Trilayer graphene dapat ditumpuk dalam dua konfigurasi berbeda, yang dapat terjadi secara alami dalam serpihan yang sama. Mereka dipisahkan oleh batas yang tajam. (Gambar: Pablo San-Jose ICMM-CSI)
Sebuah tim peneliti telah menemukan bagaimana mengubah struktur kristal Graphene adalah alotrop karbon dalam bentuk satu lapisan atom dalam kisi heksagonal dua dimensi di mana satu atom membentuk setiap simpul. Ini adalah elemen struktural dasar dari alotrop karbon lainnya, termasuk grafit, arang, tabung nano karbon, dan fullerene. Sebanding dengan ketebalannya, itu sekitar 100 kali lebih kuat dari baja terkuat.
graphene, temuan yang dapat menghasilkan mikroprosesor yang lebih kecil dan lebih cepat.
Tim fisikawan yang dipimpin Universitas Arizona telah menemukan cara mengubah struktur kristal graphene, lebih dikenal sebagai ujung pensil, dengan medan listrik, sebuah langkah penting menuju kemungkinan penggunaan graphene dalam mikroprosesor yang akan lebih kecil dan lebih cepat daripada teknologi berbasis silikon saat ini.
Graphene terdiri dari lembaran grafit yang sangat tipis: saat menulis dengan pensil, lembaran graphene terlepas dari inti grafit pensil dan menempel pada halaman. Jika ditempatkan di bawah mikroskop elektron berkekuatan tinggi, graphene mengungkapkan strukturnya yang seperti lembaran dari atom karbon yang saling terhubung, menyerupai kawat ayam.
Ketika dimanipulasi oleh medan listrik, bagian-bagian material diubah dari berperilaku sebagai logam menjadi berperilaku sebagai semikonduktor, demikian temuan fisikawan UA.
Graphene adalah bahan tertipis di dunia, dengan 300.000 lembar yang dibutuhkan untuk setebal rambut manusia atau selembar kertas. Ilmuwan dan insinyur tertarik padanya karena kemungkinan penerapannya dalam perangkat mikroelektronika, dengan harapan dapat mendorong kita dari zaman silikon ke zaman graphene. Bagian yang sulit adalah mengontrol aliran elektron melalui material, prasyarat yang diperlukan untuk membuatnya bekerja di semua jenis sirkuit elektronik.
Dengan menggunakan ujung mikroskop terowongan pemindaian logam yang tajam, LeRoy dan kolaboratornya dapat memindahkan batas domain antara dua konfigurasi graphene di sekitarnya. (Gambar: Pablo San-Jose ICMM-CSI)
Brian LeRoy, profesor fisika UA, dan kolaboratornya telah melewati rintangan menuju tujuan itu dengan menunjukkan bahwa medan listrik mampu mengendalikan struktur kristal graphene trilayer – yang terdiri dari tiga lapisan graphene.
Sebagian besar bahan memerlukan suhu tinggi, tekanan, atau keduanya untuk mengubah struktur kristalnya, itulah alasan mengapa grafit tidak secara spontan berubah menjadi intan atau sebaliknya.
“Sangat jarang suatu material mengubah struktur kristalnya hanya dengan menerapkan medan listrik,” kata LeRoy. “Membuat graphene trilayer adalah sistem yang sangat unik yang dapat digunakan untuk membuat perangkat baru.”
Graphene trilayer dapat ditumpuk dengan dua cara unik. Ini analog dengan menumpuk lapisan bola biliar dalam kisi segitiga, dengan bola mewakili atom karbon.
“Ketika Anda menumpuk dua lapis bola biliar, ‘struktur kristal’ mereka tetap karena lapisan atas bola harus duduk di lubang yang dibentuk oleh segitiga lapisan bawah,” jelas Matthew Yankowitz, seorang mahasiswa doktoral tahun ketiga di laboratorium LeRoy. di Departemen Fisika di UA College of Science. Dia adalah penulis pertama pada penelitian yang dipublikasikan, yang muncul di jurnal Nature Materials. “Lapisan bola ketiga dapat ditumpuk sedemikian rupa sehingga bolanya rata di atas bola di lapisan bawah, atau dapat diimbangi sedikit sehingga bolanya terletak di atas lubang yang dibentuk oleh segitiga di lapisan bawah.”
Kedua konfigurasi susun ini secara alami dapat ada dalam serpihan graphene yang sama. Kedua domain dipisahkan oleh batas yang tajam di mana heksagon karbon diregangkan untuk mengakomodasi transisi dari satu pola susun ke pola lainnya.
“Karena konfigurasi susun yang berbeda di kedua sisi dinding domain, satu sisi material berperilaku seperti logam, sedangkan sisi lainnya berperilaku sebagai semikonduktor,” jelas LeRoy.
Saat menyelidiki dinding domain dengan medan listrik, diterapkan oleh ujung mikroskop tunneling pemindaian logam yang sangat tajam, para peneliti dalam kelompok LeRoy menemukan bahwa mereka dapat memindahkan posisi dinding domain dalam serpihan graphene. Dan saat mereka memindahkan dinding domain, struktur kristal graphene trilayer berubah setelahnya.
“Kami memiliki gagasan bahwa akan ada efek elektronik yang menarik di perbatasan, dan perbatasan terus bergerak di sekitar kami,” kata LeRoy. “Awalnya membuat frustrasi, tetapi begitu kami menyadari apa yang sedang terjadi, ternyata itu adalah efek yang paling menarik.”
Dengan menerapkan medan listrik untuk memindahkan batas, sekarang dimungkinkan untuk pertama kalinya mengubah struktur kristal graphene secara terkendali.
“Sekarang kami memiliki kenop yang dapat kami putar untuk mengubah material dari logam menjadi semikonduktor dan sebaliknya untuk mengontrol aliran elektron,” kata LeRoy. “Ini pada dasarnya memberi kita tombol on-off, yang belum terealisasi di graphene.”
Sementara lebih banyak penelitian diperlukan sebelum graphene dapat diterapkan dalam aplikasi teknologi pada skala industri, para peneliti melihat cara penggunaannya.
“Jika Anda menggunakan elektroda lebar alih-alih ujung runcing, Anda dapat memindahkan batas antara dua konfigurasi dengan jarak yang lebih jauh, yang memungkinkan pembuatan transistor dari graphene,” kata Yankowitz.
Transistor adalah pokok sirkuit elektronik karena mereka mengontrol aliran elektron.
Tidak seperti transistor silikon yang digunakan sekarang, transistor berbasis graphene bisa sangat tipis, membuat perangkat jauh lebih kecil, dan karena elektron bergerak melalui graphene jauh lebih cepat daripada silikon, perangkat akan memungkinkan komputasi lebih cepat.
Selain itu, transistor berbasis silikon sedang diproduksi untuk berfungsi sebagai salah satu dari dua jenis – tipe-p atau tipe-n – sedangkan graphene dapat beroperasi sebagai keduanya. Ini akan membuat mereka lebih murah untuk diproduksi dan lebih fleksibel dalam aplikasinya.
Kontributor lain untuk makalah penelitian, “Electric field control of soliton motion and stacking in trilayer graphene,” termasuk Joel I-Jan Wang (Massachusetts Institute of Technology dan Harvard University di Cambridge, Massachusetts), A. Glen Birdwell (US Army Research Laboratory, Adelphi, Maryland), Yu-An Chen (MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan ; teknik; humaniora, seni, dan ilmu sosial; manajemen; dan sains. Pengaruh MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka adalah menjadikan dunia lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
MIT), K. Watanabe dan T. Taniguchi (National Institute for Materials Science, Tsukuba, Jepang), Philippe Jacquod (Departemen Fisika UA), Pablo San-Jose (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid) dan Pablo Jarillo-Herrero (MIT).
Publikasi : Matthew Yankowitz, et al., “Kontrol medan listrik dari gerakan soliton dan susun dalam graphene trilayer,” Bahan Alam, 2014; doi:10.1038/nmat3965
PDF Salinan Studi : Kontrol Medan Listrik Gerak Soliton dan Penumpukan di Trilayer Graphene
Gambar: Pablo San-Jose ICMM-CSI
