Ilmuwan Memanfaatkan Medan Listrik untuk Mengarahkan Pertumbuhan Nanowire
Mikroskop elektron vakum ultra-tinggi yang tersembunyi di lab di lantai bawah IBM Thomas J. Watson Research Center di Westchester County, NY, adalah alat canggih untuk mengungkap fisika yang mengatur materi pada skala nano. Dengan memvisualisasikan bagaimana struktur berperilaku di kondisi ekstrem, peneliti dapat merancang perangkat elektronik generasi berikutnya.
Di lab, ilmuwan menumbuhkan nanowire—kristal kecil berlebar satu mikrometer yang terbuat dari bahan semikonduktor—menggunakan pendekatan vapor-liquid-solid. Titik logam katalitik kecil berfungsi sebagai “benih” pada substrat silikon datar. Saat dipanaskan dan diekspos pada campuran gas yang dipilih dengan cermat, setiap benih memunculkan nanowire yang meluruskan ke atas dari ujung titik.
Dalam studi terobosan, peneliti IBM yang dipimpin oleh Dr. Frances Ross, dalam kolaborasi dengan University of Cambridge, University of Pennsylvania, dan Technical University of Denmark, mendemonstrasikan bahwa penerapan medan listrik selama pertumbuhan dapat merusak titik katalis. Deformasi ini mengarahkan nanowire, menyebabkan ia membungkuk atau meregang sebagai respons terhadap medan. Temuan dipublikasikan di Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms12271).
“Kami ingin menambahkan kontrol baru pada proses pertumbuhan kami,” kata Ross. “Dengan menyalakan dan mematikan medan listrik, kami dapat mengamati titik berubah bentuk dan nanowire mengikuti geraknya.” Tim bereksperimen dengan suhu, tekanan, komposisi gas, dan bahan katalis, tetapi medan listrik menawarkan cara baru untuk menentukan arah pertumbuhan.
Mengamati proses secara real-time memerlukan pembesaran 50.000× mikroskop dan kemampuan perekaman 30 frame per detik. Pengaturan ini memungkinkan peneliti menangkap respons dinamis titik dan nanowire saat medan diterapkan.
“Logam bereaksi secara dapat diramalkan terhadap medan listrik,” jelas Ross. “Saat kami melihat titik bergerak, kami juga melihat nanowire tumbuh sepanjang trajetur baru, mengungkap hubungan langsung antara mekanika titik dan pertumbuhan kristal.”
Eksperimen juga menghasilkan pengukuran yang tepat dari tegangan permukaan titik katalis—parameter kunci untuk model komputasi yang memprediksi perilaku nanowire. Nilai tegangan permukaan yang akurat membantu ilmuwan merancang protokol pertumbuhan yang dapat diandalkan untuk menghasilkan bentuk yang diinginkan.
“Penyesuaian suhu dan tekanan memberikan pertumbuhan vertikal,” kata Ross. “Dengan medan listrik, kami sekarang dapat memaksa kabel tumbuh secara sampingan atau pada sudut sembuka, membuka pintu untuk nanostruktur tiga dimensi.”
Aplikasi Nanowire “Menari”
Nanowire yang dapat diarahkan ke geometri tertentu memiliki implikasi luas untuk elektronik generasi berikutnya. Kabel yang miring atau berkelok dapat berfungsi sebagai interkoneksi dalam sirkuit padat, mengaktifkan sensor IoT baru, atau bertindak sebagai probe yang berinteraksi langsung dengan sel hidup untuk memantau aktivitas listrik. Selain itu, geometri kabel yang berbentuk huruf “T” atau “X” dapat digunakan dalam medan magnet untuk mempelajari excitasi kuantum—langkah penting menuju penyimpanan informasi kuantum yang kuat.
Mikroskop Elektron Vakum Ultra-Tinggi dalam 360°
Di luar eksperimen pertumbuhan, kemampuan citra 360 derajat mikroskop memungkinkan peneliti memeriksa nanostruktur dari semua sudut, memastikan perubahan morfologis halus tidak terlewatkan. Tampilan komprehensif ini sangat penting untuk memvalidasi keandalan pembuatan nanowire yang didorong secara listrik.
