Inovasi Kabel Skala Nanometer Berbentuk Mirip Matahari

Para peneliti sedang berlomba memproduksi kabel skala nanometer yang mampu menghantarkan listrik dengan baik. Semakin tipis ukuran kabel dan semakin baik sifat penghantaran listrik, maka hasil penelitian akan dianggap semakin baik. Jika ukuran dari kabel tersebut cukup tipis dalam skala nanometer, maka dapat disebut sebagai kabel satu dimensi. Satu dimensi yang dimaksud adalah hanya dari dimensi panjang saja (dimensi lebar dan tinggi dapat diabaikan), karena mikroskop elektron yang kini ada masih terbatas untuk melihat benda skala nanometer yang sangat kecil ukurannya.

Peneliti yang bernama Lining Fang dan rekannya Bin Cai berhasil menemukan cara untuk mensintesis kabel skala nanometer dengan bahan Galium nitrida (GaN). Mereka memilih menggunakan bahan GaN disebabkan oleh bahan tersebut memiliki sifat optoelektrik, mobilitas tinggi, dan kestabilan terhadap suhu yang baik dalam sintesis perangkat semikonduktor. Sifat optoelektrik dibutuhkan misalnya untuk pembuatan benda bening yang mampu menghantarkan listrik. Contoh perangkat yang sangat membutuhkan optoeletrik adalah ponsel yang bentuknya murni seperti kaca. Sifat mobilitas tinggi dibutuhkan, agar elektron mampu secara cepat menghantarkan listrik. Salah satu contoh perangkat yang membutuhkan mobilitas tinggi adalah komputer super cepat. Sedangkan sifat stabil terhadap suhu penting bagi elektronik, agar elektronik dapat tetap berfungsi normal baik di suhu tinggi maupun suhu rendah. Biasanya pada suhu sangat rendah, elektronik memiliki kecenderungan untuk berhenti berfungsi.

 photo 4E62B2EC-5DA3-464C-96B4-7A3C493BC558.jpg

Kabel skala nanometer ini dapat disintesis untuk tujuan produksi lainnya, seperti transistor, dioda pemancar cahaya, sirkuit logika, pendeteksi cahaya terutama UV, dan nanolaser. Kemudian para peneliti tersebut juga menjelaskan bahwa proses produksi kabel skala nano GaN sudah pernah dilakukan. Hanya saja penelitian tersebut perlu menggunakan katalias, seperti deposisi uap kimia (CVD). Selain itu penelitian yang sudah ada biasa menggunakan metode, seperti ablasi laser, epitaksi balok molekul (MBE), metalorganik deposisi uap kimia (MOCVD), dan uap hidrida fase epitaksi (HVPE). Pada penelitian Fang dan Bin Cai melakukan produksi kabel GaN dengan menggunakan CVD berkatalis.

 photo DC12063A-844A-45BA-AF6E-6DF503201F2B.png

Sedangkan mengenai bentuk dari kabel GaN yang diproduksi dengan berbagai ukuran dan bentuk, seperti kabel skala nanometer berbentuk zig-zag, kabel skala nanometer berbentuk daun, dan kabel skala nanometer yang diukir. Penelti tersebut menyimpulkan bahwa hampir keseluruhan dari hasil penelitian tersebut selalu menggunakan struktur umum GaN yang berbentuk heksagonal. Struktur heksagonal tersebut sengaja digunakan, karena memang bersifat lebih stabil secara termodinamika. Sedangkan pada penelitian ini, Lining Fang dan Bin Cai berusaha untuk memproduksi kabal GaN skala nanometer dalam bentuk yang mirip dengan matahari. Para peneliti tersebut berhasil memproduksi kabel skala nanometer GaN dengan struktur kristal tunggal berbentuk mirip matahari dengan kualitas yang tinggi. Kabel ini memiliki diameter 15-100 nm (sangat kecil sehingga seringkali diabaikan dan disebut kabel satu dimensi) dan panjang yang mampu mencapai beberapa ratus mikrometer. Ini adalah penelitian yang pertama kalinya dilakukan. Namun yang lebih mengagumkan, kabel berbentuk mirip matahari ini mampu mengumpulkan emisi UV dengan kuat pada panjang gelombang 370 nm dan 400 nm. Artinya kabel GaN jenis ini berpotensi digunakan dalam optoelektrik dan perangkat elektronik.

 photo E6F51C94-A52D-4A7C-A776-F1C02CDAC71F.png

Proses produksi dari kabel GaN dimulai dengan melarutkan CrCl3.6H2O sebanyak 0,266 gram ke dalam 10 ml etanol. Kemudian campuran antara CrC13.6H2O dengan etanol dicampurkan dengan serbuk besi sebanyak 0,01 gram dan diaduk dengan menggunakan ultrasonik selama 15 menit. Percampuran semua larutan tersebut akan digunakan sebagai katalis. Pada reaksi ini dibutuhkan katalis berupa campuran kromium dan etanol besi untuk menurunkan energi aktivasi, sehingga reaksi pembentuk GaN menjadi lebih cepat terjadi. Kemudian sintesis kabel skala nanometer GaN dimulai dengan menggunakan tungku konvensional bertabung horizontal dan menggunakan suhu tinggi. Kemudian substrat silikon tersebut dibersihkan dengan menggunakan air deionisasi, aseton, etanol absolut di dalam alat yang dinamakan bath ultrasound selama 15 menit.

Selanjutnya campuran dari kromium dan larutan etanol besi di tuangkan pada permukaan substrat silikon. Pada reaksi ini, silikon memang berperan sebagai substrat tempat bertumbuhnya kristal skala nanometer dari kabel GaN. Selanjutnya substrat silikon yang sudah diberi katalis dikeringkan pada suhu udara 800C.

Setelah kering, substrat silikon berkatalis tersebut dimasukkan ke dalam boat quartz yang telah berisi Galium dengan kemurnian 99,99%. Para peneliti tersebut menggunakan Galium dengan kemurnian tinggi, agar dihasilkan kinerja penghantaran listrik yang baik. Hal ini sesuai dengan pernyataan dari teori yang menyatakan semakin murni bahan baku untuk pembentukan kabel, maka akan semakin baik kinerja yang dihasilkan oleh kabel tersebut. Semakin rendah nilai kemurnian, maka akan semakin buruk kinerja dalam menghantarkan listrik.

Jarak antara Galium dengan substrat silikon berkatalis adalah sejauh 10 dan 50 mm. Kemudian boat quartz tersebut dipindahkan ke tabung quartz yang terletak di dalam reaktor. Sebelum dilakukan pemanasan, tabung quartz dikurangi tekanannya hingga kurang dari 0,01 Torr dan ditambahkan dengan nitrogen sampai tekanan meningkat menjadi sekitar 1 atm. Sementara itu aliran gas nitrogen terus dialirkandalam tabung quartz dengan aliran sebanyak 50 sccm. Kemudian suhu dinaikkan menjadi 9000C dan NH3 dialirkan sebanyak 200 sccm secara konstan selama 90 menit. Lining Fang dan Bin Cai sengaja memilih suhu 9000C dari rentang suhu pemicu pertumbuhan kristal GaN 8000C – 10000C.

Sedangkan pada saat reaksi in aliran nitrogen pendingin dihentikan. Reaksi antara Galium dengan ammonia (NH3) pun terjadi dan membentuk kabel GaN. Setelah reaksi selesai, tungku tersebut didinginkan dengan nitrogen sampai mencapai suhu udara kamar yang berada di kisaran 250C. Hasilnya produk akan terkumpul di bagan permukaan silikon.

Lining Fang dan Bin Cai menganalisa ukuran dan bentuk dari kabel GaN menggunakan alat yang bernama FESEM keluaran Hitachi. Komposisi kimia dideteksi dengan menggunakan spektroskopi X-ray dispersif energi (EDS). EDS tersebut mampu mendeteksi komposisi kimia, karena telah menggunakan sistem analisis mikro khusus. Sedangkan analisa mengenai struktur dilakukan dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi TEM keluaran Hitachi model 7700.

Credit: Intechopen, Hindawi

Post Author: Novia Fitriana

Science is my passion...

Leave a Reply