Dioda molekul tunggal dengan performa terbaik telah diciptakan!

Kabar kemajuan dari teknologi dioda! Baru-baru ini, sebuah tim peneliti dari Berkeley Lab dan Columbia University berhasil menciptakan dioda molekul tunggal yang memiliki performa terbaik di dunia, paling tidak untuk saat ini. Dioda ini diciptakan dari kombinasi elektroda emas dan larutan ion dan sebuah molekul simetris tunggal. 

image
 Menurut Jeff Neaton, direktur dari Molecular Foundry Lab atau laboratorium pengecoran molekular, sebuah fasilitas ilmiah milik Departemen Energi Amerika Serikat, dioda baru yang diciptakan ini mempunyai nilai rasio pembalikan arus pada tegangan tetap sebesar 200. Menurut Neaton, nilai 200 ini adalah rekor dunia untuk perangkat molekul tunggal dan kunci dari asimetris yang diperlukan untuk kemampuan dioda ini berasal dari dua aspek, yaitu daerah-daerah elektroda yang tak terlindungi yang masing-masing berbeda satu sama lain dan larutan ion. Kombinasi dari dua aspek ini pada gilirannya akan menciptakan lingkungan-lingkungan elektrostatis yang berbeda satu sama lain di sekeliling dua elektroda dan menyebabkan efek molekul tunggal superlatif. 

 photo IMG_4298.jpg
Jeff Neaton

Molekul tunggal adalah “inti atom” dari industri elektronik dan merupakan pencapaian tertinggi dari permodelan mini sebuah proses elektronik. Hal ini tidak terlepas dari sebuah teori yang diungkapkan oleh Mark Ratner dan Arieh Aviram, dua pioner dalam elektronik molekular, pada tahun 1974. Mereka berdua mengatakan bahwa sebuah molekul asimetris dapat berfungsi sebagai penyearah arus listrik satu arah. Teori ini telah memicu perkembangan besar-besaran peralatan elektronik berbasis molekul tunggal dengan dioda sebagai komponen elektronik molekul tunggal yang paling banyak digunakan.

Sebagaimana diketahui, sebuah dioda pada prinsipnya memiliki sebuah sambungan silikon p-n diantara sepasang elektroda (anoda dan katoda) yang berfungsi sebagai katup dari sebuah rangkaian listrik. Sambungan silikon p-n inilah yang memungkinkan aliran arus listrik mengalir dalam satu arah. 

Secara garis besar, selama ini para ilmuwan menciptakan dioda molekul tunggal melalui dua macam cara, yaitu dengan cara sintesa kimia dari molekul asimetris yang analog dengan sambungan p-n dan dengan menggunakan molekul simetris dengan dua logam yang berbeda sebagai elektrodanya. 

Selama ini cara pertama selalu menghasilkan rasio pembalikan dan arus maju yang rendah, namun nampaknya cara ini akan lebih efektif di masa depan karena Neaton dan timnya telah menemukan cara untuk mengatasi kelemahan proses yang melibatkan molekul asimetris. Neaton menjelaskan bahwa aliran elektron di skala yang lebih besar didominasi oleh penyaluran quantum, sedangkan efisiensi dari proses tersebut tergantung pada tingkat penyelarasan level energi molekul dengan spektrum elektroda yang continyu. Dalam penyearah molekul, penyelarasan ini ditingkatkan untuk tegangan positif sebaliknya diturunkan untuk tegangan negatif. Dalam laboratorium pengecoran molekular, Neaton dan Zhenfei Liu, seorang ilmuwan lain, mengembangkan perhitungan akurat yang menghubungkan keselarasan tingkat energi dan kemungkinan penyaluran di sambungan-sambungan molekul tunggal.

Neaton juga bekerjasama dengan Latha Venkataraman dan Luis Campos dari Columbia University dalam membuat penyearah (rectifier) berperforma tinggi yang terbuat dari molekul-molekul simetris dengan proses resonansi molekul yang selaras dengan level-level energi elektron Fermi dari elektroda emas. Molekul simetris dirusak oleh perbedaan substansial dari luas area pada tiap elektroda emas yang terkena atau terkontaminasi oleh larutan ion. Perpaduan antara area elektroda asimetris, larutan ion, dan penyelarasan level energi sambungan (junction) menghasilkan peningkatan tegangan positif. 

“Larutan ion yang dikombinasikan dengan asimetris pada area-area elektroda memungkinkan kita untuk mengontrol lingkungan elektrostatis pada sambungan hanya dengan merubah polaritas bias”, Neaton menambahkan. 

Dia menambahkan lagi bahwa alasan utama pergeseran asimetris dari resonansi molekular adalah lapisan ganda yang terbentuk oleh larutan ion, dimana lapisan ganda tersebut akan menghasilkan perbedaan dipole pada sepasang elektroda secara otomatis. 

Tim ilmuwan gabungan dari Berkeley Lab dan Columbia University percaya bahwa pendekatan terbaru mereka pada molekule tunggal akan memungkinkan sebuah penyaluran nano yang dapat diaplikasikan pada berbagai sistem yang berbasis sambungan molekul tunggal dan berbagai perangkat yang menggunakan dua terminal.

Pada akhirnya, tim dan ilmuwan lain berharap bahwa pemahaman ini akan dapat diaplikasikan secepatnya pada penggunaan larutan ion dan mekanisme yang berbasis pada perangkat yang dubuat dari material dua dimensi. Aplikasi ini akan berguna pada proses desain rute baru baik untuk mengisi energi maupun menyalurkan energi pada skala nano. Inti dari penelitian dan penemuan ini adalah tingkat kontrol yang lebih baik pada level molekul tunggal yang berujung pada pemahaman yang lebih baik tentang pengukurannya.

Credit: Single Molecule Diode, Nature.com, Single Molecule Device, Single Molecule Diode Works.

Post Author: Todo Golo

Penulis profesional di bidang sains dan teknologi.

Leave a Reply