NEMS: Sistem Nano Elektromekanis Dijelaskan – Fitur Utama dan Aplikasi

NEMS (singkatan dari NanoElectroMechanical System) adalah perangkat yang mengintegrasikan fungsionalitas listrik dan mekanis pada skala nano, yaitu pada atau di bawah 100 nanometer.

Mereka adalah tingkat miniaturisasi lanjutan setelah MEMS (MicroElectroMechanical System) yang biasanya berurusan dengan komponen antara 1 dan 100 nanometer ukurannya.

NEMS memiliki beberapa atribut yang menarik. Ini dapat memberikan akses ke frekuensi fundamental dalam rentang microwave, sensitivitas gaya di level attonewton, kapasitas panas jauh di bawah yoctocalorie, massa aktif dalam rentang femtogram, sensitivitas massa di level molekul individu — daftarnya masih panjang.

NEMS sebagian besar berisi alat sepertiaktuator, sensor, resonan, balok, sensor, dan motor. Komponen-komponen ini mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk lain, yang kemudian dapat dengan mudah diukur dan dimanfaatkan.

Contoh Awal NEMS

NEMS pertama dibangun oleh Dawon Kahng dan Mohamed M. Atalla di Bell Labs pada tahun 1960. Ini adalah MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) dengan ketebalan oksida gerbang 100 nm.

Dua tahun kemudian, mereka berhasil memproduksi transistor junti logam-semikonduktor dengan basis nanolapisan yang mengandung film emas dengan ketebalan 10 nm. Namun, MOSFET pertama dengan oksida gerbang 10 nm tidak hadir hingga tahun 1987.

Ilustrasi MOSFET, menunjukkan terminal body (B), source (S), gate (G), dan drain (D).

Penemuan MOSFET multi-gerbang pada tahun 1989 memungkinkan beberapa perusahaan, termasuk Intel, IBM, AMD, dan Samsung Electronics, untuk membuat mikroprosesor dan sel memori yang semakin kecil.

Proses VLSI (very large scale integration) memungkinkan untuk menggabungkan jutaan transistor MOS pada satu chip. Rangkaian terintegrasi ini banyak diadopsi pada tahun 1970, memungkinkan pengembangan teknik semikonduktor kompleks dan komunikasi.

CPU, GPU, RAM, ROM, dan logika pengikat lainnya adalah semua perangkat VLSI. Sebelum penemuan proses VLSI, sebagian besar rangkaian terintegrasi hanya dapat melakukan sejumlah terbatas tugas.

Mikroprosesor 80486 (dari tahun 1990) dengan lebih dari satu juta transistor

MOSFET sekarang dianggap sebagai blok konstruksi dasar elektronik modern. Transistor ini terutama bertanggung jawab atas peningkatan kepadatan transistor, peningkatan kinerja, dan pengurangan konsumsi daya rangkaian terintegrasi sejak tahun 1960.

MOSFET juga adalah salah satu perangkat yang paling banyak diproduksi dalam sejarah. Hingga tahun 2018, sekitar 13 sextillion (atau 13 ribu triliun) MOSFET telah diproduksi.

Bagaimana Perangkat NEMS Dibuat?

NEMS dapat diproduksi dengan dua pendekatan komplementer:

Pendekatan top-down: Ini menggunakan teknik mikrofabrikasi konvensional, seperti litografi sinar elektron atau optik dan perawatan termal, untuk membangun perangkat. Meskipun ini memberikan kontrol yang lebih besar terhadap struktur yang dihasilkan, ini terbatas oleh resolusi teknik yang digunakan.

Dalam pendekatan ini, bahan awal adalah struktur yang relatif besar seperti kristal silikon. Umumnya, lapisan semikonduktor yang di-etch atau tipisan logam digunakan untuk memproduksi perangkat NEMS seperti nanorod, nanowire, dan struktur nano yang terpola.

Dalam beberapa kasus, bahan besar dihancurkan ke skala nanometer untuk meningkatkan rasio luas permukaan terhadap volume, yang pada akhirnya meningkatkan reaktivitas nanomaterial. Proses pembuatan nanotubus karbon menggunakan grafit dalam oven arc adalah contoh yang sempurna dari pendekatan top-down.

Pendekatan bottom-up: Ini menggunakan karakteristik kimia molekul untuk mengorganisir atau merakit mereka dalam konformasi yang diinginkan. Pendekatan ini bergantung pada konsep pengenalan molekuler (interaksi spesifik antara dua atau lebih molekul) atau self-assembly molekuler (tanpa arahan eksternal).

Sementara ini memberikan kontrol yang terbatas atas proses pembuatan, seseorang dapat membangun struktur yang jauh lebih kecil tanpa membuang banyak bahan dibandingkan pendekatan top-down.

Pendekatan bottom-up juga dapat ditemukan dalam alam. Misalnya, sistem biologi memanfaatkan gaya kimia untuk menghasilkan struktur sel yang diperlukan untuk kehidupan. Penelita mencoba meniru perilaku alam ini untuk membuat klaster atom tertentu yang dapat self-assembly menjadi beberapa struktur yang berguna.

Salah satu contoh baik dari pendekatan seperti ini adalah pembuatan nanotubus karbon menggunakan teknik polimerisasi katalis logam.

Bahan yang Digunakan untuk Membuat NEMS

1. Polydimethylsiloxane

Polydimethylsiloxane adalah polimer organik berbasis silikon yang paling banyak digunakan. Elastomer silikon ini dikenal karena properti uniknya. Ia stabil termal, tidak reaktif kimiawi, dapat dikonfigurasi mekanis, jernih optik, dan secara umum, tidak beracun, tidak reaktif, dan tidak mudah terbakar.

Karena ia dapat membentuk segel rapat dengan silikon, ia dapat diintegrasikan ke dalam NEMS, mengonfigurasi karakteristik listrik dan mekanis. Gaya adhesif polydimethylsiloxane lebih baik berkinerja di bawah lingkungan kelembaban yang bervariasi dan memiliki koefisien gesekan yang lebih rendah dibandingkan silikon.

Koefisien gesekan rendah dan hidrofobisnya polydimethylsiloxane menjadikannya bahan yang sempurna untuk diintegrasikan dalam penelitian NEMS. Ini juga gaining attention dalam teknologi NEMS karena pembuatannya yang hemat waktu dan murah.

Studi menunjukkan bahwa tingkat degradasi polydimethylsiloxane di bawah cahaya, panas, dan radiasi dapat dilambatkan dengan kemasan yang tepat dan stabilitas penuaan yang baik.

2. Bahan Berbasis Karbon

Foto mikroskopi tunnel varenya dari nanotubus karbon tunggal | Kredit: NIST

Alotrop karbon, khususnya grafit dan nanotubus karbon, banyak digunakan dalam teknologi NEMS. Karakteristik mereka secara langsung memenuhi persyaratan NEMS. Misalnya, konduktivitas semikonduktor dan logam dari alotrop karbon memungkinkan mereka untuk beroperasi sebagai transistor.

Selain keuntungan mekanis dari alotrop karbon, properti listrik dari grafit dan nanotubus karbon memungkinkan mereka untuk digunakan dalam beberapa komponen NEMS. Kekuatan fisik grafit dan nanotubus karbon memenuhi permintaan stres yang lebih tinggi. Oleh karena itu, mereka terutama digunakan dalam pengembangan teknologi NEMS.

Sementara Grafit NEMS dapat beroperasi sebagai sensor massa dan gaya, NEMS nanotubus karbon telah banyak digunakan dalam nanomotor (yang menghasilkan gaya dalam urutan pikonewton), saklar, dan osilator frekuensi tinggi.

3. Mesin Biologis

Ilustrasi nanorobot penyerang kanker

Mesin biologis, seperti miosin (mengatur kontraksi otot), adalah mesin makromolekul paling kompleks yang ditemukan di dalam sel, biasanya dalam bentuk kompleks multi-protein.

Beberapa dari mereka bertanggung jawab atas produksi energi dan beberapa untuk ekspresi gen. Mereka mungkin memainkan peran penting dalam nanoteknologi medis. Misalnya, mereka dapat digunakan untuk mendeteksi dan menghancurkan sel tumor.

Teknologi molekuler nano adalah bidang nanotech yang baru yang menjelajahi kemungkinan merangka mesin biologis, yang dapat menyusun ulang materi pada skala atom. BioNEMS mencakup elemen struktural biologis dan sintetis (berukuran nano) untuk aplikasi biomedis/robotik. Nanorobot, misalnya, dapat disuntikkan ke dalam tubuh untuk mengidentifikasi dan memperbaiki infeksi.

Sementara elemen yang diusulkan BioNEMS, seperti nanorobot dan penyusun molekuler, jauh di luar kemampuan saat ini, beberapa studi telah menghasilkan hasil yang menjanjikan untuk aplikasi masa depan.

Baca: Nanorobot DNA yang Diprogram Dapat Mengurangi Tumor

Aplikasi

NEMS berfungsi sebagai teknologi pendukung, menggabungkan ilmu kehidupan dengan rekayasa dengan cara yang saat ini belum bisa dilakukan dengan teknik skala mikro. Ini akan memberikan dampak signifikan pada berbagai industri:

Industri Semikonduktor: Perangkat semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah MOSFET. Ini mencakup 99,9% semua transistor. Dengan mempertimbangkan panjang gerbang transistor dalam perangkat CPU atau DRAM, skala panjang kritis rangkaian terintegrasi sudah di bawah 50 nanometer. MOSFET silikon terbaru didasarkan pada fin field-effect transistor yang menggunakan proses 10 nm dan 7 nm.

Otomotif: Nanomaterial, seperti nanosheet, nanofiber nanotubus, nanowire, dan nanorod, menawarkan beberapa manfaat di sektor otomotif. Misalnya, aditif nano dapat meningkatkan umur ban secara signifikan, serta resistensi abrasi, resistensi gulungan, dan traksi basah. NEMS juga adalah kunci untuk meningkatkan performa sel bahan bakar mobil generasi mendatang yang dikondensasi hidrogen.

Komunikasi: Karena properti mekanis unik (yang memungkinkan frekuensi resonansi tinggi dan daya sesuaikan frekuensi tinggi), resonan NEMS, termasuk resonan grafit, memberikan dasar yang menjanjikan untuk sistem komunikasi ultrafast di masa depan. Namun, sebagian besar perkembangan di bidang ini saat ini masih terbatas pada model teoritis, simulasi, dan eksperimen laboratorium.

Elektroda grafit untuk resonan NEMS piezoelektrik | Kredit gambar: Northeastern University

Sektor Medis: Sensor NEMS mendeteksi dan memantau data pasien seperti tingkat air, tingkat glukosa, dan keberadaan berbagai protein dan ion. Sensor ini dapat dikonfigurasi untuk mengidentifikasi protein tertentu mulai dari albumin manusia hingga beta-2-mikroglobulin. Selain pemantauan, sensor ini dapat memisahkan sel dengan ukuran berbeda, mencegah penyalinan dalam sistem mikrofluida.

Penyimpanan dan Produksi Energi: Nanoteknologi menjanjikan peningkatan umur dan performa baterai lithium-ion. Ini juga memiliki potensi untuk meningkatkan kepadatan daya, mempersingkat waktu pengisian ulang, serta mengurangi berat dan ukuran sambil meningkatkan stabilitas dan keamanan baterai.

Selanjutnya, penelitian sedang berlangsung untuk menggunakan perangkat elektrokimia skala nano, seperti sel galvanik atau bahan bakar, untuk menghasilkan energi. Mereka adalah generator bio-nano yang menarik daya dari glukosa darah dalam tubuh hidup (dalam cara yang sama tubuh menghasilkan energi dari makanan).

Ada juga penelitian ke dalam beberapa bahan terstruktur nano, terutama nanowire, dengan tujuan untuk mengembangkan sel surya yang lebih efisien dan murah daripada yang mungkin dengan sel surya silikon datar tradisional.

Pasar Global dan Masa Depan

Pasar saat ini untuk perangkat NEMS masih dalam tahap awal. Ini segmen menjadi nanotweezer, nanoresonator, giroskop, nanosensor, nanorobot, nanotweezer, dan komponen kecil lainnya.

Diperkirakan akan pertumbuhan yang kuat dalam beberapa tahun mendatang, yang dikaitkan dengan manfaat NEMS, seperti frekuensi resonansi tinggi, konsumsi energi rendah, beberapa frekuensi pada satu chip, dan pengurangan ukuran serta biaya rangkaian terintegrasi.

Baca: Apa itu MEMS (MicroElectroMechanical System)? Tipe & Aplikasi

Penelitian dan pengembangan di bidang nanomaterial dan nanoteknologi sedang berlangsung. Menurut laporan, pasar NEMS global diperkirakan tumbuh dengan CAGR sebesar 29%. Ini akan mencapai $108,88 juta pada tahun 2022, dengan Amerika Utara memimpin pasar.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa perbedaan antara MEMS dan NEMS?

MEMS (Microelectromechanical systems) terdiri dari komponen yang ukurannya berkisar antara 1 μm hingga 100 μm. Perangkat MEMS biasanya berisi unit pemrosesan pusat (seperti mikroprosesor) dan banyak komponen yang berinteraksi dengan lingkungan (seperti mikrosensor).

NEMS (Nanoelectromechanical systems), di sisi lain, adalah langkah miniaturisasi logis berikutnya dari MEMS. Perangkat ini mengintegrasikan fungsionalitas mekanis dan listrik pada skala nano, secara ketat antara 1 dan 100 nm.

Apa keuntungan utama NEMS?

NEMS memiliki properti unik dan menarik, yang sangat berbeda dari pendahulu MEMS. Misalnya, mereka dapat memiliki

• Frekuensi fundamental dalam rentang microwave (sekitar ∼100 GHz)
• Massa aktif dalam rentang femtogram (10⁻¹⁵ g)
• Sensitivitas massa hingga level attogram (10⁻¹⁸ g)
• Sensitivitas gaya di level attonewton (10^-18 Newton)
• Kapasitas panas jauh di bawah yoctocalorie (4.184 x 10⁺²⁴ J)
• Konsumsi daya dalam urutan 10 attowatt (10⁻¹⁸ watt)
• Dissipasi energi rendah
• Tingkat integrasi yang sangat tinggi, mendekati 1,012 elemen per sentimeter persegi

Baca: 14 Penggunaan Nanoteknologi yang Tidak Akrab | Manfaat dan Aplikasi

Dari apa nanosensor dibuat?

Nanosensor terbuat dari nanomaterial satu dimensi seperti nanotubus dan nanowire.

Perangkat kecil ini mengukur karakteristik fisik seperti volume, konsentrasi, suhu, tekanan, atau gaya listrik dan magnetik. Pembacaan nanosensor yang paling umum meliputi mekanis, getaran, optik, atau elektromagnetik.