Perangkat graphene tim dikembangkan pada chip substrat silikon karbida. Kredit: Institut Teknologi Georgia
Para ilmuwan di Institut Teknologi Georgia telah mengembangkan semikonduktor fungsional pertama di dunia yang terbuat dari graphene. Grafena, yang dicirikan oleh satu lapisan atom karbon yang dihubungkan oleh ikatan terkuat, menjadi dasar kemajuan ini. Semikonduktor, bahan penting yang memungkinkan aliran listrik dalam kondisi tertentu, sangat penting untuk pengoperasian perangkat elektronik. Terobosan tim ini membuka pintu bagi cara baru dalam melakukan elektronik.
Penemuan mereka terjadi pada saat silikon, bahan yang digunakan untuk membuat hampir semua barang elektronik modern, mencapai batasnya dalam menghadapi komputasi yang semakin cepat dan perangkat elektronik yang lebih kecil. Walter de Heer, Profesor fisika Regents di Georgia Tech, memimpin tim peneliti yang berbasis di Atlanta, Georgia, dan Tianjin, Tiongkok, untuk menghasilkan semikonduktor graphene yang kompatibel dengan metode pemrosesan mikroelektronika konvensional — suatu keharusan untuk setiap alternatif yang layak untuk menggantikannya. silikon.
Dalam penelitian terbaru yang dipublikasikan di Alamde Heer dan timnya mengatasi rintangan utama yang telah mengganggu penelitian graphene selama beberapa dekade, dan alasan mengapa banyak orang mengira elektronik graphene tidak akan pernah berfungsi. Dikenal sebagai “celah pita”, ini adalah properti elektronik penting yang memungkinkan semikonduktor untuk menghidupkan dan mematikan. Graphene tidak memiliki celah pita — sampai sekarang.
Model molekul graphene dan silikon karbida. Kredit: Institut Teknologi Georgia
“Kami sekarang memiliki semikonduktor graphene yang sangat kuat dengan mobilitas silikon 10 kali lipat, dan juga memiliki sifat unik yang tidak tersedia dalam silikon,” kata de Heer. “Namun kisah kerja kami selama 10 tahun terakhir adalah, ‘Dapatkah kami membuat bahan ini cukup baik untuk digunakan?’”
Semikonduktor Tipe Baru
De Heer mulai mengeksplorasi bahan berbasis karbon sebagai semikonduktor potensial di awal karirnya, dan kemudian beralih ke eksplorasi graphene dua dimensi pada tahun 2001. Ia kemudian mengetahui bahwa graphene memiliki potensi untuk elektronik.
“Kami termotivasi oleh harapan untuk memperkenalkan tiga sifat khusus graphene ke dalam elektronik,” katanya. “Bahan ini sangat kuat, mampu menangani arus yang sangat besar, dan dapat melakukannya tanpa memanas dan hancur.”
Para peneliti di Institut Teknologi Georgia telah menciptakan semikonduktor fungsional pertama di dunia yang terbuat dari graphene, selembar atom karbon yang disatukan oleh ikatan terkuat yang diketahui. Terobosan ini membuka pintu bagi cara baru dalam melakukan elektronik. Kredit: Institut Teknologi Georgia
De Heer mencapai terobosan ketika dia dan timnya menemukan cara menumbuhkan graphene pada wafer silikon karbida menggunakan tungku khusus. Mereka menghasilkan graphene epitaxial, yang merupakan lapisan tunggal yang tumbuh pada permukaan kristal silikon karbida. Tim menemukan bahwa ketika dibuat dengan benar, graphene epitaxial terikat secara kimia ke silikon karbida dan mulai menunjukkan sifat semikonduktor.
Selama dekade berikutnya, mereka terus menyempurnakan materi di Georgia Tech dan kemudian bekerja sama dengan rekan-rekan di Pusat Nanopartikel dan Nanosistem Internasional Tianjin di Universitas Tianjin di Tiongkok. De Heer mendirikan pusat tersebut pada tahun 2014 bersama Lei Ma, direktur pusat tersebut dan salah satu penulis makalah ini.
Bagaimana Mereka Melakukannya
Dalam bentuk aslinya, graphene bukanlah semikonduktor atau logam, melainkan semimetal. Celah pita adalah bahan yang dapat dihidupkan dan dimatikan ketika medan listrik diterapkan padanya, begitulah cara kerja semua transistor dan elektronik silikon. Pertanyaan utama dalam penelitian elektronik graphene adalah bagaimana menyalakan dan mematikannya agar dapat bekerja seperti silikon.
Namun untuk membuat transistor berfungsi, bahan semikonduktor harus dimanipulasi secara besar-besaran, yang dapat merusak sifat-sifatnya. Untuk membuktikan bahwa platform mereka dapat berfungsi sebagai semikonduktor yang layak, tim perlu mengukur sifat elektroniknya tanpa merusaknya.
Tungku induksi yang dipatenkan De Heer digunakan untuk memproduksi graphene pada silikon karbida. Kredit: Institut Teknologi Georgia
Mereka menempatkan atom pada graphene yang “menyumbangkan” elektron ke sistem – sebuah teknik yang disebut doping, yang digunakan untuk melihat apakah bahan tersebut merupakan konduktor yang baik. Itu bekerja tanpa merusak material atau propertinya.
Pengukuran tim menunjukkan bahwa semikonduktor graphene mereka memiliki mobilitas 10 kali lebih besar daripada silikon. Dengan kata lain, elektron bergerak dengan resistansi yang sangat rendah, yang dalam elektronik berarti komputasi lebih cepat. “Ini seperti mengemudi di jalan berkerikil versus mengemudi di jalan bebas hambatan,” kata de Heer. “Ini lebih efisien, tidak terlalu panas, dan memungkinkan kecepatan lebih tinggi sehingga elektron dapat bergerak lebih cepat.”
Produk tim saat ini merupakan satu-satunya semikonduktor dua dimensi yang memiliki semua sifat yang diperlukan untuk digunakan dalam nanoelektronik, dan sifat listriknya jauh lebih unggul daripada semikonduktor 2D lainnya yang sedang dikembangkan.
“Masalah yang sudah lama ada dalam elektronik graphene adalah graphene tidak memiliki celah pita yang tepat dan tidak dapat menghidupkan dan mematikan pada rasio yang benar,” kata Ma. “Selama bertahun-tahun, banyak yang mencoba mengatasi hal ini dengan berbagai metode. Teknologi kami mampu mengatasi kesenjangan pita (band gap) dan merupakan langkah penting dalam mewujudkan elektronik berbasis graphene.”
Wafer silikon karbida kristal tunggal yang telah dipotong menjadi kepingan persegi. Kredit: Institut Teknologi Georgia
Bergerak kedepan
Grafena epitaksi dapat menyebabkan perubahan paradigma di bidang elektronik dan memungkinkan teknologi baru yang memanfaatkan sifat uniknya. Materi ini memungkinkan sifat gelombang mekanika kuantum elektron untuk dimanfaatkan, yang merupakan persyaratannya komputasi kuantum.
“Motivasi kami untuk membuat elektronik graphene sudah ada sejak lama, dan selebihnya hanyalah mewujudkannya,” kata de Heer. “Kami harus belajar bagaimana mengolah bahan tersebut, bagaimana menjadikannya lebih baik dan lebih baik lagi, dan akhirnya bagaimana mengukur sifat-sifatnya. Itu memakan waktu yang sangat, sangat lama.”
Menurut de Heer, bukan hal yang aneh melihat generasi elektronik lain akan hadir. Sebelum silikon, ada tabung vakum, dan sebelum itu, ada kabel dan telegraf. Silikon adalah salah satu dari banyak tahapan dalam sejarah elektronik, dan langkah selanjutnya adalah graphene.
“Bagi saya, ini seperti momen Wright bersaudara,” kata de Heer. “Mereka membangun sebuah pesawat yang bisa terbang sejauh 300 kaki di udara. Namun mereka yang skeptis mempertanyakan mengapa dunia membutuhkan penerbangan ketika sudah ada kereta dan kapal cepat. Namun mereka tetap bertahan, dan ini adalah awal dari sebuah teknologi yang dapat membawa manusia melintasi lautan.”
Referensi: “Grafena epitaksi semikonduktor mobilitas sangat tinggi pada silikon karbida” oleh Jian Zhao, Peixuan Ji, Yaqi Li, Rui Li, Kaimin Zhang, Hao Tian, Kaicheng Yu, Boyue Bian, Luzhen Hao, Xue Xiao, Will Griffin, Noel Dudeck, Ramiro Moro, Lei Ma dan Walt A. de Heer, 3 Januari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06811-0
