Abstract:
วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดแมกนีเซียมซิลิไซด์ได้รับความสนใจในด้านวัสดุทางเลือกที่มีอุณหภูมิทำการอยู่ในย่านกลาง (600-1200 K) ซึ่งมีความพิเศษคือสามารถหาได้ง่ายบนพื้นโลกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยการนำมาทำเป็นอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกจะต้องใช้สารที่มีสภาพนำไฟฟ้าชนิดพี (p-type) และชนิดเอ็น (n-type) มาต่อร่วมกัน ซึ่งแมกนีเซียมซิลิไซด์ที่สมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นดังนั้นการพัฒนาแมกนีเซียมซิลิไซด์ที่มีสภาพนำไฟฟ้าเป็นชนิดเอ็นจึงถูกพัฒนาประสิทธิภาพได้ดีกว่า แต่สำหรับชนิดพีนั้นยังคงยากต่อการสังเคราะห์ขึ้นมาอยู่ โดยการจะทำให้สารมีสภาพนำไฟฟ้าเป็นชนิดพีได้นั้นจะต้องมีการนำมาทำเป็นโลหะเจือ (alloy) กับสารกึ่งตัวนำชนิดพี เช่น แมกนีเซียมเจอร์เมไนด์ หรือเติมอะตอมที่มีโฮล (hole) ลงไปเพิ่มเพื่อให้มีสภาพนำไฟฟ้าเป็นชนิดพี สำหรับงานวิจัยนี้เลือกพิจารณาระบบของโลหะเจือชนิดแมกนีเซียมซิลิไซด์กับ เจอร์เมเนียม Mg₂Si₁-xGex ซึ่งมีการเติมโลหะมีสกุล (noble metal) เช่น โลหะเงิน (silver) โลหะทองแดง (copper) และ โลหะทอง (gold) เข้าไปเพื่อให้มีสภาพนำไฟฟ้าเป็นชนิดพี โดยใช้แบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ จากทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น ซึ่งโครงสร้างที่นำมาจำลองระบบโลหะเจือนี้จะเป็นโครงสร้างเสมือนสุ่มพิเศษ (special quasirandom structure : SQS) เพื่อเป็นตัวแทนของระบบโลหะเจือที่มีอัตราส่วน x ที่สนใจ พิจารณาคือ x = 0.25 , 0.50 และ 0.75 หลังจากนั้นจึงนำสารประกอบโลหะเจือที่มีอัตราส่วน x = 0.5 มาทำการเติมโลหะมีสกุลเข้าไป 1 อะตอม แล้วจึงพบว่าการเติมโลหะเงินเข้าไปโดยเข้าไปแทนที่อะตอมแมกนีเซียมในผลึก จะทำให้สารประกอบโลหะเจือนี้มีสภาพนำไฟฟ้าเป็นชนิดพี ในทางกลับกันโลหะทองแดงและโลหะทองมีแนวโน้มที่จะเข้าไปแทนที่ช่องว่างกลางโครงสร้างและซิลิกอนตามลำดับ แล้วทำให้มีสภาพนำไฟฟ้าชนิดเอ็นแทน แต่อย่างไรก็ตาม พลังงานก่อเกิด (formation Energy) ระหว่างการที่โลหะเงินเข้าไปแทนที่ แมกนีเซียมและช่องว่างกลางโครงสร้าง มีค่าแตกต่างกันเพียง 0.1 eV จึงทำให้ในเชิงการทดลองการสังเคราะห์สาร มีโอกาสที่โลหะเงินจะเกิดการแทนที่ช่องว่างกลางโครงสร้างในผลึก ซึ่งเป็นผลให้สารประกอบโลหะเจือชนิดนี้เปลี่ยนจากสภาพนำไฟฟ้าชนิดพีไปเป็นชนิดเอ็นได้
