Bahan yang sama yang membentuk transistor primitif pertama lebih dari 60 tahun yang lalu dapat dimodifikasi dengan cara baru untuk memajukan elektronik masa depan, menurut sebuah studi baru.
Ahli kimia di The Ohio State University telah mengembangkan teknologi untuk membuat lembaran germanium setebal satu atom, dan menemukan bahwa ia melakukan elektron lebih dari sepuluh kali lebih cepat daripada silikon dan lima kali lebih cepat dari germanium konvensional.
Struktur material terkait erat dengan graphene — material dua dimensi yang banyak dipuji yang terdiri dari lapisan atom karbon tunggal. Dengan demikian, graphene menunjukkan sifat-sifat unik dibandingkan dengan padanan berlapis-lapis yang lebih umum, grafit. Graphene belum digunakan secara komersial, tetapi para ahli telah menyarankan bahwa suatu hari nanti bisa membentuk chip komputer yang lebih cepat, dan bahkan mungkin berfungsi sebagai superkonduktor, sehingga banyak laboratorium yang bekerja untuk mengembangkannya.
Joshua Goldberger, asisten profesor kimia di Ohio State, memutuskan untuk mengambil arah yang berbeda dan fokus pada bahan yang lebih tradisional.
"Kebanyakan orang menganggap graphene sebagai bahan elektronik masa depan," kata Goldberger. “Tapi silikon dan germanium masih menjadi bahan saat ini. Kekuatan otak selama 60 tahun telah mengembangkan teknik untuk membuat keripik dari mereka. Jadi kami telah mencari bentuk unik silikon dan germanium dengan sifat menguntungkan, untuk mendapatkan manfaat dari bahan baru tetapi dengan biaya lebih rendah dan menggunakan teknologi yang ada. "
Unsur germanium dalam keadaan alami. Para peneliti di The Ohio State University telah mengembangkan teknik untuk membuat lembaran germanium setebal satu atom untuk akhirnya digunakan dalam elektronik. Kredit gambar: Wikimedia Commons
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan online dalam jurnal ACS Nano, ia dan rekan-rekannya menggambarkan bagaimana mereka dapat membuat atom germanium lapisan tunggal yang stabil. Dalam bentuk ini, bahan kristal disebut germanane.
Para peneliti telah mencoba membuat germanane sebelumnya. Ini adalah pertama kalinya seseorang berhasil menumbuhkan jumlah yang cukup untuk mengukur sifat material secara rinci, dan menunjukkan bahwa itu stabil ketika terpapar udara dan air.
Di alam, germanium cenderung membentuk kristal berlapis-lapis di mana setiap lapisan atom terikat bersama; lapisan atom tunggal biasanya tidak stabil. Untuk mengatasi masalah ini, tim Goldberger menciptakan kristal germanium berlapis-lapis dengan atom kalsium yang terjepit di antara lapisan-lapisan tersebut. Kemudian mereka melarutkan kalsium dengan air, dan menyambungkan ikatan kimia kosong yang tertinggal dengan hidrogen. Hasilnya: mereka mampu mengelupas lapisan germanan individu.
Dipelajari dengan atom hidrogen, germanane bahkan lebih stabil secara kimia daripada silikon tradisional. Itu tidak akan teroksidasi di udara dan air, seperti halnya silikon. Itu membuat germanane mudah dikerjakan dengan menggunakan teknik pembuatan chip konvensional.
Hal utama yang membuat germanane diinginkan untuk optoelektronik adalah bahwa ia memiliki apa yang oleh para ilmuwan disebut "celah pita langsung," yang berarti bahwa cahaya mudah diserap atau dipancarkan. Bahan seperti silikon konvensional dan germanium memiliki celah pita tidak langsung, artinya jauh lebih sulit bagi bahan untuk menyerap atau memancarkan cahaya.
“Ketika Anda mencoba menggunakan bahan dengan celah pita tidak langsung pada sel surya, Anda harus membuatnya cukup tebal jika Anda ingin energi yang cukup untuk melewatinya agar bermanfaat.Sebuah material dengan celah pita langsung dapat melakukan pekerjaan yang sama dengan sepotong material yang 100 kali lebih tipis, ”kata Goldberger.
Transistor pertama kali dibuat dari germanium pada akhir 1940-an, dan ukurannya hampir sebesar thumbnail. Meskipun transistor telah tumbuh mikroskopis sejak saat itu — dengan jutaan dari mereka dimasukkan ke dalam setiap chip komputer — germanium masih berpotensi untuk memajukan elektronik, penelitian menunjukkan.
Menurut perhitungan para peneliti, elektron dapat bergerak melalui germanane sepuluh kali lebih cepat melalui silikon, dan lima kali lebih cepat daripada melalui germanium konvensional. Pengukuran kecepatan disebut mobilitas elektron.
Dengan mobilitasnya yang tinggi, germanane dengan demikian dapat membawa peningkatan beban chip komputer berdaya tinggi di masa depan.
"Mobilitas penting, karena chip komputer yang lebih cepat hanya dapat dibuat dengan bahan mobilitas yang lebih cepat," kata Golberger. "Ketika Anda mengecilkan transistor ke skala kecil, Anda perlu menggunakan bahan mobilitas yang lebih tinggi atau transistor tidak akan berfungsi," jelas Goldberger.
Selanjutnya, tim akan mengeksplorasi cara menyetel properti germanane dengan mengubah konfigurasi atom dalam lapisan tunggal.
Melalui Universitas Negeri Ohio