Nanoscience

Sebuah transisitor yang dibuat dengan carbon nanotube lebih cepat dan lebih efisien dalam hal energi daripada yang dibuat dengan material lain. Dari transisitor tunggal menuju integrated circuit (IC) yang penuh dengan transisitor, mrupakan sebuah lompatan yang besar.

“Sebuat mikroposessor tunggal mempunyai milyaran transistor didalamnya,” kata Mark Hersam dari Northwestern Engineering. “Semuanya bekerja. Dan tidak hanya itu, mereka bekerja secara baik dalah hitingan tahun, bahkan puluhan tahun.”

Ketika ingin membuat sebuah lompatan dari individual transistor berbasis nanotube menuju integrated circuit skala besar, banyak tim peneliti, termasuk tim Hersam, menemui tantangan. Salah satunya, prosesnya sangatlah mahal, seringkali butuh ruang steril seharga milyaran dollar untuk menjaga komponen berukuran nano dari udara, air dan debu yang dapat merusak komponen tersebut. Para peneliti juga kesulitan untuk membuat integrated circuit berbasis carbon nanotube dimana material transistornya harus seragam satu sama lain untuk membuat selurus sistem bekerja.

Saat ini Hersam dan timnya di Northwestern University telah menemukan kunci untuk mengatasi masalah-masalah tersebut. Rahasianya terletak pada pelapisan enkapsulasi yang melindungi nanotube dari degradasi oleh lingkungan.

“Salah satu realitas dari nanomaterial seperti carbon nanotube, adalah keesensialian dari keseluruhan atomnya berada di permukaan,” kata Hersam. “Jadi apapun yang menyentuh permukaan material ini dapat mempengaruhi sifatnya. Jika kita membuat beberapa transisitor dan membiarkannya dalam keadaan terbuka, air dan oksigen akan menempel pada permukaan nanotube, semakin lama akan terdegradasi. Kami berpikir penambahan enkapsulasi lapisan perlindungan dapat menahan proses degradasi ini untuk mendapat substandi yang berumur panjang.”

Hersam membandingkan solusinya dengan light-emitting diode (LED) organik yang sekarang ini banyak digunakan, dimana mempunyai masalah yang sama ketika pertama kali direalisasikan. LED tidak punya masa depan karena terdegradasi dalam udara. Setelah para peneliti mengembangkan lapisan enkapsulasi untuk material tersebut, LED organik kini digunakan dalam berbagai aplikasi komersial, termasuk layar smartphone, radio mobil, televisi, dan kamera digital. Terbuat dari polimer dan oksida anorganik, lapisan enkapsulasi Hersam berdasarkan ide yang sama tapi dibuat untu karbon nanotube.

Untuk menunjukkan bukti dari konsepnya, Hersam mengembangkan rangkaian static random access memory (sRAM) berbasis nanotube. SRAM merupakan komponen kunci dari mikroprosessor, seringkali terdiri hapir 85 persen transisitor dari keseluruhan central processing unit dalam komputer biasa. Untuk membuat karbon nanotube terenkapsulasi, tim ini mengendapkan karbon nanotube dari larutan yang sebelumnya dikembangkan di laboratorium Hersam. Kemudian mereka melapisi nanotube dengan lapisan enkapsulasi.

Menggunakan carbon nanotube terenkapsulasi, tim Hersam berhasil mendesain dan membuat susunan rangkaian SRAM yang bekerja. Lapisan enkapsulasi tidak hanya melindungi peralatan yang sensitif akan lingkungan, tapi juga meningkatkan keseragaman diantara masing-masing transistor. Integrated circuit yang dibuat Hersam menunjukkan umur yang panjang, sementara transistir yang dibuat dari larutan yang sama tapi tidak dilapisi hanya bertahan beberapa jam.

“Setelah kami membuat alat ini, kami dapat membiarkannya pada keadaan terbuka tanpa pengawasan lanjutan,” kata Hersam. ” Kami tidak perlu lagi memasukkan mereka dalam ruangan vakum atau ruangan dengan lingkungan yang terkontrol. Peneliti lain sudah membuat alat yang mirip tapi harus langsung dimasukkan kedalam ruangan vakum atau lingkungan inert untuk menjaganya stabil. Hal itu tentu saja tidak akan bekerja pada situasi dunia nyata.”

Hersam membayangkan solusi-prosenya, SRAM yang stabil diudara dapat digunakan pada teknologi yang akan datang. Transistor berbasis carbon nanotube yang fleksibel dapat menggantikan silikon yang kaku pada peralatan wearable elektronik. Produksi yang lebih murah juga membuka jalan bagi smart card — kartu kredit yang terintegrasi dengan informasi personal untuk mengurangi frauding dan semacamnya.

“Smart card hanya dapat diwujudkan menggunakan produksi dengan biaya sangat rendah,” katanya. “Karena solusi-proses carbon nanotube kami kompatibel dengan metode pencetakan yang berskala dan murah, dapat digunakan untuk aplikasi smart card dan dan yang berhubungan dengan peralatan elektronik tercetak.” (scid)

Northwestern University. (2015, September 8). Realizing carbon nanotube integrated circuits: Encapsulation layers keep carbon nanotube transistors stable in open air. ScienceDaily. Retrieved September 9, 2015 from www.sciencedaily.com/releases/2015/09/150908132814.htm