Gambar dari graphene nanoribbon mirip logam berukuran 1,6 nanometer (Graphene Nanoribbon, GNR) diambil dengan mikroskop scanning tunneling .
Transistor berbasis karbon daripada silikon berpotensi mempercepat komputer dan mengurangi konsumsi daya lebih dari seribu kali lipat - pikirkan, misalnya, ponsel yang dapat mengisi daya selama berbulan-bulan. Tetapi berbagai bahan yang dibutuhkan untuk membuat rantai karbon yang berfungsi tetap tidak lengkap hingga hari ini.
Sebuah tim ahli kimia dan fisikawan di University of California, Berkeley akhirnya menciptakan bagian terakhir yang hilang - kawat yang seluruhnya terbuat dari karbon. Ini, pada gilirannya, membuka jalan untuk penelitian transistor berbasis karbon, dan akhirnya komputer.
Felix Fischer, profesor kimia di University of California, Berkeley, mencatat bahwa kemampuan untuk membuat semua komponen IC dari satu bahan akan membuat pembuatan lebih mudah:
"Ini adalah salah satu poin kunci yang kurang dalam arsitektur keseluruhan sirkuit terintegrasi berbasis karbon sepenuhnya."
Kabel logam digunakan untuk menghubungkan transistor dalam chip komputer - mereka membawa listrik dari perangkat ke perangkat dan menghubungkan elemen semikonduktor di dalam blok chip.
Sebuah kelompok di University of California, Berkeley telah bekerja selama beberapa tahun tentang cara membuat semikonduktor dan isolator dari nanoribbons graphene, yang merupakan strip graphene satu dimensi yang sempit setebal atom. Struktur nanoribbons ini seluruhnya terdiri dari atom karbon yang tersusun dalam sistem heksagonal yang menyerupai wire mesh.
Sedangkan material berbasis karbon lainnya seperti lembaran graphene 2D dan carbon nanotubesbisa seperti logam, mereka memiliki kekurangan. Misalnya, mengubah lembaran graphene 2D menjadi strip berukuran nanometer dapat mengubahnya menjadi semikonduktor atau bahkan isolator. Tabung nano karbon, yang merupakan konduktor yang sangat baik, tidak dapat diproduksi dengan presisi yang sama dalam jumlah besar seperti atom nano.
“Nanoribbons memungkinkan kita untuk mengakses berbagai macam struktur menggunakan desain bottom-up yang belum mungkin dilakukan dengan nanotube,” kata Michael Crommy, profesor fisika di Universitas Berkeley. “Ini memungkinkan kami untuk menghubungkan elektron bersama untuk membuat nanoribbon konduktif, yang belum pernah kami lakukan sebelumnya. Ini adalah salah satu tantangan besar dalam teknologi graphene nanoribbon, dan itulah mengapa kami sangat bersemangat tentangnya. "
Pita nano graphene seperti logam memiliki pita elektronik lebar yang terisi sebagian, yang merupakan karakteristik logam, dan konduktivitasnya dapat dibandingkan dengan graphene dua dimensi.
“Ini pertama kalinya kami dapat membuat konduktor ultra tipis dari bahan berbasis karbon dan ini merupakan terobosan nyata,” tambah Fischer.
Crommy, Fisher, dan rekan mereka di Universitas California, Berkeley dan Laboratorium Nasional Berkeley mempublikasikan temuan mereka dalam Science edisi 25 September.
Sirkuit terpadu berbasis silikon telah digunakan di komputer selama beberapa dekade, secara teratur meningkatkan kecepatan dan kinerja sesuai dengan Hukum Moore, tetapi sirkuit tersebut sudah mencapai batas kecepatan mereka untuk seberapa cepat mereka dapat beralih antara "nol" dan "satu". Juga menjadi lebih sulit untuk mengurangi konsumsi energi; komputer telah mengkonsumsi sebagian besar produksi energi dunia. Komputer berbasis karbon berpotensi beralih berkali-kali lebih cepat daripada komputer silikon, dan hanya mengkonsumsi sebagian kecil dari energinya, kata Fisher.
Graphene, yang merupakan karbon murni, telah menjadi pesaing utama komputer berbasis karbon generasi berikutnya. Namun, strip sempit graphene pada dasarnya adalah semikonduktor, dan tantangannya adalah membuat mereka bekerja sebagai isolator dan logam juga untuk membangun transistor berbasis karbon.
Beberapa tahun yang lalu, Fisher dan Crommy bekerja sama dengan ahli teori material Stephen Louis, profesor fisika di University of California di Berkeley, untuk menemukan cara baru untuk menghubungkan potongan kecil nanoribbon sambil mempertahankan semua sifat konduktif.
Dua tahun lalu, tim mendemonstrasikan bahwa dengan menghubungkan segmen nanoribbon pendek dengan benar, elektron di setiap segmen dapat diposisikan untuk membuat keadaan topologi baru - fungsi gelombang kuantum tertentu - yang menghasilkan sifat merdu semikonduktor.
Dalam karya baru, mereka menggunakan teknik serupa untuk "menjahit" segmen pendek dari serat nano bersama-sama untuk membuat kawat seperti logam konduktif dengan panjang puluhan nanometer dan lebar hanya satu nanometer.
“Semuanya dirancang agar cocok hanya dalam satu cara. Seolah-olah Anda mengambil tas Lego, mengguncangnya, dan memiliki mobil yang dirakit lengkap, ”katanya. "Ini adalah keajaiban kontrol perakitan mandiri dengan kimia."
“Melalui kimia, kami membuat perubahan kecil pada satu ikatan kimia untuk setiap 100 atom, dan kami meningkatkan konduktivitas nanoribbon sebanyak 20 kali lipat. Dan penting dari sudut pandang praktis untuk mendapatkan logam yang bagus dengan cara itu, ”kata Crommy.
“Saya yakin teknologi ini akan merevolusi cara kita membangun sirkuit terintegrasi di masa depan,” kata Fischer. “Ini akan menjadi langkah maju yang besar dalam desain dan manufaktur elektronik, dibandingkan dengan apa yang Anda harapkan dari silikon sekarang. Kami sekarang memiliki kemampuan untuk mendapatkan kinerja yang lebih cepat dengan konsumsi daya yang jauh lebih sedikit. Ini akan menjadi kekuatan pendorong di belakang masa depan industri semikonduktor elektronik. "