การศึกษาด้วยวิธีควอนตัมเชิงคำนวณเพื่อแสดงสมบัติการดูดกลืนแสงอาทิตย์ ของวัสดุแกรฟีนนาโนพิลลาร์

บทคัดย่อ

แกรฟีนนาโนพิลลาร์(Graphene Nanopillar) เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติของแกรฟีน (Graphene) และท่อนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotubes) รวมอยู่ด้วยกันจากการเชื่อมต่ออย่างไร้รอยต่อด้วยพันธะโคเวเลนต์ โดยได้ศึกษาถึงลักษณะโครงสร้างเชิงเรขาคณิต ที่ส่งผลต่อโครงสร้างเชิงอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงพลังงานการก่อรูป (FormationEnergy) และการดูดกลืนแสง (Optical Absorption) จากการจำลองแบบและคำนวณบนคอมพิวเตอร์ด้วยระเบียบวิธีเชิงควอนตัมแบบ Density Functional Tight-Binding (DFTB) ของแกรฟีนนาโนพิลลาร์แบบสองท่อนาโนคาร์บอนที่มีการเชื่อมต่อท่อนาโนคาร์บอนแบบ zigzag (6,0) แบบ armchair (6,6) และแบบผสม zigzag(6,0)+armchair(6,6) ระหว่างแผ่นแกรฟีนสองแผ่นทำให้สามารถ เพิ่มความกว้าง ความยาวและความสูงเกิดเป็นการขยายปริมาตรของแกรฟีนนาโนพิลลาร์ที่แตกต่างกันได้ พบว่าพลังงานการก่อรูปของทุกโครงสร้าง แกรฟีนนาโนพิลลาร์เป็นแบบคายความร้อนจึง สามารถก่อรูปได้เองโดยไม่ต้องการพลังงานจากสิ่งแวดล้อม มีคุณสมบัติของโครงสร้างเชิงอิเล็กทรอนิกส์ ที่ค่อนข้างเป็นเอกลักษณ์คือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงเรขาคณิตไม่ทำให้โครงสร้างเชิงอิเล็กตรอนของแกรฟีนนาโนพิลลาร์โดยรวมเปลี่ยนแปลงไปอย่างมีนัยยะสำคัญในขณะที่ช่องว่างแถบพลังงาน (Energy Gap) ซึ่งบ่งบอกถึงความยากง่ายในการกระโดดข้ามระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนอยู่ในลักษณะง่ายไปยากดังเงื่อนไข  zigzag(6,0)+armchair(6,6) > zigzag (6,0) > armchair (6,6) และเมื่อศึกษาการดูดกลืนแสงพบว่ามีแนวโน้มการดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่น 1,600 nm –23,000 nm (ช่วงความถี่ 1012-1015Hz) ซึ่งเป็นช่วงคลื่นอินฟาเรด (Infrared) ถึงย่านแสงที่ตามองเห็น (Visible) เป็นการยืนยันว่าแกรฟีนนาโนพิลลาร์น่าจะนำไปใช้เป็นส่วนประกอบของการใช้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ (Organic Solar Photovoltaic Cell) ได้