่งอนาคต : ตัวช่วยที่จะมายืดอายุกฏของมัวร์

รางวัลโนเบลครั้งที่ผ่านมา หลายๆคนคงจะเคยได้ยินชื่อกราฟีนกันมาแล้ว?คุณอาจจะไม่รู้และไม่สนใจว่ามันคืออะไร แต่คุณอาจจะสนใจขึ้นมาบ้าง?ถ้าผมจะบอกว่ามันเป็นอะไรที่เป็นอนาคตใหม่แห่งวงการเกมและวงการ ITเลยทีเดียว?แต่ก่อนที่จะเข้าเนื้อหาว่า กราฟีนเกี่ยวอะไรกับเกมเมอร์อย่างพวกเรา?มาทำความรู้จักกราฟีนกันก่อนดีกว่า

ตามปรกติแล้วรางวัลโนเบลจะให้กับผลงานที่ทำประโยชน์เป็นที่ประจักษ์นั่นคือถึงจะค้นพบแล้ว?แต่กว่าจะได้รางวัลปรกติต้องรอเป็นสิบๆปี แต่กราฟีนเพิ่งค้นพบเมื่อปี 2547?ดังนั้นการที่ราชบัณฑิตสภาด้านวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน (The Royal Swedish Academy of Sciences)?ประกาศให้ผู้ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2553 คือ อังเดร ไกม์ (Andre Geim)?และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) จึงเป็นเรื่องแปลกใจกับหลายๆ คนในวงการ

กราฟีนมันเป็นอะไรที่สุดยอดขนาดนั้นเลยหรือ? มาหาคำตอบกัน

กราฟีน มีองค์ประกอบหลักคือแกรไฟต์หรือกราไฟต์(Graphite) หรืออีกนัยนึงก็คือคาร์บอนนั่นเอง?วัสดุหลักที่ใช้ทำไส้ดินสอที่เราๆท่านๆใช้กันอยู่ คาร์บอน เป็นธาตุพิเศษที่สามารถ?แสดงคุณสมบัติได้หลากหลายตามการเรียงตัวของอะตอม?เช่น เพชร เกิดจาก การที่คาร์บอนเรียงตัวกันเป็นผลึกทรง8หน้า (Octahedron)?ส่วนกราไฟต์เกิดจากอะตอมเรียงกันเป็นชั้นๆแต่ละชั้นเกิดจากอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันเป็นรูป6เหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง

ถ้านำ กราไฟต์มาลอกออกเป็นชั้นๆจนเหลือความหนาเพียง 1 อะตอมเราจะได้กราฟีน?นอกนั้นจะค้นพบว่าโครงสร้างทางคาร์บอนที่ได้มีการค้นพบก่อนหน้านี้?ล้วนมีพื้นฐานมาจากการ์ฟีนทั้งนั้นไม่ว่าจะเป็นท่อนาโนคาร์บอนหรือบักกี้บอล

• ถ้าเราเอากราฟีนมาห่อให้เป็นลูกกลมๆ เราจะได้ buckyball
• ถ้าเราเอากราฟีนมาม้วนเป็นแท่งกลมๆ เราจะได้ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube)
• ถ้าเราเอากราฟีนมาซ้อนกันเป็นชั้นๆ เราจะได้กราไฟท์ (graphite) ซึ่งเป็นวัสดุในถ่าน หรือไส้ดินสอ

?

คุณสมบัติของกราฟีน

1. เป็นวัสดุที่บางที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ(แหงล่ะ) ถึงในทางทฤษฏี?เราจะไม่สามารถวัดความหนาของอะตอมได้แต่เราสามารถระยะห่างระหว่างอะตอมได้?ทำให้สามารถประเมินคร่าวๆได้ว่าแผ่นกราฟีนหนาประมาณ0.335 นาโนเมตร
2. กราฟีนชั้นเดียวสามารถมองทะลุได้โดยมีค่าการดูดซับแสงอยู่ที่2.3%
3. ความต้านทานไฟฟ้าต่ำมาก สามารถเป็นตัวนำที่นำไฟฟ้า?ได้ดีเกือบเท่า Superconductor(มากกว่าทองแดงหลายล้านเท่า)?แต่กราฟีนนำไฟฟ้าได้ดีมากที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งต่างจากSuperconductor?ที่ต้องลดอุณหภูมิจนติดลบกว่าร้อยองศาเซียลเซียส ถึงจะแสดงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าแบบนั้นได้
4. ในทางควอนตัมวัสดุที่มีขนาดเล็กจะมีคุณสมบัติพิเศษ?ไม่เหมือนวัสดุชนิดเดียวกันที่มีขนาดใหญ่ สำหรับกราฟีนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว?ในด้านความหนาจึงแสดงคุณสมบัติในทางควอนตั้มออกมาแต่?ในทางกว้างและยาวมีคุณสมบัติตามวัสดุปรกติ?กราฟีนจึงเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมือนทั้งวัตถุธรรมดาและอนุภาคควอนตัมพร้อมๆ กัน
5. กราฟีนมีค่าระดับความแข็งแกร่ง(stiffness)สูงกว่าเหล็กถึง5เท่า?(เทียบเท่าหรือมากกว่าเพชร) แต่แม้จะแข็ง (ฉีกขาดได้ยาก)?แผ่นกราฟีนกลับสามารถบิดงอ ม้วน หรือพับ ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ทำให้โมเลกุลเสียหาย
6. Thermal conductivity หรือความสามารถในการนำความร้อนจำเพาะ?ซึ่งเราวัดค่าความนำความร้อนจำเพาะของกราฟีนได้สูงกว่าวัสดุประเทภอื่นๆ?และยังนำความร้อนได้ดีกว่าเพชรที่ครองแชมป์มาตลอด ด้วยคุณสมบัตินี้เอง?เราจึงสามารถนำกราฟีนไปช่วยในระบบระบายความร้อนใน CPU
7. Electronic: กราฟีนมีค่า mobility หรือ ความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงมาก?ทำให้เราสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเร็วมากๆ ได้

แล้วกราฟีนมีประโยชน์อะไรต่อ Gamer (วงการIT) อย่างพวกเรา

?ด้วยคุณสมบัติที่ไม่ใช้ทั้งตัวนำและกึ่งตัวนำแต่ขึ้นกับการตัดกราฟีน โดยปกติแล้วจะหมายถึงแผ่นกราฟีน ขนาดใหญ่?แต่ถ้าเราเอากราฟีนมาตัดเป็นชิ้นเล็กๆ หละ จะเกิดอะไรขึ้น ?เมื่อเราตัดแผ่นกราฟีนใหญ่ เราจะได้ Graphene Nanoribbon (ริบบิ้นกราฟีนขนาดนาโน)?หรือ GNR ซึ่งจะมีขอบ (edge) สองแบบ เรียกว่า zigzag edge และ armchair edge?ซึ่งขอบทั้งสองแบบนี้มีคุณสมบัติแตกต่างกันไป

• ถ้าเป็น zigzag edge ตัว GNR จะสามารถเอามาใช้นำไฟฟ้าเหมือนโลหะได้
• ถ้าเป็น armchair edge ตัว GNR อาจจะนำหรือไม่นำไฟฟ้าก็ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมคาร์บอนในแนวขวาง

ภาพ graphene nanoribbon จากแผ่นกราฟีน

• สีแดงแสดง zigzag edge GNR
• สีเขียวแสดง armchair edge GNR
• สีนำเงินแสดง GNR ที่ผสมระหว่างทั้งสองตัว

?

และอะไรคือประโยชน์ของมัน?ง่ายๆก็อย่าง ซิลิกอน มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ มันจึงถูกนำมาใช้เป็นทรานซิสเตอร์?(ที่อยู่ข้างในCPU)ในขณะที่ทองแดงนำไฟฟ้าเราถึงใช้มันเป็นสายไฟ?แล้วเอามันไปต่อระหว่างทรานซิสเตอร์เป็นพันล้านตัวใน CPU เพื่อให้วงจรทำงานได้?ฉะนั้นกราฟีนที่สามารถเป็นได้ทั้งตัวนำและกึ่งตัวนำจึงสามารถนำไปใช้สร้างได้ทุกอย่างข้างในCPUเลยทั้งทรานซิสเตอร์และแผงวงจร และช่วงเดือนกุมภาพันธ์ 2553 IBM ได้สร้างทราสซิสเตอร์จาก กราฟีน ที่ทำงานได้เร็วที่สุดในโลก?คือสามารถทำงานได้ที่ 100GHz? ตัวทรานซิสเตอร์นี้ผลิตโดยเทคโนโลยีขนาด 240นาโนเมตร?ซึ่งถ้าใช้ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ ซิลิกอน ในขนาดเดียวกันจะทำความเร็วได้เพียง 40GHz

ทรานซิสเตอร์ที่ IBM สร้างขึ้นมานั้นมีหลักการทำงานเดียวกันกับ CMOS ที่ใช้ silicon ทำ?ซึ่งเราใช้งานกันอยู่ในคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้ แต่กราฟีนมีคุณสมบัติพิเศษอีกมาก?ที่เราสามารถนำมันมาใช้ผลิตทรานซิสเตอร์ ในยุดที่ silicon CMOS ถึงทางตัน?หนึ่งในคุณสมบัติที่ว่านั้น ก็คือ ballistic transport ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงได้?ในระยะทางที่ยาวพอสมควรในวัสดุทั่วๆ ไป อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม (diffusive)?คืออิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในระยะทางสั้น แล้วก็เปลี่ยนทิศทางไปเรื่อยๆ?เดี่ยวก็ไปข้างหน้า เดี่ยวก็ไปด้านข้าง เดี่ยวก็ไปด้านบน เดี่ยวก็ถอยหลัง ทำให้ความเร็วสุทธิน้อย?และเสียโมเมนตัมมาก(ทำให้เกิดความร้อนและความต้านทานในวงจร) ?ถ้าต้องการ ballistic transport ในวัสดุธรรมดา ก็ต้องลดอุณหภูมิลงมาต่ำๆ เช่น 4K

ภาพอธิบายการเคลื่อนที่แบบ Diffusive และ Ballistic

ปัญหาหลักของ CPU ในปัจจุบัน เรื่องหนึ่งก็คือเรื่องความร้อน พูดให้ถูกต้องบอกว่าเรื่องระบายความร้อน ?สาเหตุที่ผู้ผลิต CPU ไม่เพิ่มความเร็วขึ้นในช่วงปีหลังๆ แต่หันไปเพิ่มจำนวน core แทน?ก็เพราะปัญหาการระบายความร้อนออกจากจุดที่มีความร้อนสูงที่สุด ซึ่งเรียกว่า Hot spot ?การเพิ่มจำนวน core ทำให้ความร้อนไม่ไปกระจุกตัวกันอยู่ที่เดียว ทำให้เราสามารถระบายความร้อนได้ง่ายขึ้น?ภาพผลการจำลองความสามารถในการระบายความร้อนของ IC โดยใช้ กราฟีน พบว่าช่วยให้อุณหภูมิที่ hot spot ลดลงได้ถึง 70 องศา

ภาพจาก S. Subrina et al., EDL 2009, 30 (12), pp.1281-1283

?อนาคตของการใช้งานกราฟีน

?ด้วยคุณสมบัติต่างๆ ที่กล่าว ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นศักยภาพของกราฟีนที่จะเข้ามาแทนซิลิกอนในเครื่องอิเล็กทรอนิคส์ต่างๆ ในอนาคตชิ้นส่วนของคอมพิวเตอร์ เช่น ชิปประมวลผล ซึ่งนับวันจะยิ่งถูกพัฒนาให้หน่วยทรานซิสเตอร์บนชิปมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนใกล้ถึงขีดจำกัดทางควอนตัมของสารกึ่งตัวนำที่ทำจากซิลิกอนแล้วซึ่งทำให้มีการกล่าวกันว่า อาจจะทำให้ กฎของมัวร์ถึงจุดสิ้นสุด

?กฎของมัวร์ บอกว่าทรานซิสเตอร์ที่ใส่ลงไปในชิปจะเพิ่มเป็น2เท่าทุกๆ 18 เดือน หรืออีกนัยนึงคือคุณจะสามารถหา CPU ที่เร็วกว่าเดิม เท่าตัวได้ในทุกๆ 18 เดือน? ซึ่งอย่างที่เราเห็นกันอยู่ในปัจจุบันถึงความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดของCPU แต่ในปัจจุบันกฎนี้ต้องเผชิญกับข้อจำกัดของการย่อขนาดที่ต้องอัดแผงวงจรจำนวนมหาศาลลงในพื้นที่เล็กๆ ซึ่งจะส่งผลให้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น มีประสิทธิภาพลดลง และกินไฟมากขึ้น ทำให้การเพิ่มความเร็วแทบจะถึงทางตัน

ซึ่งคุณสมบัติของกราฟีนที่กล่าวมาจะพบว่าเหนือกว่าซิลิกอนมาก ทั้งในด้านความเร็วสูงกว่า เกิดความร้อนต่ำกว่า ระบายความร้อนดีกว่า กินไฟน้อยกว่า(ในสเป๊กเท่ากัน)( นึกภาพ CPU 40GHz ความร้อนไม่เกิน30C) ทำให้เรายังคงสามารถสร้างCPU ที่เร็วยิ่งๆขึ้นไปอีกได้

กราฟีนเล็ก (บาง) กว่าซิลิกอน แข็งแรงกว่า นำไฟฟ้าได้ดีกว่า หมายความว่าสามารถเป็นได้ทั้งวงจรอิเล็กโทรนิค เป็นเซ็นเชอร์ตรวจวัด เป็นโซลาร์เซลล์ หรือแม้แต่เป็นโครงสร้างของตัวอุปกรณ์เอง โดยการนำไปเสริมในโครงสร้างของวัสดุเดิมเช่นโลหะหรือพลาสติกซึ่งจะช่วยเพิ่มทั้งความแข็งแรงและการทนความร้อน การที่มันแทบจะโปร่งใสแต่นำไฟฟ้าทำให้สามารถนำไปใช้กับจอสัมผัสหรือจอภาพที่พับงอได้ แต่การนำกราฟีนไปใช้ประโยชน์ โดยเฉพาะถ้าจะทำในเชิงพาณิชย์ล่ะก็ ยังมีข้อจำกัดอีกมากที่ต้องแก้ให้ได้ก่อน เช่น ราคาและศักยภาพการผลิต

กราฟีนพึ่งค้นพบในปี 2547 เท่านั้น ถือเป็นหัวข้อที่ใหม่มากๆ การค้นพบบางอย่างใช้เวลาหลายสิบปีหรืออาจจะถึงร้อยปีกว่าจะออกดอกออกผล และนำมาใช้ประโยชน์ได้ ดังนั้นการคาดหวังว่าจะใช้ประโยชน์จากกราฟีนแบบทันท่วงทีออกจะเป็นความคาดหวังที่สูงไปสักหน่อย แต่หากมองความก้าวหน้าของเทคโนโลยีกราฟีนจะเห็นว่าเทคโนโลยีนี้ก้าวหน้าไปเร็วมาก มีการค้นพบใหม่ๆ ปีละหลายๆ เรื่อง ซึ่งถือว่าก้าวหน้ามากสำหรับเทคโนโลยีที่พึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาไม่ถึง 10 ปี จึงพอมีความหวังว่าเทคโนโลยีล้ำสมัยจากกราฟีนอาจมีให้ใช้ได้ทั่วไปในระยะเวลาไม่นานนัก

อย่างตอนนี้ก็มีหลายบริษัทที่เริ่มวางแผนการตลาดเพื่อเตรียมตอบรับเทคโนโลยีกราฟีนแล้วเช่นวีดีโอโฆษณาเหล่านี้

ขอบคุณข้อมูลจาก

วิชาการ.คอม/หว้ากอพันทิป/Wiki ประเทศไทย