Transisi Stanford: Transistor Atomis Tipis 100-nm Mendorong Elektronik Fleksibel ke Depan
Sirkuit komputer tipis dan lentur adalah tujuan insinyur selama bertahun-tahun, tetapi hambatan teknis telah mencegah tingkat miniaturisasi yang diperlukan untuk mencapai kinerja tinggi. Sekarang, peneliti di Stanford University telah menemukan teknik pembuatan yang menghasilkan transistor fleksibel, atomis tipis kurang dari 100 nanometer panjang — beberapa kali lebih kecil dari yang sebelumnya mungkin.
Dengan kemajuan ini, kata peneliti, tesebut "flextronics" bergerak lebih dekat ke kenyamanan. Elektronik fleksibel menjanjikan sirkuit komputer yang dapat dibengkokkan, dibentuk, dan hemat energi yang dapat dikenakan, atau ditanam, di tubuh manusia untuk melakukan berbagai tugas terkait kesehatan. Yang lebih lagi, "internet of things" yang akan datang, di mana hampir setiap perangkat dalam kehidupan kita terintegrasi dan terhubung, seharusnya sama sekali mendapat manfaat dari flextronics.
Di antara bahan yang cocok untuk elektronik fleksibel, semikonduktor dua dimensi (2D) telah menunjukkan janji karena properti mekanis dan listrik yang luar biasa, bahkan pada skala nano, menjadikan mereka calon yang lebih baik daripada silikon konvensional atau bahan organik.
Tantangan insinyur sampai sekarang adalah pembentukan perangkat yang hampir mustahil tipis ini memerlukan proses yang terlalu intensif panas untuk substrat plastik lentur. Bahan-bahan ini akan mencair dan terurai dalam proses produksi.
Solusi menurut peneliti, adalah untuk melakukannya dalam langkah, dimulai dengan substrat dasar yang sebaliknya tidak lentur. Mereka membentuk film tipis atomis dari semikonduktor 2D molybdenum disulfide (MoS2) dilapisi dengan elektroda emas nano-pola kecil di atas papan padat silikon dilapis kaca. Karena langkah ini dilakukan pada substrat silikon konvensional, dimensi transistor skala nano dapat diola dengan teknik pola canggih yang ada, mencapai resolusi yang tidak mungkin pada substrat plastik lentur.
Teknik berlapis ini, dikenal sebagai chemical vapor deposition (CVD), menumbuhkan film MoS2 satu lapisan atom pada satu waktu. Film yang dihasilkan hanya tebal tiga atom tetapi memerlukan suhu mencapai 850°C (lebih dari 1500°F) untuk bekerja. Dengan perbandingan, substrat lentur — terbuat dari poliamid, plastik tipis — akan kehilangan bentuknya di sekitar 360°C (680°F), dan terurai sepenuhnya pada suhu lebih tinggi.
Dengan pertama merancang dan membentuk bagian kritis ini pada silikon kaku dan membiarkan mereka mendingin, peneliti Stanford dapat menerapkan bahan lentur tanpa kerusakan. Dengan mandi sederhana dalam air deionis, seluruh tumpukan perangkat melepas, sekarang sepenuhnya ditransfer ke poliamid lentur.
Setelah beberapa langkah pembuatan tambahan, hasilnya adalah transistor fleksibel yang mampu kinerja beberapa kali lebih baik dari yang pernah dihasilkan sebelumnya dengan semikonduktor atomis tipis. Peneliti mengatakan bahwa sementara seluruh sirkuit dapat dibangun dan kemudian ditransfer ke bahan lentur, komplikasi tertentu dengan lapisan berikutnya membuat langkah-langkah tambahan ini lebih mudah setelah transfer.
"Pada akhirnya, seluruh struktur hanya tebal 5 mikron, termasuk poliamid lentur," kata Profesor Eric Pop. "Itu sekitar sepuluh kali lebih tipis daripada rambut manusia."
Sementara prestasi teknis dalam memproduksi transistor skala nano pada bahan lentur adalah menonjol sendirian, peneliti juga menggambarkan perangkat mereka sebagai "high performance," yang dalam konteks ini berarti mereka mampu menangani arus listrik tinggi sambil beroperasi pada tegangan rendah, seperti yang diperlukan untuk konsumsi daya rendah.
"Skala menurun ini memiliki beberapa manfaat," kata Dr. Daus. "Tentu saja, Anda dapat memasang lebih banyak transistor dalam footprint tertentu, tetapi Anda juga dapat memiliki arus yang lebih tinggi pada tegangan yang lebih rendah — kecepatan tinggi dengan konsumsi daya yang lebih rendah."
Sementara itu, kontak logam emas menyerap dan menyebarkan panas yang dihasilkan oleh transistor saat digunakan — panas yang mungkin membahayakan poliamid lentur.
Dengan prototipe dan aplikasi paten selesai, Daus dan Pop telah beralih ke tantangan berikutnya mereka untuk menyempurnakan perangkat. Mereka telah membangun transistor serupa menggunakan dua semikonduktor atomis tipis lainnya (MoSe2 dan WSe2) untuk menunjukkan penerapan luas dari teknik ini.
Sementara itu, Daus mengatakan bahwa dia sedang mempelajari integrasi sirkuit radio dengan perangkat, yang akan memungkinkan variasi masa depan untuk berkomunikasi nirkabel dengan dunia luar — langkah besar lain menuju kelayakan untuk flextronics, terutama yang ditanam di tubuh manusia atau terintegrasi dalam dalam perangkat lain yang terhubung ke internet of things.
"Ini lebih dari sekadar teknik produksi yang menjanjikan. Kami telah mencapai fleksibilitas, densitas, kinerja tinggi, dan daya rendah — semuanya pada saat yang sama," kata Pop. "Pekerjaan ini diharapkan akan memajukan teknologi pada beberapa tingkat."
