Ilmuwan material mengajarkan kawat nano cara 'menari'
Mikroskop elektron vakum ultra-tinggi yang tersimpan di laboratorium di lorong yang tidak mencolok di lantai dasar IBM Thomas J Watson Research Center (terselip di hutan Westchester County, NY) menyimpan banyak petunjuk yang membantu para ilmuwan membuka kunci fisika yang terjadi pada dimensi skala nano. Memahami bagaimana bahan berperilaku pada ukuran kecil seperti itu membuka imajinasi komunitas ilmiah untuk perangkat elektronik baru di masa depan. Mikroskop elektron bekerja sedikit seperti pertanian, tetapi alih-alih menanam sayuran favorit Anda, objek yang tumbuh adalah kawat nano:kristal yang sangat sempit namun panjang yang terbuat dari bahan semikonduktor, masing-masing dengan sifat elektroniknya sendiri.
Pertumbuhan dimulai dengan "benih" kecil, yang terdiri dari tetesan logam katalitik, yang ditaburkan oleh para ilmuwan ke "bidang" silikon yang datar. Ketika bahan yang tepat disediakan – panas dan gas khusus – setiap benih mulai menumbuhkan kawat nano. Tetapi tidak seperti di pertanian nyata, di mana pertumbuhan dimulai di bawah tanah, di sini tetesan benih tetap berada di ujung kawat nano mereka, memastikan bahwa pertumbuhan hanya terjadi di ujungnya. Hasilnya adalah hutan kristal panjang dan sempit yang tumbuh lurus ke atas. Dalam eksperimen baru, tim telah menunjukkan bahwa ketika mereka menyalakan medan listrik, tetesan dapat ditarik ke samping atau diregangkan secara vertikal. Gerakan "tarian" atau "peregangan" kecil ini memaksa kristal yang tumbuh untuk mengubah arahnya sebagai respons. Kontrol medan listrik dari pertumbuhan kawat nano adalah batas baru, membuka pintu untuk membangun struktur nano khusus yang dapat diintegrasikan ke dalam jenis perangkat elektronik baru.
Ilmuwan IBM, yang dipimpin oleh Dr. Frances Ross, bekerja sama dengan University of Cambridge, University of Pennsylvania, dan Technical University of Denmark, menerbitkan hasil mereka, “Mengontrol pertumbuhan kawat nano melalui deformasi tetesan katalis yang diinduksi medan listrik” dalam laporan terbaru edisi Nature Communications minggu ini (DOI:10.1038/NCOMMS12271).
Untuk mengontrol proses elegan yang dimediasi tetesan yang menumbuhkan kawat nano, tim telah mencoba banyak trik sederhana:mengubah suhu, tekanan, campuran gas, dan bahan katalis selama pertumbuhan. “Apa yang ingin kami lakukan di sini adalah mencoba memutar tombol baru untuk melihat struktur seperti apa yang akan kami dapatkan. Kenop yang kami tambahkan adalah medan listrik yang kami buat dengan menerapkan tegangan ke sampel selama pertumbuhan. Saat kami menyalakan dan mematikan medan, kami dapat melihat setiap tetesan berubah bentuk dan pertumbuhan kawat nano kemudian berubah mengikutinya,” kata Ross, ilmuwan material, IBM Research.
Inilah alasan mengapa tim melakukan eksperimen pertumbuhan mereka di mikroskop:mereka bisa langsung melihat kawat nano bergerak saat menyalakan medan listrik. Mikroskop memperbesar kawat nano yang tumbuh sebanyak 50.000 kali dan merekam 30 gambar setiap detik, menyediakan banyak data untuk dianalisis.
“Medan listrik sepertinya patut dicoba karena kami tahu bahwa tetesan katalis akan berperilaku seperti logam lain dalam medan listrik dan ditarik ke arah medan tersebut,” kata Ross. “Yang sangat menarik dalam eksperimen ini adalah bagaimana perubahan posisi tetesan mempengaruhi bagaimana pertumbuhan terjadi di ujung kawat nano.”
Produk sampingan yang menarik dari penelitian ini adalah mampu mengukur tegangan permukaan tetesan cairan. Tegangan permukaan adalah kulit yang menjaga tetesan, seperti tetesan air pada kaca, dalam bentuk bola. Nilai tegangan permukaan yang akurat merupakan persyaratan mendasar untuk mengembangkan model komputer guna memprediksi pertumbuhan kawat nano.
“Kami selalu mencari cara terbaik untuk menumbuhkan kristal dengan sifat tertentu. Kita tahu apa yang bisa kita dapatkan dengan mengubah suhu atau tekanan:kawat nano yang menarik dan berguna, tetapi selalu tumbuh secara vertikal. Dengan medan listrik, kami akhirnya memiliki cara untuk memaksa kawat tumbuh ke samping atau miring, sehingga kami dapat membentuk struktur tiga dimensi, ”tambah Ross.
Aplikasi untuk kawat nano "menari"
Perangkat elektronik modern menggunakan portofolio material yang terus meningkat dalam upaya meningkatkan daya komputasi dan kapasitas data, serta menerapkan fungsionalitas baru. Kawat nano miring atau tertekuk dapat memperluas repertoar material, terutama jika dapat dibuat dengan andal. Mereka bisa berguna sebagai interkoneksi, di mana perangkat membutuhkan sambungan listrik antara komponen yang berbeda dalam suatu rangkaian. Mereka mungkin mengizinkan jenis sensor IoT baru atau digunakan sebagai probe. Misalnya, probe berbentuk V dapat ditusukkan ke sel hidup untuk memantau sinyal listrik kecil sel. Kawat nano lain yang berbentuk seperti huruf "T" atau "X" juga memiliki aplikasi yang menarik. Menempatkan "huruf" ini dalam medan magnet dan mengukur aliran arus dengan menerapkan tegangan ke kaki yang berbeda dapat membantu menguji teori dasar fisika. Teori-teori ini muskil, karena mengatur perilaku eksitasi khusus dalam bahan semikonduktor. Tapi mereka mungkin juga akan relevan secara praktis:eksitasi dapat menyediakan sarana untuk menyimpan informasi dalam komputer kuantum dengan cara yang menghindari beberapa keterbatasan desain saat ini. Kawat nano yang tumbuh dengan tarian, tetesan yang meregang mungkin merupakan langkah pertama di sepanjang jalan ini.
Mikroskop elektron vakum ultra-tinggi dalam 360 derajat
