Melampaui Silikon: Bagaimana Materials Tipis Atom Merevolusi Chip

Gambaran artistik dari atom kalkogen yang hilang di lapisan tengah dikalkogenida logam transisi massal. Kredit: Kyle Palmer / Departemen Komunikasi PPPL

Penelitian baru meningkatkan pemahaman kita tentang kandidat yang mungkin untuk chip komputer generasi berikutnya.

Para ilmuwan di Laboratorium Fisika Plasma Princeton tengah mengembangkan teknologi semikonduktor dengan mengembangkan materials yang lebih tipis dan lebih efisien yang disebut dikalkogenida logam transisi (TMD). Materials ini, yang tebalnya hanya beberapa atom, dapat menghasilkan chip komputer yang lebih ringkas dan bertenaga. Penelitian ini juga menyelidiki peran cacat dalam materials ini, yang dapat memengaruhi sifat listriknya dan berpotensi meningkatkan fungsinya.

Evolusi Chip Komputer

Chip komputer silikon telah melayani kita dengan baik selama lebih dari setengah abad. Fitur terkecil pada chip yang saat ini dijual berukuran sekitar 3 nanometer — ukuran yang sangat kecil mengingat lebar rambut manusia sekitar 80.000 nanometer. Mengurangi ukuran fitur pada chip akan membantu kita memenuhi kebutuhan kita yang tak terbatas akan lebih banyak memori dan daya pemrosesan di telapak tangan kita. Namun, batas dari apa yang dapat dicapai dengan bahan dan proses standar sudah dekat.

Terobosan dalam Materials Chip

Para peneliti di Departemen Pertahanan AS EnergiLaboratorium Fisika Plasma Princeton (DOE) (PPPL) menerapkan keahlian mereka dalam fisika, kimia, dan pemodelan komputer untuk menciptakan chip komputer generasi berikutnya, yang bertujuan pada proses dan bahan yang akan menghasilkan chip dengan fitur yang lebih kecil.

“Semua perangkat elektronik yang ada saat ini menggunakan chip yang terbuat dari silikon, yang merupakan materials tiga dimensi. Kini, banyak perusahaan yang berinvestasi besar pada chip yang terbuat dari materials dua dimensi,” kata Shoaib Khalid, seorang fisikawan peneliti asosiasi di PPPL. Materials tersebut sebenarnya ada dalam tiga dimensi, tetapi sangat tipis — sering kali hanya terdiri dari beberapa lapisan atom — sehingga para ilmuwan menyebutnya 2D.

Bahan dua dimensi (2D) adalah zat yang sangat tipis yang terdiri dari satu lapisan atom. Bahan-bahan ini menunjukkan sifat fisik, kimia, dan elektronik yang unik yang berbeda dari bahan-bahan lain yang berukuran besar, terutama karena ketipisannya yang ekstrem dan luas permukaannya yang tinggi. Graphena, satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal, adalah bahan 2D yang paling terkenal, yang terkenal karena kekuatan, konduktivitas, dan fleksibilitasnya. grafenamaterials 2D lainnya termasuk dikalkogenida logam transisi (misalnya, MoS₂), boron nitrida heksagonal, dan fosfor hitam. Materials ini memiliki aplikasi potensial dalam bidang elektronik, sensor, penyimpanan energi, dan nanoteknologi.

Dikalkogenida Logam Transisi: Semikonduktor Generasi Berikutnya

Khalid, bersama dengan Bharat Medasani dari PPPL dan Anderson Janotti dari Universitas Delaware, menyelidiki satu pengganti silikon potensial: bahan 2D yang dikenal sebagai dikalkogenida logam transisi (TMD).

Bahasa Inggris mereka yang baru kertasditerbitkan dalam jurnal Bahan 2Dmerinci variasi yang dapat terjadi dalam struktur atom TMD, mengapa hal itu terjadi, dan bagaimana hal itu memengaruhi materials. Informasi tentang variasi ini menjadi dasar untuk menyempurnakan proses yang dibutuhkan guna menciptakan chip komputer generasi berikutnya.

Pada akhirnya, tujuannya adalah untuk mendesain plasma-sistem manufaktur berbasis yang dapat menciptakan TMD berbasis semikonduktor dibuat sesuai spesifikasi tepat yang dibutuhkan untuk aplikasi.

TMD: Sandwich Logam Mungil

TMD bisa setipis tiga atom tingginya. Bayangkan seperti sandwich logam kecil. Roti terbuat dari unsur kalkogen: oksigen, sulfur, selenium, atau telurium. Isinya adalah lapisan logam transisi — logam apa pun dari golongan 3 hingga 12 dalam tabel periodik unsur. TMD massal memiliki lima atau lebih lapisan atom. Atom-atom tersebut tersusun dalam struktur kristal atau kisi. Idealnya, atom-atom tersebut tersusun dalam pola yang tepat dan konsisten di seluruh kisi. Kenyataannya, perubahan kecil dapat ditemukan dalam pola tersebut. Satu titik dalam pola mungkin kehilangan satu atomatau atom mungkin ditemukan di lokasi yang aneh. Para ilmuwan menyebut perubahan ini sebagai cacat, tetapi perubahan ini dapat memberikan dampak yang menguntungkan pada materials.

Beberapa cacat TMD, misalnya, dapat membuat semikonduktor lebih konduktif secara elektrik. Baik atau buruk, sangat penting bagi para ilmuwan untuk memahami mengapa cacat terjadi dan bagaimana cacat tersebut akan memengaruhi materials sehingga mereka dapat menggabungkan atau menghilangkan cacat tersebut sebagaimana diperlukan. Memahami cacat umum juga memungkinkan para peneliti untuk menjelaskan hasil dari eksperimen TMD sebelumnya.

“Ketika TMD massal dibuat, mereka memiliki elektron berlebih,” kata Khalid, seraya menambahkan bahwa para peneliti tidak yakin mengapa partikel bermuatan negatif berlebih ini muncul. “Dalam penelitian ini, kami menjelaskan bahwa elektron berlebih dapat disebabkan oleh hidrogen.”

Para peneliti sampai pada kesimpulan ini setelah menghitung jumlah energi yang dibutuhkan untuk membentuk berbagai jenis cacat TMD. Mereka mengamati cacat yang melibatkan kekosongan kalkogen, yang sebelumnya diketahui ada di TMD, dan cacat yang melibatkan hidrogen karena elemen ini sering muncul selama proses pembuatan chip. Para peneliti khususnya tertarik untuk mengetahui cacat mana yang memerlukan energi pembentukan minimal karena cacat inilah yang paling mungkin terjadi — tidak butuh banyak energi untuk terjadinya cacat tersebut!

Tim tersebut kemudian menyelidiki peran masing-masing cacat energi pembentukan rendah. Secara khusus, mereka ingin mengetahui bagaimana setiap konfigurasi cacat dapat memengaruhi muatan listrik materials. Para peneliti menemukan bahwa salah satu konfigurasi cacat yang melibatkan hidrogen menyediakan elektron berlebih, yang menciptakan materials semikonduktor bermuatan negatif, yang dikenal sebagai tipe-n. Chip komputer dibuat menggunakan kombinasi materials semikonduktor tipe-n dan materials bermuatan positif, atau tipe-p.

Mannequin ini menunjukkan titik tempat atom kalkogen yang hilang seharusnya berada, sebagaimana diwakili oleh lingkaran hitam di tengah pola atom yang tidak terganggu. Pandangan ini melihat ke bawah pada lapisan tengah TMD. Kredit: Shoaib Khalid, Bharat Medasani dan Anderson Janotti / PPPL dan Universitas Delaware

Wawasan Penelitian tentang Kekosongan Kalkogen

Jenis cacat lain yang dieksplorasi dalam makalah ini dikenal sebagai kekosongan kalkogen: atom oksigen, sulfur, selenium, atau telurium yang hilang, tergantung pada jenis TMD. Para peneliti berfokus pada penjelasan hasil percobaan sebelumnya pada serpihan bahan TMD massal molibdenum disulfida. Percobaan, yang melibatkan penyinaran cahaya pada TMD, menunjukkan frekuensi cahaya yang tidak terduga yang berasal dari TMD. Frekuensi yang tidak terduga ini, menurut para peneliti, dapat dijelaskan oleh pergerakan elektron yang terkait dengan kekosongan kalkogen.

“Ini adalah cacat yang umum. Mereka sering kali dapat melihatnya dari gambar mikroskop pemindai terowongan saat mereka menumbuhkan movie TMD,” kata Khalid. “Pekerjaan kami menyediakan strategi untuk menyelidiki keberadaan kekosongan ini dalam TMD massal. Kami menjelaskan hasil eksperimen sebelumnya yang ditunjukkan dalam molibdenum disulfida, dan kemudian kami memperkirakan hal serupa untuk TMD lainnya.”

Proses yang disarankan oleh para peneliti melibatkan analisis TMD untuk mengetahui adanya cacat menggunakan teknik pengukuran yang disebut fotoluminesensi untuk melihat frekuensi cahaya yang dipancarkan oleh materials. Frekuensi puncak cahaya dapat digunakan untuk menentukan konfigurasi elektron atom dalam TMD dan keberadaan cacat kalkogen. Artikel jurnal tersebut memuat informasi tentang frekuensi yang akan dipancarkan oleh lima jenis TMD dengan kekosongan kalkogen, termasuk molibdenum disulfida. Oleh karena itu, hasilnya memberikan pedoman untuk menyelidiki kekosongan kalkogen dalam eksperimen mendatang.

Referensi: “Peran kekosongan kalkogen dan hidrogen dalam sifat optik dan listrik dikalkogenida logam transisi massal” oleh Shoaib Khalid, Anderson Janotti dan Bharat Medasani, 24 Mei 2024, Bahan 2D.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1088/2053-1583/ad4720

Pekerjaan ini didukung oleh DOE di bawah hibah DE-AC02-09CH11466 dan penghargaan Nationwide Science Basis (NSF) #OIA-2217786. Perhitungan dilakukan di Pusat Komputasi Ilmiah Penelitian Energi Nasional (NESRC) di bawah nomor kontrak DE-AC02-05CH11231 menggunakan penghargaan NERSC BES-ERCAP27253, gugus Stellar di Universitas Princeton dan sistem komputasi DARWIN di Universitas Delaware, menggunakan hibah NSF 1919839.