Memanfaatkan Material 2D Bergelombang untuk Merevolusi Elektronika
Nanoteknologi merujuk pada manipulasi materi pada skala beberapa nanometer (nm). Untuk konteks, selembar kertas tebalnya sekitar 100.000 nm. Dengan menguasai fenomena unik yang muncul pada skala ini, ilmuwan dapat mengembangkan perangkat yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi.
Di IBM Research, dengan dukungan dari mitra pemerintah, peneliti menyelidiki skala nano untuk meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi energi di seluruh spektrum elektronika—dari smartphone dan sensor IoT hingga pusat data cloud masif yang menyelenggarakan internet.
Gambar 1: Perangkat berbentuk kunci berukuran nano yang dapat diputar 0°–360°, berfungsi sebagai saklar untuk mengontrol arus dalam transistor efek medan terowongan (TFET).
Salah satu upaya pionir dipimpin oleh Dr. Elad Koren dari lab IBM Zurich. Dengan dana dari program Ambizione Swiss National Science Foundation, tim menyelidiki fisika dasar pengumpulan material dua dimensi (2D), dengan fokus khusus pada grafen.
Properti elektronik luar biasa grafen menjadikannya unggulan untuk perangkat semikonduktor dan kuantum masa depan. Ketika dua lapis grafen identik ditumpuk pada sudut relatif yang tepat, mereka membentuk superjaring periodik yang dapat membuka bandgap—langkah esensial menuju penciptaan transistor generasi berikutnya yang canggih dan hemat energi.
Pada September 2016, Koren dan rekan-rekannya mempublikasikan hasil pertama mereka dalam jurnal peer-reviewed Nature Nanotechnology. Menggunakan ujung mikroskop gaya atom, mereka mencapai kontrol sub-derajat atas pengaturan rotasi lapisan, menghasilkan perangkat berbentuk kunci yang ditunjukkan dalam Gambar 1.
Perangkat ini dapat berputar penuh 360°, bertindak sebagai saklar ultra-presisi untuk TFET. Kemampuan ini kritis untuk meminimalkan arus bocor dan mengurangi konsumsi energi keseluruhan sirkuit elektronik.
“Kami telah mencapai akurasi yang tidak tertandingi dalam mengontrol konfigurasi rotasi dengan resolusi sudut lebih baik dari 0,1°, yang memungkinkan studi dasar dan realisasi perangkat praktis,” kata Koren.
Arus yang diukur melalui struktur grafit bergelombang pada bias 50 mV saat memutar lengan penggerak secara berkelanjutan. Inset: representasi ruang momentum dari kopling grafen bilayer pada sudut twist komensuratif 21,8° dan 38,2°.
Kontrol presisi atas sudut tumpukan memungkinkan insinyur untuk menyesuaikan berbagai properti fisik—elektronik, optik, termoelektrik, elektromekanis—membuka jalan bagi materi inovatif di seluruh ilmu pengetahuan dan teknologi.
Ketika sel kristal tunggal diputar, menghasilkan fluks magnet tinggi yang memberikan layaknya Hofstadter’s butterfly—pola teoretis yang menggambarkan perilaku elektron dalam medan magnet kuat digabungkan dengan potensi periodik.
Gesekan tetap menjadi tantangan bahkan pada skala nano, di mana dapat menghasilkan panas, aus, dan kehilangan energi. Namun, ketidakcocokan rotasi dalam sistem berlapis 2D menekan gesekan secara dramatis, fenomena yang dikenal sebagai superlubricity.
“Sampai tidak ada gesekan—setelah Anda menemukan sudut yang tepat, lapisan meluncur dengan lancar,” jelas Koren.
Dengan membagikan temuan ini dengan komunitas penelitian yang lebih luas, Koren berharap dapat menginspirasi konsep materi dan perangkat baru yang akan membentuk masa depan elektronika.
