ELEKTRO INDONESIA
Edisi ke Sebelas, Januari 1998
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. 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. 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. 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. 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.
Oleh : Hariyadi
hariya@essex.ac.uk
Dept. of Physiscs
University of Essex Wivenhoe Park
Colchester CO4 2SQ England
Artikel lain :
[Sajian Utama] [Sajian
Khusus] [Profil Elektro]
[KOMPUTER] [KOMUNIKASI]
[KENDALI] [INSTRUMENTASI]
[PII NEWS]
Please send comments, suggestions, and criticisms about ELEKTRO
INDONESIA.
Click here to send me
email.
[ Edisi Sebelumnya]
© 1996-1998 ELEKTRO
Online.
All Rights Reserved.