ความสัมพันธ์ระหว่างมวลโมเลกุลของพอลิสไตรีนและความเข้มข้นของอนุภาค ซิงค์ออกไซด์ระดับนาโนเมตรที่มีผลต่อการยับยั้งพฤติกรรมการเสื่อมสภาพ

บทคัดย่อ

วัตถุประสงค์และที่มา : ฟิล์มบางพอลิเมอร์เป็นวัสดุที่มีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร และมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ ตัวเก็บประจุ และเซนเซอร์ ปัจจุบัน อุตสาหกรรมเทคโนโลยีมีแนวโน้มในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้มีขนาดเล็กลงเพื่อความสะดวกในการพกพาและลดการใช้พลังงาน ส่งผลให้ฟิล์มพอลิเมอร์ชั้นฉนวนมีความหนาลดลงตามไปด้วย เนื่องจากความหนาของชั้นฟิล์มพอลิเมอร์ลดลงส่งผลให้ประสิทธิภาพการยึดติดระหว่างฟิล์มบางพอลิเมอร์กับฐานรองลดลง และเมื่อได้รับการกระตุ้นจากปัจจัยทางแวดล้อม เช่น การสัมผัส ความชื้น หรือความร้อน ฟิล์มพอลิเมอร์จะเกิดการแยกตัวออกจากกันกลายเป็นหลุมและไม่สามารถยึดติดกับฐานรองได้อีกต่อไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพของฟิล์มบางพอลิเมอร์ลดลงและจำกัดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ การเติมอนุภาคระดับนาโนเป็นเทคนิคหนึ่งที่ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการยึดติดของฟิล์มบาง ตำแหน่งของอนุภาคระดับนาโนภายในฟิล์มบางพอลิเมอร์ขึ้นอยู่กับพลังงานพื้นผิวของฐานรอง พลังงานพื้นผิวของอนุภาคระดับนาโน และความเข้มข้นของอนุภาคระดับนาโน ซึ่งมีผลต่อประสิทธิภาพในการยับยั้งพฤติกรรมการเสื่อมสภาพของฟิล์มบาง งานวิจัยนี้มีความสนใจที่จะศึกษาพฤติกรรมการเสื่อมสภาพของฟิล์มบางพอลิสไตรีนเมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยความร้อน และหาความเข้มข้นของอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ที่เหมาะสมในการยับยั้งพฤติกรรมการเสื่อมสภาพของฟิล์มบางพอลิสไตรีนที่มวลโมเลกุลแตกต่างกัน

วิธีดำเนินการวิจัย : เตรียมสารละลายพอลิสไตรีน มวลโมเลกุล 13,000 กรัมต่อโมล, 30,000 กรัมต่อโมล, และ 50,000 กรัมต่อโมล (PS13K, PS30K และ PS50K ตามลำดับ) และสารแขวนลอยอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ (~ 50 นาโนเมตร) ในโทลูอีนที่ความเข้มข้น 0.5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ผสมสารแขวนลอยอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ลงในสารละลายพอลิสไตรีนที่สัดส่วนความเข้มข้น 0, 0.3, 0.5, 0.7, และ 1.0 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก จากนั้นขึ้นรูปฟิล์มบางพอลิสไตรีนบนฐานรองซิลิกอนด้วยกระบวนการเคลือบผิวแบบหมุนเหวี่ยง ศึกษามุมสัมผัสระหว่างหยดของเหลวกับพื้นผิวฟิล์มตัวอย่างด้วยเครื่องวัดมุมสัมผัส เพื่อนำไปคำนวณพลังงานพื้นผิวของฟิล์มบาง ต่อมาให้ความร้อนกับฟิล์มบางเพื่อกระตุ้นให้เกิดพฤติกรรมการเสื่อมสภาพ จากนั้นตรวจสอบลักษณะทางสัณฐานวิทยาพื้นผิวของฟิล์มบางทั้งก่อนและหลังการให้ความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง สุดท้ายคำนวณหาเปอร์เซ็นต์พื้นที่ที่เกิดการเสื่อมสภาพของฟิล์มบาง

ผลการวิจัย : ฟิล์มบาง PS มีค่าพลังงานพื้นผิวเฉลี่ย 45.083 มิลลิจูลต่อตารางเมตร และฟิล์มบาง PS-ZnO มีค่าพลังงานพื้นผิวเฉลี่ย 45.263 มิลลิจูลต่อตารางเมตร ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับข้อสันนิษฐานว่าการเติมอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ไม่ได้ส่งผลต่อสมบัติทางกายภาพของฟิล์มบางพอลิสไตรีน และการยับยั้งพฤติกรรมการเสื่อมสภาพของฟิล์มบางไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานพื้นผิว อย่างไรก็ตาม พลังงานพื้นผิวถูกนำไปทำนายลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ในฟิล์มบางพอลิสไตรีนต่อไป การกระตุ้นฟิล์มบางด้วยความร้อนส่งผลให้ฟิล์มบาง PS และฟิล์มบาง PS-ZnO แสดงพฤติกรรมการเสื่อมสภาพ โดยเกิดหลุมบนพื้นผิวของฟิล์มบาง เมื่อฟิล์มบางได้รับการกระตุ้นด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาติดต่อกันหลุมเกิดการขยายตัวและเคลื่อนที่มารวมกัน ในท้ายที่สุดฟิล์มบางจะเกิดการเสื่อมสภาพจนกลายเป็นหยดของพอลิสไตรีน การเติมอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ในปริมาณที่เหมาะสมสามารถช่วยเพิ่มเสถียรภาพและยับยั้งพฤติกรรมการเสื่อมสภาพของฟิล์มบางดังกล่าวได้ โดยพบว่าความเข้มข้นของอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ที่ 0.3, 0.7, และ 0.7 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เป็นความเข้มข้นที่มีประสิทธิภาพในการยับยั้งการเสื่อมสภาพของฟิล์มบาง PS13K, PS30K, และ PS50K ได้ดีที่สุดตามลำดับ

สรุปผลการวิจัย : ฟิล์มบาง PS และฟิล์มบาง PS-ZnO ถูกขึ้นรูปบนฐานรองซิลิกอนด้วยเทคนิคการเคลือบผิวแบบหมุนเหวี่ยง ฟิล์มบางเกิดการแข็งตัวจากการระเหยของตัวทำละลายอย่างรวดเร็วส่งผลให้เกิดความเครียดภายในฟิล์มบาง เมื่อฟิล์มบางถูกกระตุ้นด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่อง สายโซ่พอลิเมอร์เกิดการปลดปล่อยความเครียดด้วยการเคลื่อนที่รวมตัวกัน ส่งผลให้เหลือพื้นที่ว่างเกิดเป็นหลุมของนิวเครียส หลุมเกิดการขยายตัวกลายเป็นพื้นที่ที่ฟิล์มบางพอลิสไตรีนไม่สามารถยึดติดกับฐานรองได้ ฟิล์มบาง PS และฟิล์มบาง PS-ZnO ถูกกระตุ้นด้วยความร้อนเป็นเวลาติดต่อกัน ฟิล์มบางแสดงพฤติกรรมการเสื่อมสภาพ อย่างไรก็ตาม การเติมอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ปริมาณเพียงเล็กน้อยส่งผลให้ฟิล์มบางพอลิสไตรีนมีเสถียรภาพการยึดติดบนฐานรองซิลิกอนได้ดีขึ้น และสามารถยับยั้งการเสื่อมสภาพของฟิล์มบางพอลิสไตรีนบนฐานรองซิลิกอนได้ พลังงานพื้นผิวของฟิล์มบางมีค่าใกล้เคียงกันอย่างไม่มีนัยสำคัญ การเติมอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์ไม่ส่งผลต่อลักษณะทางกายภาพของฟิล์มบางพอลิสไตรีน พลังงานพื้นผิวบ่งบอกถึงแนวทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคระดับนาโนในฟิล์มบางพอลิเมอร์ โดยคาดว่าอนุภาคระดับนาโนของซิงค์ออกไซด์เคลื่อนที่ไปยังบริเวณรอยต่อระหว่างฐานรองซิลิกอน และกดทับสายโซ่ของพอลิเมอร์ ส่งผลให้การเคลื่อนที่ของสายโซ่พอลิเมอร์ถูกจำกัดและการขยายตัวของหลุมลดลง ความแตกต่างของมวลโมเลกุลส่งผลต่ออุณหภูมิที่ใช้ในการกระตุ้นด้วยความร้อน การเคลื่อนที่ของสายโซ่ และลักษณะของการเกิดหลุมบนพื้นผิว ฟิล์มบางมวลโมเลกุลสูงมีความเสถียรต่อความร้อนได้มากกว่าฟิล์มบางมวลโมเลกุลต่ำ เนื่องจากสายโซ่พอลิเมอร์เคลื่อนที่ช้าและมีการเกี่ยวพันกันมากขึ้น ลักษณะการเกิดหลุมของฟิล์มบางมวลโมเลกุลต่ำมีรูปร่างไม่สมมาตร บริเวณขอบหลุมมีลักษณะคล้ายคลื่น ซึ่งเกิดจากความคล่องตัวในการเคลื่อนที่ของสายโซ่พอลิเมอร์ที่มีขนาดสั้น สายโซ่สามารถเคลื่อนที่แทรกออกไปผ่านช่องว่างระหว่างอนุภาคระดับนาโน ในขณะที่ลักษณะการเกิดหลุมของฟิล์มบางมวลโมเลกุลสูงจะมีรูปร่างสมมาตร เนื่องจากสายโซ่พอลิเมอร์ยาวทำให้ความคล่องตัวในการเคลื่อนที่ถูกจำกัด ส่งผลให้ฟิล์มบางสร้างหลุมขึ้นมาใหม่แทนการขยายตัวของหลุมเดิม