Mengenal Nanoteknologi dan Nanoelektronika


Istilah nanoteknologi pertama kali dipopulerkan oleh peneliti Jepang Norio Taniguchi pada tahun 1974. Nama nano teknologi diambil dari kata nanometer (nm) atau seper milyar meter, atau seper seratus ribu dari diameter rambut manusia. Nanoteknologi merupakan teknologi yang mampu mengerjakan dengan ketepatan lebih kecil dari satu mikrometer (seperjuta meter). Pengertian yang terkandung dalam kata “nanoteknologi” yang berkembang saat ini lebih dari sekedar miniaturisasi dalam skala nanometer (sepermiliar meter), tetapi suatu istilah dari teknologi dengan aplikasi yang sangat luas melingkupi hampir di seluruh kehidupan manusia. Teknologi nano adalah suatu rancangan, karakteristik, produksi dan penerapan berbagai struktur, piranti dan sistem dengan bentuk terkendali serta berukuran nanometerDalam ukuran yang sangat kecil tersebut unsur-unsur nano justru memiliki tiga karakteristik keunggulan. Keunggulan yang utama adalah munculnya fungsi suatu zat pada skala nano. Ini didapat ketika fungsi murni atom dikumpulkan 10 hingga 100 buah, disitulah pertamakalinya kerja suatu benda atau fungsi zat muncul di dalamnya. Keunggulan kedua adalah fungsi yang telah muncul akan makin bermanfaat karena mudah dikontrol, sehingga kita dapat membentuk benda yang lebih besar dengan sifat dan fungsi yang diinginkan. Keunggulan ketiga adalah kemungkinan dapat dibentuk material baru dengan menggabungkan beberapa material dalam ukuran nano.

Sepanjang abad 20 banyak muncul teknologi baru yang mempunyai dampak besar terhadap kehidupan umat manusia. Industri mikro elektronik menjadi salah satu bagian dari teknologi baru tersebut. Keberadaan komponen Microelectronic yang berwujud mikro prosesor dan memori yang digunakan dalam komputer, komponen audio dari Hi-Fi dan visual yang berupa gambar di televisi. Saat ini pun di dunia tidak terlepas dari penggunaan komponen elektronik di setiap bidang kehidupan sehari-hari mulai dari sistem komunikasi yang berupa telepon, mobilephone, perbankan, kartu kredit, pemasak, pengontrol pemanas, maupun pengolah makanan.

Dalam 50 tahun terakhir perkembangan dari industri mikroelektronik pertama kali ditunjukkan pada Bel Laboratorium tahun 1948 yaitu pembuatan transistor bipolar, tahun 1960 muncul transistor efek medan yang pertama (FET). Sejak itu mikro elektronik industri terus berkembang, seperti yang diungkapkan oleh Gordon Moore (pendiri Intel) bahwa dalam setiap 18 bulan jumlah transistor yang menyusun mikrochip akan menjadi dua kali lipatnya, pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Moore. Hal ini akan berakibat secara ekonomis, biaya setiap transistor menjadi lebih murah, penggunaan energi lebih kecil, kerjanya lebih cepat, sehinggga ke depannya teknologi cenderung membuat transistor mempunyai ukuran yang lebih kecil.

Awal tahun 2001, gate length dari MOSFETS yang digunakan oleh INTEL PENTIUM IV berupa mikro prosesor chip sudah berukuran 100 nm dengan ketebalan oksida lebih kurang dari 2 nm dan mampu menampung 28 juta transistor per prosesor. Sejak saat itu Industri mikro elektronik berubah menjadi nanoelectronics.

 Silikon Nanoelectronics dan CMOS produk terakhir

Semua semikonduktor seperti silikon merupakan isolator dalam kondisi murni sampai proses pendopingan / pengotoran ditambahkan kepada sistem itu. Silicon mempunyai empat elektron valensi sehingga akan berikatan dengan empat atom silikon lainnya dan membentuk kristal tetrahdral sehingga tidak ada elektron bebas lagi dan menjadi isolator. Jika atom golongan V seperti fosfor didopingkan pada atom silikon akan menghasilkan satu elektron bebas, kemudian jika diberi tegangan akan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor seperti ini dinamakan tipe – n. Jika suatu atom dari golongan III seperti boron didopingkan pada atom silikon, akan menghasilkan satu hole. kemudian jika diberi tegangan akan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor seperti ini disebut tipe-p.

Pada tahun 2001 RAM mempunyai 270 juta bits/cm2, setiap DRAM berisi sebuah kapasitor dan sebuah transistor yang memiliki gate length 180 nm. Sebuah micro prosesor seperti pada Pentium dan Power PC Chip mempunyai 19,7 juta transistor/cm2 dengan gate length 100 nm. Sebagian besar transistor pada kenyataannya berupa memori dalam bentuk SRAM. Sebuah sel SRAM berisi 6 transistor. Usaha untuk menggabungkan sel DRAM dalam MPU menghasilkan dasar dari logik transistor, sementara itu 6 SRAM transistor lebih mudah penggabungannya untuk membentuk hal yang sama.

Dalam proses perubahan ukuran, semua dari bagian-bagian transistor dikurangi dan kemampuan alat tetap dalam menampung medan elektrik. Pada kenyataannya hal ini tidak bisa dicapai dalam waktu yang singkat. Namun dapat disimpulkan dari hukum Moore’S adalah bahwa untuk meningkatkan hasil akan mengurangi biaya setiap transistor pada suatu chip dengan menurunkan ukuran transistor, ongkos pembuatan semikonduktor bertambah tiap-tiap empat tahun.

Single Electron Tunneling (SETs)

Bayangkan ada sebongkah emas di hadapan anda, jika kita memotong-motong emas tersebut secara berulang-ulang hingga butiran-butiran emas berukuran nanometer. Pada kondisi ini, fenomena aneh muncul ke permukaan. Sebagai contoh, jika pada sebatang kawat terbuat dari emas berdiameter 10 nanometer dialiri arus listrik, sifat penghantaran listriknya tidak lagi mengikuti hukum Ohm, tetapi mempunyai harga penghantar yang diskrit (lompat-lompat). Karakter unik semacam ini sama sekali tidak terlihat pada emas berukuran makro.

Karakteristik unik inilah yang menjadi landasan dasar teknologi nano, yang ukuran bendanya berstruktur lebih kecil dari ukuran makro (makroskopik), tetapi lebih besar dari ukuran atom (mikroskopik). Di dunia sains, wilayah ini disebut dengan mesoskopik. Wilayah ini merupakan perbatasan antara wilayah fenomena fisika klasik dan fisika kuantum. Dengan latar belakang ini, maka tidak dipahaminya fenomena fisika dalam wilayah mesoskopik ini secara otomatis tidak akan bisa direalisasikan teknologi nano.

Penelitian sekarang berusaha menemukan fenomena-fenomena fisika pada wilayah mesoskopik ini dengan uji coba membuat sistem struktur berukuran nano dan menguji sifat karakter hantaran listrik benda tersebut. Fenomena single electron tunneling (terobosan elektron tunggal), yaitu suatu fenomena pengontrolan bergeraknya elektron satu per satu. Fenomena unik ini biasanya dimunculkan dari sistem struktur transistor, yang kemudian dikenal dengan single-electron transistor (transistor elektron tunggal). Jenis transistor ini bisa disebut transistor tipe terbaru dalam sejarah perjalanan transistor. Prinsip kerja transistor ini sebenarnya mirip dengan MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), yaitu jenis transistor yang kebanyakan dipakai dalam alat-alat elektronika sekarang. Sebagaimana MOSFET, transistor elektron tunggal juga tersusun atas 3 elektrode, yaitu source, drain, dan gate. Bedanya dengan MOSFET, di antara elektrode source dan drain dibuat “kuantum dot” yang berukuran nanometer, yang mana antara source-dot dan dot-drain hanya dibatasi oleh lapisan isolator yang tipis (hanya beberapa nanometer juga). Satu lagi, antara kuantum dot dan gate dibatasi juga oleh lapisan isolator berukuran nano. Kuantum dot tersebut biasa disebut “pulau”, dan lapisan isolator antara source-dot dan dot-drain biasa karena lapisannya sangat tipis dan memungkinkan elektron untuk menerobosnya maka biasa disebut sambungan terobosan. Pada prinsipnya, dengan memberi beda voltase antara source dan drain sekecil mungkin (mendekati nol), maka pada kondisi voltase gate dengan harga tertentu aliran elektron satu per satu dari source masuk dot kemudian ke drain, akan bisa terjadi. Kecepatan aliran elektron pun bisa dikontrol dengan pengaturan kombinasi voltase gate dan beda voltase antara source dan drain.

 Diameter quantum dot kurang lebih 20 nm, dimungkinkan setara dengan susunan seri yang terdiri dari 100 atom. Sejak ditemukan pertama kali, transistor elektron tunggal ini diprediksi akan bisa diaplikasikan dalam sistem digital karena bekerja berdasarkan pengontrolan gerak elektron satu per satu. Tidak hanya itu saja, karena untuk menggerakkan elektron satu per satu hanya diperlukan voltase yang sangat rendah, otomatis transistor ini bisa bekerja dengan energi yang rendah pula (low power). Keunggulan lain, kecepatannya pun jauh lebih cepat dibandingkan dengan jenis transistor yang ada saat ini, karena jarak alir elektron jauh lebih pendek dari transisor yang ada saat ini.

Pada saat ini transistor CMOS mempunyai gate-lengths 100 nm. banyaknya elektron yang digunakan sebagai switch dalam sistem transistor kurang lebih sepuluh ribuan. Jika ini bisa diperkecil dimana hanya satu elektron yang digunakan sampai tercapai untuk switch, energi yang diperlukan untuk switch menjadi paling rendah. Ini adalah arti dasar bagi transistor elektron tunggal (SETs). Saat ini terdapat suatu perbedaan tipe dari SETs, tipe yang asli berdasarkan pada Coulomb Blokade sedang tipe yang kedua adalah miniatur flash memori di mana penambahan elektron tunggal ke gate-memori mengakibatkan suatu perubahan arus yang besar dalam pengukuran transistor. Untuk lebih jelasnya tentang Single Electron Transistor, silahkan mendownload makalah saya di sini

Coulomb Blokade

Coulomb Blokade digambarkan sebagai suatu pulau kecil yang berisi muatan yang terletak antara dua electroda. Jika pulau kecil tersebut berisi penuh N Elektron maka energi gap akan terbuka diantara energi elektron yang terakhir dan elektron pertama yang kosong. Gap ini sama dengan kuadrat dari muatan elektron (e2) dibagi dengan kapasitas pulau (C). Oleh karena itu jika pulau yang kecil itu penuh, sehingga energi gap nya menjadi lebih besar daripada energi termal di dalam sistem (kB T ; kB= konstanta Boltzman, T = Temperatur) kemudian elektron tidak bisa meloncat menembus terowongan dari sistem itu selama tingkatan energinya di atas energi elektron tersebut.

Miniatur Flash Memori

Tipe kedua memori SETs hanya versi miniatur yang konvensional flash memori CMOS, contohnya yang ditemukan di dalam Handphone dan MPEG musik. Satu permasalahan dalam pendekatan ini adalah menyangkut ketahanan memori dan fluktuasi karena satu elektron ini cukup untuk switch memori device yang ditetapkan.Pendukung untuk mendekati konsep ini menggunakan sejumlah Si nanocrystals sebagai dot di dalam oksida dibanding yang lain. Pendekatan ini mempunyai keuntungan yang lebih sempurna untuk fluktuasi sistem elektron tunggal.

Type Memori Yano

Tipe SET memori yang berikutnya adalah yang ditunjukkan oleh Yano di Pusat Laboratorium Riset Hitachi. Pembuatannya menggunakan saluran standard CMOS berbentuk kawat poly-Si yang menyilang. Poly-Si terdiri dari butir tunggal crystal silikon yang kecil dengan terdapat batas antara butiran. Tipe ini digunakan untuk memori device menggunakan butir sebagai dot memori. Satu masalah utama apakah penghantar di dalam saluran adalah hasil penyaringan melalui suatu alur sejumlah besar butir poly-Si. Ini adalah suatu proses acak dan sukar untuk mengendalikannya. Yang menjadi masalah utama dalam hal ini adalah kemampuan untuk menghasilkan secara massal memori device membutuhkan kontrol untuk sifat-sifatnya. Hitachi telah menunjukkan suatu memori chip 128 Mbyte dengan teknologi walaupun hanya separuh alat beroperasi.

Jika suatu material dibuat dalam skala nano maka material tersebut akan mempuyai karakteristik unik yang berbeda dengan sifat asalnya dan fungsi yang baru serta dapat dikontrol. Dengan teknologi nano dapat dibuat transistor yang mempunyai ukuran lebih kecil, dengan kerja yang lebih cepat, dan biaya yang lebih murah. Transistor yang muncul dari sistem ini adalah transistor elektron tunggal (SETs) yang banyak dipakai dalam alat-alat elektronika sekarang. Untuk menggerakkan elektron satu persatu pada transistor ini diperlukan voltase yang sangat rendah dan energi yang rendah pula serta kecepatan yang jauh lebih cepat dibandingkan dengan jenis transistor yang ada sekarang.

untuk mendapatkan gambaran lebih jelas tentang nanotechnology, silahkan perhatikan video berikut:

Advertisements

Silahkan tuliskan Komentar anda

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s