Para peneliti telah mengubah germanium, semikonduktor umum, menjadi superkonduktor melalui rekayasa atom yang tepat. Kemajuan ini dapat merevolusi elektronik masa depan dan sirkuit kuantum dengan menghilangkan kehilangan energi. Selama bertahun-tahun, para peneliti telah berupaya merancang bahan semikonduktor yang juga dapat bertindak sebagai superkonduktor, sehingga secara dramatis meningkatkan kinerja dan efisiensi teknologi seperti chip komputer (…)

JetMedia Digital Agency

Sebuah studi peer-review melaporkan pengembangan teknologi modulasi ultrafast dalam nanoelektronika. Fisikawan dari Universitas Bielefeld dan Leibniz Institute for Solid State dan Material Research Dresden (IFW Dresden) telah memperkenalkan teknik baru yang menggunakan pulsa cahaya ultrashort untuk memanipulasi semikonduktor tipis secara atom. Penelitian mereka, yang diterbitkan di Nature Communications, dapat mengarah pada perkembangan (…)

RisalahPos.com Network

Mekanisme yang menstabilkan semikonduktor feroelektrik baru juga menciptakan jalur konduktif, yang dapat membuatnya cocok untuk digunakan dalam transistor daya tinggi. Jenis semikonduktor baru yang dapat menyimpan informasi menggunakan medan listrik dapat menyebabkan lebih banyak komputer hemat energi, sensor ultra-presisi, dan teknologi yang mengonversi sinyal antara bentuk listrik, optik, dan akustik. Namun, para ilmuwan (…)

RisalahPos.com Network

Para peneliti telah menciptakan semikonduktor fleksibel yang secara efisien mengubah panas tubuh menjadi listrik melalui rekayasa lowongan atom. Inovasi ini membuka kemungkinan baru untuk perangkat yang dapat dipakai, menggabungkan fleksibilitas dan kinerja termoelektrik yang tinggi. Para peneliti di Queensland University of Technology (QUT) telah menemukan bahan baru yang dapat berfungsi sebagai semikonduktor yang fleksibel untuk perangkat yang dapat dipakai. Pendekatan mereka (…)

RisalahPos.com Network

Ilmuwan Riken telah menemukan cara memanipulasi molybdenum disulfide menjadi bertindak sebagai superkonduktor, logam, semikonduktor, atau isolator menggunakan teknik transistor khusus. Dengan memasukkan ion kalium dan kondisi penyesuaian, mereka dapat memicu perubahan dramatis dalam keadaan elektronik material – secara tidak terduga bahkan mengubahnya menjadi superkonduktor atau isolator. Tingkat kontrol baru ini atas (…)

RisalahPos.com Network

Penelitian baru menjelaskan sebagian kinerja luar biasa dari kelas baru semikonduktor organik yang disebut akseptor non-fullerene (NFA).

Energi surya memainkan peran penting dalam transisi menuju masa depan energi bersih. Biasanya, silikon, semikonduktor umum yang ditemukan dalam peralatan elektronik sehari-hari, digunakan untuk memanen energi surya. Namun, panel surya silikon memiliki keterbatasan—biayanya mahal dan sulit dipasang pada permukaan melengkung.

Para peneliti telah mengembangkan bahan-bahan alternatif untuk pemanenan energi surya guna mengatasi kekurangan tersebut. Di antara bahan-bahan yang paling menjanjikan adalah yang disebut “organik” semikonduktorsemikonduktor berbasis karbon yang melimpah di Bumi, lebih murah, dan ramah lingkungan.

“Mereka berpotensi menurunkan biaya produksi panel surya karena bahan-bahan ini dapat dilapisi pada permukaan apa pun menggunakan metode berbasis larutan – seperti cara kita mengecat dinding,” kata Wai-Lun Chan, profesor madya fisika dan astronomi di Universitas Kansas. “Bahan-bahan organik ini dapat disesuaikan untuk menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu, yang dapat digunakan untuk membuat panel surya transparan atau panel dengan warna berbeda. Karakteristik ini membuat panel surya organik sangat cocok untuk digunakan di bangunan hijau dan berkelanjutan generasi mendatang.”

Meskipun semikonduktor organik telah digunakan dalam panel tampilan elektronik konsumen seperti ponsel, TV, dan headset realitas virtual, semikonduktor organik belum banyak digunakan dalam panel surya komersial. Salah satu kekurangan sel surya organik adalah efisiensi konversi cahaya ke listriknya yang rendah, sekitar 12% dibandingkan sel surya silikon kristal tunggal yang memiliki efisiensi 25%.

Menurut Chan, elektron dalam semikonduktor organik biasanya terikat pada pasangan positifnya yang dikenal sebagai “lubang.” Dengan cara ini, cahaya yang diserap oleh semikonduktor organik sering kali menghasilkan kuasipartikel netral yang dikenal sebagai “eksiton.”

Terobosan dengan Akseptor Non-Fullerene

Namun, perkembangan terkini dari kelas baru semikonduktor organik yang dikenal sebagai akseptor non-fullerene (NFA) mengubah paradigma ini. Sel surya organik yang dibuat dengan NFA dapat mencapai efisiensi mendekati angka 20%.

Meskipun kinerjanya luar biasa, masih belum jelas bagi komunitas ilmiah mengapa kelas NFA baru ini secara signifikan mengungguli semikonduktor organik lainnya.

Dalam sebuah studi terobosan yang muncul di Materi LanjutanChan dan timnya, termasuk mahasiswa pascasarjana Kushal Rijal (penulis utama), Neno Fuller dan Fatimah Rudayni dari departemen Fisika dan Astronomi, dan bekerja sama dengan Cindy Berrie, profesor kimia di KU, telah menemukan mekanisme mikroskopis yang memecahkan sebagian kinerja luar biasa yang dicapai oleh NFA.

Kunci dari penemuan ini adalah pengukuran yang dilakukan oleh penulis utama Rijal menggunakan teknik eksperimental yang dijuluki “time-resolved two foto spektroskopi fotoemisi” atau TR-TPPE. Metode ini memungkinkan tim melacak energi elektron yang tereksitasi dengan resolusi waktu sub-pikodetik (kurang dari sepertriliun detik).

“Dalam pengukuran ini, Kushal (Rijal) mengamati bahwa beberapa elektron yang tereksitasi secara optik di NFA dapat memperoleh energi dari lingkungan alih-alih kehilangan energi ke lingkungan,” kata Chan. “Pengamatan ini berlawanan dengan intuisi karena elektron yang tereksitasi biasanya kehilangan energinya ke lingkungan seperti secangkir kopi panas yang kehilangan panasnya ke lingkungan sekitar.”

Tim, yang karyanya didukung oleh Kantor Ilmu Energi Dasar Departemen Energi, meyakini proses yang tidak biasa ini terjadi pada skala mikroskopis berkat perilaku kuantum elektron, yang memungkinkan elektron yang tereksitasi muncul secara bersamaan pada beberapa molekul. Keanehan kuantum ini berpasangan dengan Hukum Termodinamika Kedua, yang menyatakan bahwa setiap proses fisik akan menyebabkan peningkatan entropi total (sering dikenal sebagai “ketidakteraturan”) untuk menghasilkan proses perolehan energi yang tidak biasa.

“Dalam kebanyakan kasus, benda panas mentransfer panas ke lingkungannya yang dingin karena perpindahan panas menyebabkan peningkatan entropi total,” kata Rijal. “Tapi kami menemukan bahwa molekul organik yang tersusun dalam bentuk tertentu skala nano struktur, arah aliran panas yang khas dibalik agar entropi total meningkat. Aliran panas terbalik ini memungkinkan eksiton netral memperoleh panas dari lingkungan dan terdisosiasi menjadi sepasang muatan positif dan negatif. Muatan bebas ini pada gilirannya dapat menghasilkan arus listrik.”

Implikasi bagi Solusi Energi Masa Depan

Berdasarkan temuan eksperimen mereka, tim mengusulkan bahwa mekanisme pemisahan muatan berbasis entropi ini memungkinkan sel surya organik yang dibuat dengan NFA mencapai efisiensi yang jauh lebih baik.

“Memahami mekanisme pemisahan muatan yang mendasarinya akan memungkinkan para peneliti merancang nanostruktur baru untuk memanfaatkan entropi guna mengarahkan aliran panas, atau energi, pada skala nano,” kata Rijal. “Meskipun entropi merupakan konsep yang terkenal dalam fisika dan kimia, konsep ini jarang digunakan secara aktif untuk meningkatkan kinerja perangkat konversi energi.”

Tidak hanya itu: Sementara tim KU meyakini mekanisme yang ditemukan dalam penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan sel surya yang lebih efisien, mereka juga berpikir hal itu dapat membantu para peneliti merancang fotokatalis yang lebih efisien untuk produksi bahan bakar surya, suatu proses fotokimia yang menggunakan sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar organik.

Referensi: “Pemisahan Muatan Endotermik yang Terjadi Secara Spontan pada Akseptor Polimer Massal Non-Fullerene/Heterojunction” oleh Kushal Rijal, Neno Fuller, Fatimah Rudayni, Nan Zhang, Xiaobing Zuo, Cindy L. Berrie, Hin-Lap Yip dan Wai-Lun Chan, Mei 19 Agustus 2024, Materi Lanjutan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adma.202400578

Para fisikawan telah mengembangkan teknik inovatif menggunakan mikroskop resolusi tinggi dan laser ultra cepat untuk mengidentifikasi cacat secara tepat semikonduktor.

Metode baru ini sangat efektif dalam skala nano komponen, memungkinkan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam mengamati pergerakan elektron di sekitar cacat atom, secara signifikan memajukan bidang fisika semikonduktor dan menjanjikan kemungkinan baru untuk bahan seperti grafena.

Analisis Semikonduktor Lanjutan

Salah satu tantangan dalam menjejalkan perangkat elektronik yang lebih cerdas dan lebih canggih ke dalam perangkat yang semakin mengecil adalah mengembangkan alat dan teknik untuk menganalisis bahan-bahan yang menyusunnya dengan tingkat presisi yang semakin tinggi.

Fisikawan di Michigan State University telah mengambil langkah yang telah lama ditunggu-tunggu di bidang itu dengan pendekatan yang menggabungkan mikroskopi resolusi tinggi dengan laser sangat cepat.

Teknik ini dijelaskan dalam jurnal Fotonik Alammemungkinkan peneliti untuk menemukan atom yang tidak sesuai dalam semikonduktor dengan presisi yang tak tertandingi. Fisika semikonduktor melabeli atom-atom ini sebagai “cacat,” yang kedengarannya negatif, tetapi biasanya atom-atom ini ditambahkan ke material dengan sengaja dan sangat penting bagi kinerja semikonduktor dalam perangkat saat ini — dan di masa mendatang.

“Hal ini khususnya relevan untuk komponen dengan struktur berskala nano,” kata Tyler Cocker, Ketua Jerry Cowen Endowed dalam Fisika Eksperimental dan pemimpin studi baru tersebut.

Kemajuan dalam Material Skala Nano

Hal ini mencakup hal-hal seperti chip komputer, yang secara rutin menggunakan semikonduktor dengan fitur skala nano. Dan para peneliti berupaya untuk membawa arsitektur skala nano ke tingkat yang ekstrem dengan merekayasa material yang merupakan satu kesatuan. atom tebal

“Material nanoskopik ini adalah masa depan semikonduktor,” kata Cocker, yang juga memimpin Laboratorium Nanoskopi Terahertz Ultracepat di Departemen Fisika dan Astronomi di MSU. “Ketika Anda memiliki elektronik berskala nano, sangat penting untuk memastikan bahwa elektron dapat bergerak sesuai keinginan Anda.”

Cacat berperan besar dalam gerakan elektron tersebut, itulah sebabnya ilmuwan seperti Cocker ingin mempelajari secara tepat di mana letaknya dan bagaimana perilakunya. Rekan-rekan Cocker sangat gembira mengetahui bahwa teknik baru timnya akan memudahkan mereka memperoleh informasi tersebut.

“Salah satu rekan saya berkata, ‘Saya harap Anda keluar dan merayakannya,’” kata Cocker.

Vedran Jelic, yang mempelopori proyek tersebut sebagai peneliti pascadoktoral di kelompok Cocker dan sekarang bekerja di National Research Council Canada, adalah penulis pertama laporan baru tersebut. Tim peneliti tersebut juga mencakup mahasiswa doktoral Stefanie Adams, Eve Ammerman, dan Mohamed Hassan, serta peneliti tingkat sarjana Kaedon Cleland-Host.

Cocker menambahkan bahwa teknik ini mudah diimplementasikan dengan peralatan yang tepat dan timnya sudah menerapkannya pada material setipis atom seperti pita nano grafena.

“Kami memiliki sejumlah proyek terbuka di mana kami menggunakan teknik ini dengan lebih banyak bahan dan bahan yang lebih eksotis,” kata Cocker. “Kami pada dasarnya menggabungkannya ke dalam semua yang kami lakukan dan menggunakannya sebagai teknik standar.”

Teknik Mikroskopi Inovatif

Sudah ada peralatan, terutama mikroskop pemindaian terowongan atau STM, yang dapat membantu ilmuwan menemukan cacat atom tunggal.

Tidak seperti mikroskop yang banyak orang kenali dari pelajaran sains di sekolah menengah, STM tidak menggunakan lensa dan bola lampu untuk memperbesar objek. Sebaliknya, STM memindai permukaan sampel menggunakan ujung yang sangat tajam, hampir seperti stylus pada pemutar rekaman.

Namun, ujung STM tidak menyentuh permukaan sampel, ia hanya cukup dekat sehingga elektron dapat melompat, atau membuat terowongan, antara ujung dan sampel.

STM merekam berapa banyak elektron yang melompat dan dari mana mereka melompat, bersama dengan informasi lainnya, untuk menyediakan informasi skala atom tentang sampel (dengan demikian, mengapa lab Cocker menyebutnya sebagai nanoskopi, bukan mikroskopi).

Tetapi data STM saja tidak selalu cukup untuk mengatasi cacat secara jelas dalam suatu sampel, terutama pada galium arsenida, bahan semikonduktor penting yang ditemukan dalam sistem radar, sel surya efisiensi tinggi, dan perangkat telekomunikasi modern.

Untuk publikasi terbaru mereka, Cocker dan timnya berfokus pada sampel galium arsenida yang sengaja dimasukkan dengan atom cacat silikon untuk mengatur bagaimana elektron bergerak melalui semikonduktor.

Penemuan dan Validasi Cacat

“Atom silikon pada dasarnya tampak seperti lubang yang dalam bagi elektron,” kata Cocker.

Meskipun para ahli teori telah mempelajari jenis cacat ini selama beberapa dekade, para eksperimentalis belum dapat mendeteksi atom tunggal ini secara langsung, hingga sekarang.

Teknik baru Cocker dan timnya masih menggunakan STM, tetapi para peneliti juga menyinari pulsa laser tepat di ujung STM.

Pulsa ini terdiri dari gelombang cahaya dengan frekuensi terahertz, yang berarti pulsa ini bergerak naik turun satu triliun kali per detik. Baru-baru ini, para ahli teori telah menunjukkan bahwa frekuensi ini sama dengan frekuensi yang seharusnya digunakan untuk menggerakkan cacat atom silikon di dalam sampel galium arsenida.

Dengan menggabungkan STM dan cahaya terahertz, tim MSU menciptakan sebuah penyelidikan yang memiliki kepekaan yang tak tertandingi terhadap cacat.

Ketika ujung STM menemukan cacat silikon pada permukaan galium arsenida, sinyal kuat yang tiba-tiba muncul dalam data pengukuran tim. Ketika para peneliti memindahkan ujung satu atom menjauh dari cacat, sinyal tersebut menghilang.

“Inilah cacat yang telah dicari orang selama lebih dari empat puluh tahun, dan kami dapat melihatnya berbunyi seperti lonceng,” kata Cocker.

Pencapaian Teoritis dan Praktis

“Awalnya, sulit dipercaya karena sangat berbeda,” lanjutnya. “Kami harus mengukurnya dengan berbagai cara untuk memastikan bahwa ini nyata.”

Namun, begitu mereka yakin sinyal itu nyata, hal itu mudah dijelaskan berkat kerja teori selama bertahun-tahun yang dikhususkan untuk subjek tersebut.

“Ketika Anda menemukan sesuatu seperti ini, sungguh membantu jika sudah ada penelitian teoritis selama puluhan tahun yang mengkarakterisasikannya secara menyeluruh,” kata Jelic, yang bersama Cocker, juga merupakan penulis korespondensi pada makalah baru tersebut.

Meskipun laboratorium Cocker merupakan yang terdepan dalam bidang ini, ada beberapa kelompok di seluruh dunia yang saat ini menggabungkan STM dan cahaya terahertz. Ada juga berbagai material lain yang dapat memanfaatkan teknik ini untuk aplikasi di luar pendeteksian cacat.

Sekarang setelah timnya berbagi pendekatannya dengan masyarakat, Cocker bersemangat untuk melihat penemuan-penemuan lain apa yang menanti.

Referensi: “Spektroskopi domain waktu terahertz skala atom” oleh V. Jelic, S. Adams, M. Hassan, K. Cleland-Host, SE Ammerman dan TL Cocker, 4 Juli 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2

Proyek ini didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut, Kantor Penelitian Angkatan Darat, dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara.