หลักการทำงานของโหมด Nanolithography ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM Nanolithography Mode)
AFM Nanolithography หรือที่เรียกว่า การเขียนลายระดับนาโนด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม เป็นเทคนิคที่ใช้ ปลายหัววัดของ AFM (AFM tip) ในการ “วาด” หรือ “สร้างลวดลาย” บนพื้นผิวของวัสดุในระดับนาโนเมตร โดยอาศัยแรงทางกล, แรงไฟฟ้า, หรือปฏิกิริยาเคมีระหว่างหัววัดกับพื้นผิว เทคนิคนี้ถือเป็นหนึ่งในรูปแบบของ Nanofabrication ที่ให้ความแม่นยำสูงและไม่ต้องใช้กระบวนการซับซ้อนเหมือนการสร้างลวดลายแบบโฟโตลิโธกราฟี (Photolithography) แบบดั้งเดิม
หลักการทำงานของ AFM Nanolithography
โหมดนี้ใช้กลไกของ AFM scanner และ precision feedback control เพื่อควบคุมตำแหน่งของหัววัดให้เคลื่อนที่ตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า พร้อมทั้งปรับแรง, แรงดันไฟฟ้า, หรือสภาพแวดล้อม เพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะจุดบนพื้นผิว
เทคนิค AFM Nanolithography สามารถแบ่งออกได้เป็นหลายรูปแบบตามหลักการทำงาน ได้แก่
1. Mechanical Nanolithography (Mechanical Scratching / Nano-scribing)
ในเทคนิคนี้ ปลายหัววัดของ AFM จะสัมผัสและกดลงบนพื้นผิวด้วยแรงเชิงกลสูง เพื่อขูดหรือกรีดวัสดุออกจากบริเวณที่ต้องการ
กลไก: ใช้แรงทางกลจาก cantilever deflection ในระดับไมโคร–นาโนนิวตัน
วัสดุที่เหมาะสม: ฟิล์มบาง, พอลิเมอร์, และวัสดุเคลือบบางชนิด
ผลลัพธ์: สามารถสร้างลวดลายร่องลึกระดับ 1–100 nm ได้อย่างแม่นยำ
2. Local Anodic Oxidation (LAO Nanolithography)
เทคนิคนี้ใช้หลักการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเฉพาะจุดบนพื้นผิวของวัสดุ導ไฟฟ้า เช่น ซิลิกอน หรือโลหะ โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าระหว่างหัววัดและพื้นผิวในสภาวะที่มีความชื้น
กลไก: เมื่อจ่าย bias voltage ที่เหมาะสม (เช่น +5 ถึง +20 V) จะเกิดชั้นออกไซด์บาง ๆ ใต้ปลายหัววัดเนื่องจากการแตกตัวของน้ำ (electrochemical oxidation)
วัสดุที่เหมาะสม: Si, GaAs, Ti, Al, Graphene
ผลลัพธ์: สร้างโครงสร้างนาโนแบบฉนวน เช่น เส้นทางนำไฟฟ้า, นาโนทรานซิสเตอร์, หรือการเขียน pattern ทางอิเล็กทรอนิกส์ได้
3. Thermal Nanolithography (Local Heating / Thermochemical Patterning)
ในเทคนิคนี้ หัววัดที่ถูกทำให้ร้อน (heated tip) จะถูกนำไปแตะพื้นผิวเพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือกายภาพเฉพาะจุด
กลไก: ใช้อุณหภูมิจากหัววัด (100–800 °C) เพื่อทำให้เกิดการหลอม การคายก๊าซ หรือการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุล
วัสดุที่เหมาะสม: พอลิเมอร์, ฟิล์มบาง, หรือวัสดุเคมีไวต่อความร้อน
ผลลัพธ์: ใช้ในการสร้างเส้นนาโน 2D หรือเปลี่ยนสมบัติพื้นผิว (เช่น hydrophobic → hydrophilic)
4. Dip-Pen Nanolithography (DPN)
เทคนิคนี้เปรียบเสมือน “การเขียนด้วยหมึกนาโน” โดยใช้หัววัดที่เคลือบด้วยสารเคมีหรือโมเลกุล แล้วนำไปสัมผัสกับพื้นผิวเพื่อถ่ายโอนสารเหล่านั้น
กลไก: โมเลกุลจะเคลื่อนที่จากหัววัดไปยังพื้นผิวผ่านชั้นน้ำบาง ๆ ที่เกิดจากความชื้นในอากาศ
วัสดุที่เหมาะสม: พื้นผิวโลหะ, ซิลิกา, หรือสารชีวภาพ
ผลลัพธ์: สามารถเขียนลวดลายของโมเลกุลเดี่ยว (เช่น DNA, โปรตีน, หรือพอลิเมอร์ฟังก์ชัน) ได้ด้วยความละเอียดระดับ 10–100 nm
คุณสมบัติเด่นของ AFM Nanolithography
ความละเอียดสูงระดับนาโนเมตร (sub-10 nm possible)
ไม่ต้องใช้หน้ากาก (Maskless fabrication)
ควบคุมได้ทั้งแรงกด แรงดัน และทิศทางของการเขียน
สามารถสร้างลวดลายได้ทั้งทางกายภาพและทางเคมี
เหมาะสำหรับงานวิจัยพื้นฐานและต้นแบบในระดับนาโน
การประยุกต์ใช้งาน
เทคนิค AFM Nanolithography ถูกนำมาใช้ในหลายสาขา เช่น
การสร้าง Nanoelectronic Devices เช่น Transistor, Capacitor, และ Quantum Dot
การสร้างโครงสร้าง Biosensor และ Biochip ในงานชีวภาพระดับนาโน
การสร้างแม่พิมพ์นาโนสำหรับ Nanoimprint Lithography
การเขียนโครงสร้างใน Graphene และ 2D materials เพื่อปรับสมบัติทางไฟฟ้า
การวิจัยด้าน nanochemistry และ surface modification
โหมด AFM Nanolithography เป็นการผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีไมโครสเกลและนาโนสเกล ทำให้สามารถสร้างโครงสร้างและลวดลายได้อย่างแม่นยำโดยใช้หัววัดเพียงหัวเดียว ด้วยการควบคุมแรง แรงดัน หรืออุณหภูมิในระดับอะตอม เทคโนโลยีนี้จึงเป็นพื้นฐานสำคัญของการพัฒนาอุปกรณ์นาโนรุ่นใหม่ในด้าน electronics, photonics, materials science, และ biotechnology