หลักการทำงานของโหมด Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM)
Conductive AFM (C-AFM) เป็นโหมดการวัดของ Atomic Force Microscopy (AFM) ที่ออกแบบมาเพื่อศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าในระดับนาโนเมตร โดยเฉพาะการวัด กระแสไฟฟ้า (current) ที่ไหลระหว่างปลายหัววัด (conductive tip) และพื้นผิวของตัวอย่าง (sample surface) ขณะทำการสแกน ซึ่งสามารถให้ข้อมูลได้ทั้ง ภาพภูมิประเทศ (topography) และ แผนที่กระแสไฟฟ้า (current map) ของพื้นผิวในเวลาเดียวกัน
เทคนิคนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาวัสดุนำไฟฟ้า กึ่งตัวนำ และฉนวนบางชนิดในงานวิจัยด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ (nanoelectronics) และวัสดุพลังงานขั้นสูง (energy materials)
หลักการทำงานของ Conductive AFM
หัววัดนำไฟฟ้า (Conductive Tip):
ใช้หัววัด AFM ที่เคลือบด้วยโลหะหรือสารนำไฟฟ้า เช่น PtIr, Au, TiN, หรือ Diamond-like Carbon (DLC) เพื่อให้สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีเสถียรภาพ
การสัมผัสกับพื้นผิว (Contact Mode):
ในการวัด C-AFM ปลายหัววัดจะสัมผัสกับพื้นผิวของตัวอย่างโดยตรง (คล้าย contact mode) และมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (bias voltage) ระหว่างหัววัดกับตัวอย่าง
การวัดกระแสไฟฟ้า:
กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านระหว่างหัววัดและพื้นผิวจะถูกตรวจวัดด้วย current amplifier ที่มีความไวสูง (ระดับพิโคแอมแปร์ถึงนาโนแอมแปร์) ขณะหัววัดเคลื่อนที่สแกนบนพื้นผิว
การสร้างภาพ (Mapping):
ระบบจะบันทึกข้อมูลกระแสไฟฟ้า ณ แต่ละตำแหน่งของพื้นผิว พร้อมกับข้อมูล topography ที่ได้จากการเคลื่อนที่ของ Z-scanner ทำให้ได้ภาพ Current Map ที่แสดงการกระจายตัวของสมบัติทางไฟฟ้าในพื้นที่ต่าง ๆ บนพื้นผิว
ข้อมูลที่สามารถวิเคราะห์ได้จาก C-AFM
Topography: ความสูง–ต่ำของพื้นผิว (เหมือน AFM ทั่วไป)
Current Mapping: การกระจายของกระแสไฟฟ้าบนพื้นผิว
Local Conductivity: ความสามารถในการนำไฟฟ้าเฉพาะจุด
Resistance Variation: ความแตกต่างของค่าความต้านทานในแต่ละบริเวณ
I–V Spectroscopy: พฤติกรรมของกระแสไฟฟ้าเมื่อเปลี่ยนแรงดัน (Current–Voltage Behavior)
โดยใช้วิธีการวัดแรงดันไฟฟ้าแบบสเต็ปและบันทึกการตอบสนองของกระแสที่ปลายหัววัด
กลไกการทำงานพื้นฐาน
เมื่อปลายหัววัดสัมผัสกับตัวอย่าง จะเกิดเส้นทางการนำไฟฟ้าในระดับนาโนระหว่างหัววัดและพื้นผิว วัสดุที่มีการนำไฟฟ้าสูง (เช่น โลหะหรือโดปชนิด n/p ในเซมิคอนดักเตอร์) จะมีกระแสไหลผ่านได้ง่าย ในขณะที่บริเวณที่มีความต้านทานสูง (เช่น บริเวณออกไซด์หรือฉนวน) จะมีกระแสต่ำ หรือไม่มีเลย
ดังนั้น ภาพจาก C-AFM จะสามารถแสดงบริเวณที่มีค่าการนำไฟฟ้าแตกต่างกันได้อย่างชัดเจน — พื้นที่สว่างแทนกระแสสูง และพื้นที่มืดแทนกระแสต่ำ
ข้อดีของ Conductive AFM
- ให้ข้อมูลเชิงพื้นที่ของการนำไฟฟ้าในระดับนาโนเมตร
- สามารถวัดได้ทั้งบนพื้นผิวที่เป็นโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ หรือฟิล์มบางอินซูเลเตอร์
- ใช้วัดได้ในอากาศ สุญญากาศ หรือของเหลว
- วัดได้พร้อมกับข้อมูลทางกายภาพ (topography) โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือแยกต่างหาก
การประยุกต์ใช้งานของ C-AFM
เทคนิคนี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานวิจัยและอุตสาหกรรม เช่น
- การศึกษาการกระจายของ dopant ในสารกึ่งตัวนำ
- การตรวจสอบการรั่วของฉนวนบาง (oxide leakage) ในอุปกรณ์ MOSFET
- การวิเคราะห์สมบัติไฟฟ้าของ thin film และ 2D materials (Graphene, MoS₂)
- การตรวจสอบ organic semiconductor, perovskite solar cells, และ battery electrodes
- การศึกษาโครงสร้าง nanocomposite และ polymer conductive blends
โหมด Conductive AFM (C-AFM) เป็นเทคนิคที่ผสานการสร้างภาพระดับนาโนกับการวัดสมบัติทางไฟฟ้าได้พร้อมกันในจุดเดียว ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างทางกายภาพและสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุได้อย่างละเอียด ด้วยความไวสูง ความละเอียดระดับนาโนเมตร และความสามารถในการทำงานหลากหลายสภาวะ C-AFM จึงกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในงานวิจัยและพัฒนาวัสดุอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อย่างแท้จริง