การระบุตำแหน่งของแมงกานีสที่เจือในแบเรียมไททาเนต โดยวิธีสปกโตรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

แบเรียมไททาเนต (BaTiO₃ ) เป็นสารอิเล็กโตรเซรามิกที่รู้จักกันดี และมักจะถูกนำไปประยุกต์ใช้งานในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวเก็บประจุ (Capacitors) และตัวรักษาระดับอุณหภูมิ (Thermistors) เป็นต้น การปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของแบเรียมไททาเนตสามารถทำได้โดยการเติมโลหะทรานซิชันในกลุ่ม 3d (เช่น Mn, Fe, Co และ Ni) เป็นสารเจือ งานวิจัยส่วนใหญ่ในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การศึกษาวิจัยเกี่ยวกับสารแบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยแมงกานีส (Mn-doped BaTiO₃ )

โดยพบว่าสามารถทำให้โครงสร้างแบบเฮกซะโกนอล (Hexagonal Polymorph) ของสารเซรามิกมีความเสถียรที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากต่อการนำไปประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โครงสร้างผลึกและคุณสมบัติของสารแบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยแมงกานีสจะขึ้นอยู่กับตำแหน่ง โครงสร้าง ณ บริเวณรอบ ๆ อะตอม และสถานะทางวาเลนซ์ของแมงกานีสที่เติมเข้าไป ซึ่งในปัจจุบันยังไม่มีรายงานการวิจัยที่ยืนยันข้อมูลดังกล่าวได้อย่างแน่ชัด

โครงการวิจัยนี้เป็นโครงการที่ได้รับการสนับสนุนจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) โดยมี ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.รัตติกร ยิ้มนิรัญ จากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เป็นหัวหน้าโครงการ ได้ใช้เทคนิคสเปกโตรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ (X-ray Absorption Spectroscopy: XAS) ณ Beamline-8 ห้องปฏิบัติการแสงสยาม โดยใช้ทั้งสเปกตรัมในช่วง XANES และ EXAFS ร่วมกันในการวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อการศึกษาโครงสร้าง ณ บริเวณรอบ ๆ อะตอมของแมงกานีสในสารเซรามิกแบเรียมไททาเนต

รูปที่ 1 ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการนำไปประยุกต์ใช้งานของสารอิเล็กโตรเซรามิก

รูปที่ 2 สถานีทดลอง XAS ณ Beamline-8 (BL-8)

งานวิจัยนี้ ได้ทำการทดลองโดยทำการเตรียมสาร Ba(Ti_1-X Mn_X )O₃  โดยที่ค่า X = 0.01-0.2 จากสารตั้งต้นคือ BaCO₃ , TiO₂  และ MnO₂  โดยแปรผันค่าความเข้มข้นของ Mn ที่ 5%, 10%, 15% และ  20% เพื่อใช้ในการศึกษาสเปกโตรสโกปีของการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ที่ Mn K-edge ด้วยวัดแบบส่องผ่าน (Transmission Model) และทำการเก็บข้อมูลที่อุณหภูมิห้อง ผลของสเปคตรัม  XANES ของ Mn K-edge ในสาร Ba(Ti_1-X Mn_X )O₃

แสดงให้เห็นว่าอะตอมของ Mn ในทุกค่าความเข้มข้น  (5-20%) น่าจะเข้าไปอยู่ในตำแหน่งเดียวกันของสารเซรามิก ซึ่งสเปคตรัมของสารเซรามิกเจือที่ได้มีความคล้ายคลึงกับสเปคตรัมของ MnO₂  (รูปที่ 3-4) ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ว่าตำแหน่งของ Mn จะเข้าไปแทนที่ตำแหน่งของ Ti ใน BaTiO₃  นอกจากนี้ ผลจากการวิเคราะห์ด้วย EXAFS ก็ยังแสดงให้เห็นถึงระยะห่างที่ใกล้เคียงกันระหว่าง Mn K-edge และ Ti-edge

ทำให้เชื่อได้ว่า Mn น่าจะเข้าแทนที่ในตำแหน่งของ Ti และยังมีข้อมูลจากการศึกษาคุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกและเฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งผลที่ได้บ่งชี้ถึงการเข้าแทนที่ในตำแหน่งของ Ti ในโครงสร้าง BaTiO₃  ของ Mn งานวิจัยนี้จึงเป็นงานวิจัยแรกที่สามารถพิสูจน์ว่าอะตอมของ Mn มีการเข้าแทนที่ในตำแหน่งของ Ti ในโครงสร้าง BaTiO₃  โดยอาศัยหลักฐานจากการทดลองคือข้อมูลของ XANES และ EXAFS ที่ได้ประกอบกับผลการศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าตามที่ได้กล่าวมา

รูปที่ 3 ผลการวัด Mn K-edge XANES Spectra ของ Ba(Ti_1-X Mn_X )O₃

รูปที่ 4 ผลการวัด Mn K-edge XANES Spectra ของ BaTi₀₈ Mn₀₂ O₃  เทียบกับ MnO₂