Menggunakan Sudut untuk Meningkatkan Masa Depan Elektronik

Nanoteknologi adalah istilah yang diterapkan pada berbagai bidang mulai dari pakaian dan cat otomotif hingga peralatan olahraga dan elektronik. Pada akhirnya itu semua mengacu pada ukuran, nanometer (nm), dan kemampuan manusia untuk memahami, mengontrol, dan memanipulasi fenomena unik yang terjadi di dimensi ini. Untuk perspektif, selembar kertas tebalnya sekitar 100.000 nm. (klik untuk melihat linimasa teknologi nano IBM interaktif)

Di IBM Research dan, di beberapa proyek, dengan dukungan dana pemerintah, para ilmuwan sedang menjajaki skala nano untuk meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi energi perangkat elektronik, termasuk semuanya, mulai dari ponsel, sensor IoT, hingga pusat data cloud raksasa.

Gbr 1 :Perangkat berbentuk kunci berukuran nano dapat diputar seperti tangan pada kunci dari 0 hingga 360 derajat, yang dapat digunakan sebagai sakelar untuk menghidupkan dan mematikan arus transistor efek medan terowongan.

Salah satu proyek tersebut dipimpin oleh ilmuwan Elad Koren dari laboratorium Zurich IBM. Dalam proyek yang didanai di bawah program Ambizione di dalam Swiss National Science Foundation (SNSF), tim berfokus pada pemahaman fisika dasar susunan material 2D, termasuk graphene yang populer saat ini.

Meskipun ada banyak hype di sekitar graphene, itu dianggap sebagai salah satu bahan paling menjanjikan untuk perangkat elektronik dan kuantum semikonduktor masa depan karena sifat elektroniknya yang unggul. Ini juga menunjukkan sifat fisik yang kaya tergantung pada bagaimana ia ditumpuk di atas kristal 2D lainnya, dan di sinilah ia menjadi sangat menarik dan sedikit rumit.

Ketika dua lapisan bertumpuk terbuat dari bahan yang sama, seperti graphene, satu set khusus superlattice 2D periodik akan muncul pada sudut tertentu. Ketidakcocokan tersebut juga dapat menyebabkan celah pita dalam sistem graphene bilayer yang menghasilkan salah satu langkah pertama menuju pembuatan perangkat tipe transistor untuk perangkat elektronik generasi berikutnya yang lebih kuat, namun hemat energi.

Koren dan rekan-rekannya menerbitkan hasil awal mereka dalam jurnal peer-review edisi September 2016 Nature Nanotechnology . Dalam makalah tersebut, tim mendemonstrasikan bagaimana dengan menggunakan ujung tajam mikroskop gaya atom, mereka dapat secara tepat mengontrol apa yang tampak seperti kunci rumah biasa (Gbr. 1).

Perangkat berbentuk kunci berukuran nano dapat diputar seperti tangan pada kunci dari 0 hingga 360 derajat, yang dapat digunakan sebagai sakelar untuk menghidupkan dan mematikan arus transistor efek medan terowongan (TFET), sebuah langkah penting dalam mengurangi kebocoran energi pada perangkat elektronik.

“Kami telah mencapai akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam mengendalikan konfigurasi rotasi dengan resolusi sudut – lebih baik dari 0,1 derajat. Ini memungkinkan kami untuk mengeksplorasi sifat dasar tumpukan dan mewujudkan potensi penuhnya,” kata Koren.

Arus terukur mengalir melalui struktur nano grafit bengkok pada potensi bias V=50 mV sambil terus memutar lengan tuas. Inset:representasi ruang momentum dari kopling graphene bilayer pada sudut puntir yang sepadan =21,8° dan 38,2°.

Kemampuan untuk mengontrol konfigurasi susun dengan akurasi sudut tinggi memungkinkan untuk mengontrol dan merekayasa banyak sifat fisik dan mewujudkan material baru di berbagai bidang dalam sains dan teknologi seperti:elektronik, optik, termoelektrik, dan elektromekanik.

Perangkat ini juga mengaktifkan fluks magnet tinggi dalam  sel kristal tunggal yang menghasilkan kupu-kupu Hofstadter yang terkenal, perilaku elektron yang berteori di bawah medan magnet yang kuat dan potensi periodik.

Hukum gesekan tidak luput dari rezim nano dan bahkan pada gesekan skala kecil ini menjadi tantangan bagi perangkat berbentuk kunci dan seperti yang kita ketahui, gesekan menyebabkan panas, keausan, dan membuang energi — sifat yang tidak menguntungkan pada skala ini.

Luar biasa, ketidakcocokan rotasi dalam sistem berlapis 2D sangat menekan gesekan dan disipasi energi, efek yang dikenal sebagai superlubricity.

“Hampir tidak ada gesekan. Ini hanya berdasarkan menemukan sudut yang tepat,” tambah Koren.

Koren berharap dengan berbagi penelitiannya dengan orang lain di lapangan, hal itu akan memicu beberapa desain material dan perangkat baru.