Thursday, January 13, 2011

Artikel Elektronika Molekul

Elektronika Molekul



Pendahuluan

Perkembangan teknologi elektronika yang sangat pesat dalam dasawarsa belakangan ini telah mengarah kepada suatu bentuk teknologi yang menumpukan kepada teknik men-desain piranti dari satuan atom atau molekul yang dikenal dengan istilah elektronika molekul. Sejak Aviram mengusulkan desain piranti diode berbasis molekul pada tahun 1974 dan Carter menyarankan konsep piranti molekul pada akhir tahun 70-an maka teknologi elektronika molekul mendapat perhatian yang serius di kalangan perancang teknologi masa depan [1-3]. Teknologi elektronika molekul menjanjikan prospek masa depan karena mampu menyederhanakan dimensi serta meningkatkan kemampuan berbagai piranti bagi suatu sistem teknologi. Ada tiga faktor penting yang menjadi dasar bagi realisasi teknologi tersebut yaitu :
Perkembangan yang sangat cepat di bidang teknologi mikroelektronika. Hal ini ditunjukkan dengan ukuran piranti elektronika semakin lama menjadi semakin kecil dengan kelajuan eksponensial yang mengarah kepada skala molekul serta peningkatan kemampuan piranti tersebut.
Perkembangan elektronika molekul tidak bisa dihindari sejalan dengan perkembangan teknologi komputer. Komputer yang handal memerlukan kecepatan kalkulasi yang sangat tinggi, mempunyai kemampuan dalam menyimpan data dengan cepat dan dalam jumlah yang sangat besar.
Perkembangan ilmu pengetahuan modern telah berada pada taraf menangani piranti dalam skala nano (10-9 m), sehingga muncul interdisipliner seperti nanoteknologi, bioteknologi, dan ilmu supramolekul yang memungkinkan untuk memanipulasi satuan atom atau molekul untuk bersama-sama digabungkan menjadi struktur supra-molekul bagi suatu bentuk piranti yang terpadu.
Perkembangan Teknologi Mikroelektronika


Sebagai salah satu contoh kemajuan pesat teknologi di bidang teknologi mikroelektronika adalah piranti microprocessor. Dewasa ini (tahun 1997) dalam satu piranti microprocessor dapat memuat 7.5 juta piranti transistor. Jumlah ini merupakan peningkatan sebesar 2 juta dari dua tahun sebelumnya (1995). Jumlah tersebut akan terus meningkat dari waktu ke waktu sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 1, dan diperkirakan pada tahun 2011 piranti microprocessor akan bisa memuat 1 milyar buah transistor yang dapat mengirimkan 100 milyar instruksi per detik [4]. Kemajuan yang sangat pesat di bidang teknologi microprocessor ini akan mengimbas aspek lain di bidang teknologi komputer dan pemrosesan data. Upaya meningkatkan jumlah transistor dalam suatu piranti microprocessor tidak bisa lepas dari kemajuan yang dicapai dalam memperkecil dimensi piranti tersebut yang salah satu faktornya adalah adanya perkembangan teknik litografi. Di dalam teknik litografi, dengan menggunakan sumber cahaya Extreme Ultra-Violet (EUV) dapat dibentuk garis circuit piranti yang lebarnya < 0.1 m m (10-7 m). Dewasa ini sedang dikaji penggunaan sumber Soft X-ray yang diharapkan akan dapat dibentuk garis circuit lebih kecil lagi yang berarti jumlah circuit piranti yang dapat dibuat semakin banyak.
Dalam merealisasi berbagai piranti elektronika molekul, para peneliti di Eropa, Jepang, dan USA telah mengkaji berbagai bahan baru dari berbagai jenis bahan organik atau inorganik yang fleksibel dalam pembuatannya / penyiapannya. Sebagai contoh adalah riset yang dilakukan di Molecular Electronics Research Group, University of Durham, UK, juga di W. M. Keck Center for Molecular Electronics, Syracuse, New York, USA dan masih banyak lagi penelitian yang dilakukan di berbagai negara.


Tabel 1.
Secara garis besar ruang lingkup penelitian bidang elektronika molekul mencakup 4 aspek sebagaimana yang ditunjukkan pada Diagram 1 yaitu : (i) bahan molekuler, (ii) nanoteknologi, (iii) piranti molekuler, dan (iv) sistem komputasi. Kesemua bidang tersebut adalah saling mendukung satu dengan lainnya.



Diagram 1.
Sebagai contoh dapat dilihat pada Diagram 1 bahwa untuk realisasi sistem komputasi berbasis elektronika molekul akan sangat bergantung kepada perkembangan piranti molekuler. Sementara itu piranti molekular akan bergantung kepada perkembangan bahan termasuk eksplorasi, sintesis dan pemrosesan bahan baru yang di-desain menggunakan nanoteknologi. Sehingga realisasi teknologi tersebut merupakan hasil keterpaduan beberapa bidang yang melibatkan inter-disipliner bidang fisika, kimia, elektronika dan bidang - bidang lain yang terkait.

Teknik Rekayasa Molekul
Beberapa teknik yang telah lama digunakan untuk melakukan riset di bidang elektronika molekul adalah teknik Langmuir-Blodgett, Spin-Coating, dan Self-Assembly [5] seperti yang akan diuraikan di bawah. Teknik - teknik tersebut dipergunakan untuk merekayasa molekul yaitu menyusun molekul dengan orientasi yang teratur dan homogen dalam bentuk lapisan tipis (thin film) dan memendapkannya baik berujud mono-lapis atau multilapis bagi perancangan piranti elektronika seperti dioda, transistor, sensor, dan lain-lain. Sifat-sifat film yang dimendapkan akan sangat bergantung kepada jenis molekul dari bahan yang digunakannya yaitu bersifat insulator, semikonduktor, konduktor atau superkonduktor. Rekayasa molekul memungkinkan untuk menggabungkan berbagai jenis molekul yang berarti menggabungkan berbagai sifat-sifat molekul yang ada.
1. Langmuir-Blodgett

Teknik Langmuir-Blodgett (LB) memungkinkan untuk menyusun molekul dalam bentuk thin film monolapis [6]. Nama Langmuir-Blodgett diambil dari dua peneliti yaitu Irving Langmuir dan Katherine Blodgett yang telah berjasa mengembangkan teknik tersebut pada tahun 1930-an. Dengan teknik ini dimungkinkan untuk menyusun molekul film dan memendapkannya dalam skala Angstrom (10-10 m) dengan kualitas lapisan yang homogen. Konsep dasar daripada teknik LB adalah memindahkan film yang dibentuk di atas permukaan air ke atas substrat. Film yang termendap biasa disebut dengan film LB. Penyusunan molekul di atas permukaan air dilakukan dengan menekan molekul secara perlahan-lahan dan mempertahankannya untuk tekanan tertentu. Sedangkan pemindahan molekul film dari permukaan air ke atas substrat dilakukan dengan cara menarik substrat dari dalam air ke luar permukaan air secara perlahan-lahan sehingga diperoleh satu lapisan molekul film. Untuk mendapatkan banyak lapisan film, cara ini dilakukan berulang-ulang. Semakin banyak lapisan film yang termendap maka mendapan film akan semakin tebal. Jenis bahan yang memungkinkan untuk dimendapkan menggunakan teknik LB adalah bahan organik atau kombinasi organik dan logam (organometallic) yang memiliki sifat tertentu yaitu tidak larut dalam air dan dapat membentuk lapisan film di atas permukaan air. Teknik ini memerlukan ketelitian dalam pemilihan bahan juga selama proses pembuatan film. Meskipun begitu, hasil film yang diperoleh adalah sangat homogen dengan ketebalan yang dapat diatur secara akurat.
2. Spin-Coating

Dengan menggunakan teknik spin-coating lapisan molekul akan bisa dibuat sebagai film yaitu dengan cara menyebarkan larutan film ke atas substrat terlebih dahulu, kemudian substrat diputar dengan kecepatan konstant tertentu agar dapat diperoleh mendapan film di atas substrat. Semakin cepat putaran, akan diperoleh film yang semakin homogen dan tipis. Teknik ini telah dipergunakan untuk memendapkan thin film bagi keperluan piranti non-linear optik. Bahan film yang memungkinkan dimendapkan menggunakan teknik ini adalah dari berbagai bahan organik ataupun organometallic. Dibandingkan dengan teknik LB, maka teknik ini lebih mudah dan lebih banyak jenis bahan yang bisa dimendapkan. Di sisi lain kesempurnaan dalam mengatur molekul film tidak sebaik jika dibandingkan dengan yang diperoleh menggunakan teknik LB. Namun, dengan berbagai cara, dimungkinkan untuk mendapatkan kualitas film yang makin sempurna.

3. Self-Assembly

Teknik ini dipergunakan untuk mengatur molekul agar dapat dimendapkan monolapis film yang diperoleh dengan cara mencelupkan substrat ke dalam suatu larutan tertentu [7] sehingga ikatan antar molekul dengan substrat didasarkan kepada tarikan elektrostatis kation dan anion. Dewasa ini teknik self-assembly telah digunakan untuk menghasilkan monolapis atau multilapis lipid dan protein yang dimendapkan di atas substrat silikon untuk membuat piranti 'bioelectronics molecular'. Dibandingkan dengan teknik LB dan spin coating, maka teknik self-assembly akan dapat menghasilkan ikatan film yang cukup kuat, namun sejauh ini jenis bahan yang bisa direkayasa masih sangat terbatas.

Piranti Elektronika Molekul

Dengan dimungkinkannya menyusun molekul sehingga bisa dibuat lapisan yang memiliki sifat sebagaimana bahan yang dipilih maka suatu piranti akan bisa di-desain dengan baik yaitu dapat mengatur ketebalan dengan akurat dalam order Angstrom. Jika kita bandingkan dengan partikel debu yang mempunyai besar dalam order mikron (10-6 m) maka piranti yang dibuat jauh lebih kecil. Beberapa piranti telah berhasil dibuat dengan menggunakan teknik di atas untuk piranti : transistor, solar cell, diode, suis memori, LED, reflektor sinar-X, dan lain sebagainya [8,9,10]. Dalam artikel ini akan diberikan contoh beberapa struktur piranti elektronika molekul dan hasil karakterisasi yang telah diperolehnya. Dalam tahapan awal untuk men-desain piranti, teknik tersebut telah dikombinasikan bersama-sama dengan teknik pemendapan thin film lainnya untuk bahan logam seperti teknik sputtering dan evaporation.
a. Transistor


Piranti MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) telah dibuat dengan menggunakan bahan polybenzinidazole (PBI) film LB yang berfungsi sebagai bahan insulator [11]. Film PBI tersebut dibuat untuk ketebalan sekitar 300 Å (12 lapisan). Desain piranti MISFET seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Untuk substrat telah digunakan bahan Indium Phosphate (InP) yang di-implantasi menggunakan ion silikon. Elektrode Gate dibuat dari lapisan bahan Ti/Au, sedangkan elektrode Source dan Drain dibuat dari bahan SiO2 yang kesemua lapisan tersebut dimendapkan dengan teknik evaporation. Sedangkan hasil karakterisasi tegangan Source-Drain, VSD terhadap arus Source-Drain, ISD (VG adalah tegangan Gate) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.


Gambar 1. Struktur MISFET menggunakan film LB bahan polybenzinidazole (PBI) sebagai lapisan insulator.
Gambar 2
Gambar 2. Karakterisasi piranti MISFET yang diperoleh.
b. Sensor Gas
Sensor gas ammoniak (NH3) telah dibuat menggunakan bahan Kuprum Phthalocyanine (CuPc) dengan teknik pemendapan LB untuk jumlah lapisan sebanyak 45 (ketebalan < 2000 Å ) [12]. Film LB dimendapkan di atas mikroelektrode sehingga berbentuk suatu piranti sensor ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3
Gambar 3. Struktur piranti sensor gas yang dibuat.

Jika permukaan mendapan film dari piranti sensor ini dikenai gas amoniak (sebanyak 2 p.p.m.) maka akan terjadi perubahan kekonduksian listrik terhadap perubahan waktu pengamatan sebagaimana terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4

Gambar 4. Karakterisasi piranti sensor yang teramati
c. Solar Cell

Struktur solar cell telah dibuat menggunakan teknik pemendapan film spin-coating dari bahan Kuprum phthalocyanine (CuPc) dicampurkan dengan bahan polyvinylidence (PVdF) kemudian di-dop dengan bahan 8% bahan Chloranil dengan ketebalan lapisan 4 m m yang dimendapkan di atas substrat dari lapisan Indium Tin Oxide (ITO) seperti terlihat pada Gambar 5. Lapisan elektrode dibuat dari bahan Indium. Dari desain ini efek photovoltaic diperoleh sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6. Meskipun efisiensi yang diperoleh masih rendah (2%) jika dibandingkan dengan solar cell yang sudah ada sekarang yang dibuat dari bahan silikon, namun hasil tersebut telah menunjukkan prospek daripada bidang elektronika molekul. Sejalan dengan perkembangan eksplorasi bahan baru maka efisiensi tersebut dimungkinkan akan selalu meningkat.


Gambar 5. Desain solar cell menggunakan bahan CuPc - PVdF yang di-dop dengan bahan Chloranil.
Gambar 6
Gambar 6. Efek photovoltaic yang diperoleh dari karakterisasi solar cell
Pengembangannya di Indonesia

Sejauh ini nampaknya belum banyak penelitian yang mengarah kepada bidang elektronika molekul dikarenakan beberapa sebab yang salah satunya adalah pengembangan teknologi yang didasarkan kepada kerjasama inter-disipliner belum begitu maju, juga trend pengembangan teknologi yang ada sebagian besar masih diprioritaskan kepada upaya mengejar ketertinggalan teknologi yang sedang nampak. Meskipun demikian, diharapkan dalam waktu dekat riset di bidang ini telah mulai diberi perhatian sebagaimana yang terjadi di dunia Barat dan Jepang. Sehingga kita tidak terkejut atau terlalu berat untuk mengejarnya jika teknologi elektronika molekul ini akhirnya muncul dan menggantikan trend teknologi yang ada sekarang. Banyak aspek yang mendukung untuk mengawali penelitian di bidang elektronika molekul antara lain yaitu konsep dasar peralatan yang dipergunakan untuk merekayasa molekul adalah relatif murah sehingga budget untuk pengoperasiannya bisa dijangkau oleh banyak institusi riset di Indonesia. Faktor lain adalah sumber alam di Indonesia yang memungkinkan untuk mengeksplorasi berbagai bahan dan membuat sintesis bahan baru bagi keperluan berbagai desain.
Referensi :

Y. Wei, Z. Lu, C. Yuan dan Q. Gan., IEEE Engineering in Medicine and Biology, edisi Juli/Agustus 1997, hal. 53 - 61.
F.L. Carter (editor), Molecular Electronic Devices, Marcel Dekker, New York, 1982.
F.L. Carter, R.E. Siatkowski, dan H. Wohltjen (editor), Molecular Electronic Devices, North-Holland, Amsterdam, 1988.
I. Goodwin, Physics Today, edisi Oktober 1997, hal. 85 - 86.
A.K. Ray, IEE Proc.-Circuit Devices Sys., 44(2), 1997, hal. 107.
M.C. Petty, Langmuir-Blodgett Films, Cambridge Press, 1996, hal. 155 - 156.
Hariyadi, "The Switching Diode using a Langmuir-Blodgett Film", Prosiding Seminar Fisika ke XII, HFI cab. Yogyakarta & Jawa Tengah, Universitas Gadjah Mada - Yogyakarta, 1994, hal. 36 - 42.
Rudiono dan M. Takeuchi, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36(1997), hal. L127 - L129.
M.T. Fowler, M. Suzuki, A.K. Angel, K. Adano, dan T. Itoh, Journal of Applied Physics, 62(8), 15 Oktober 1987, hal. 3427 - 3431.
10. G.G. Robert (editor), Langmuir-Blodgett Films, Plenum Press, New York, 1990, hal. 27.
A. Ulman, An Introduction to Ultrathin Organic Films from Langmuir-Blodgett to Self-Assembly, Academic Press, Inc., 1991, hal. 237.
H. Wohltjen, W.R. Barger, A.W. Snow, dan N.L. Jarvis, IEEE Trans. Elec. Dev., ED-32, 1985, hal. 1170 - 1174.

No comments:

Post a Comment

bootabel linux

Cara Membuat Bootable Linux Dengan USB Flashdisk Seperti biasa, sebelum memulai pembuatan bootable linux dengan menggunakan flashdisk ada...