“กราฟีน” วัสดุบางสุดในโลก ซ็อค วงการอิเล็กทรอนิสไปตลอดกาลที่จะฆ่า กฎของมัวร์

[gh_dark]

คิดทางกลับ เอาไปทำกระสุนปืนดีฟ่า

[maoking]

ถุงยาง กระทู้นี้ทำเอาตูหัวเราะได้ตอนตี 1 เลยนะ 555555

[tre]

จะทันได้เห็นมั้ยน้อเรา

[Destynova]

-*- ไปไหนกันแล้วนั่น กลับฝั่งด่วน

[kiwanwat]

ขอขอบคุณขอมูลจากลิ้งนี้>>>http://www.*****************/web/201...en-technology/

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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image002.jpg[/IMG]



ถ้านำ กราไฟต์มาลอกออกเป็นชั้นๆจนเหลือความหนาเพียง 1 อะตอมเราจะได้กราฟีน นอกนั้นจะค้นพบว่าโครงสร้างทางคาร์บอนที่ได้มีการค้นพบก่อนหน้านี้ ล้วนมีพื้นฐานมาจากการ์ฟีนทั้งนั้นไม่ว่าจะเป็นท่อนาโนคาร์บอนหรือบักกี้บอล

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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image003.gif[/IMG]




คุณสมบัติของกราฟีน

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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image007.jpg[/IMG]


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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image009.jpg[/IMG]

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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image010.jpg[/IMG]



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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image012.jpg[/IMG]



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

[IMG]http://www.*****************/web/wp-content/uploads/2010/11/clip_image014.jpg[/IMG]


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